電力系統諧波檢測與分析畢業設計論文-資料下載頁

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【正文】 量 ?cos1 EIp ? 和按雙倍頻率交變的正弦分量 )2cos(2 ?? ?? tp ，則在某一個周期 T 內的平均功率為： ???? c o s)]2c o s ([ c o s11 00 EIdttEITpdtTP TT ????? ?? () ?cosEIp? 為消耗在電阻元件上的平均功率，稱為有功功率。 記 ?? c oss in2 tIip ? ， 與電壓同相位，稱為有功分量。 ? ?T tdtT 0 02s ins in1 ?? ，在一個周期內其平均功率為。，即不消耗能量的功率，其瞬間功率最大值 ?sinEIQ? ，稱為無功功率。 記 ?? s inc o s2 tIiq ?? ，與電壓相位相差 90，稱為無功分量。 當電流和電壓均為正弦波時，無功功率是代表負荷和電源之間的能量來回交換的一種量度。換句話說，無功功率是電源與磁場、電源與電場或者磁場與電場之間，按雙倍頻率進行交換而無能量消耗的電功率，它在交流系統中是必不可少的。 三相瞬時無功功率理論 三相電路瞬時無功功率理論自 20世紀 80年代提出以來在許多方面得到了成功的應用。該理論突破了傳統的以平均值為基礎的功率定義，系統地定義了瞬時無功功率、瞬時有功功率等瞬時功率量。以該理論為基礎可以得出 αβ 坐標系下有源濾波器諧波和無功電流的實時檢測方法。通過推導可以得出三相 電路瞬時有功電流 ip 和瞬時無功電流 iq 分別為 : 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 16 () 式中 () 諧波電流的檢測方法 基于瞬時無功功率理論的 ?? (或 pq )算法和 qp ii ? 算法在原理上是一樣的。用這兩種方法檢測諧波和無功時，進行的運算大多都是瞬時值運算，響應速度很快，特別適合于變化快、沖擊大的無功和諧波補償。兩者在只檢測無功電流時，都可以完全無延時地得出檢測結果；檢測諧波時，因被檢測對象中諧波的構成和采用濾波器的不同，會有不同的延時，但最多不會超過一個電源周期，可見這兩種方法具有很好的實時性。與 ?? (或 pq )算法相比， qp ii ? 算法借助了構想的正、余弦函 數，沒有直接使用系統電壓信息參與運算，當系統電壓波形畸變時，畸變成分在運算過程中不出現，檢測結果不受影響，因此本文采用了這種方法。 ?ip—iq 檢測方法 ip—iq 檢測方法是由 pq 檢測法派生出來的基于瞬時無功功率理論的諧波、無功和負荷序電流檢測方法。 該檢測方法的框圖如圖 31 所示： 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 17 圖 31 ipiq算法原理圖 （ ） 在此方法中，通 過 一個 鎖 相 環 (PLL)和一個正、余弦 發 生 電 路得到需要用到的與 a相 電 網 電壓 V 同相位的 單 位正弦信號和余弦信號 。 按照 圖 31 可以 計 算出 ip、 iq ，經 低通 濾 波器 濾 波得 出 ip、 iq 中的直流成分 。按下 式 計 算出 被檢測電路 電 流 ia、ib、 ic 的 基波分量 : （ 3. 2. 8） 將 iaf、 ibf、 icf與 ia、 ib、 ic 相減，即可得出需要 檢測 的 諧 波 電 流 iah、 ibh、 ich (當 負載電 流中含 負 序 電 流 時 )。 當需要同 時檢測 無功 電 流 時 ， 只需要斷 開圖 31 中 計 算 iq的通道即可 。 由以上分析 可知，在 ip—iq 運算方式中，根據有功無功的定 義計 算出 ip、 iq . 濾波得到它 們 的直流分量然后 經過 低通 濾 波器。 電源電壓無畸變時，可以準確 計 算出 諧南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 18 波 電 流 。 但由 于 pq 檢測 法 電 源 電壓 要 參與運 算，如果 電 網 電壓 畸 變 ，反 映 檢測結 果就會出 現誤 差。 理想情況下， 電 網 電壓 波形 應為 正弦波 。 但是 實 際 的 電 網 電壓 波形由于 不同的原因會 有 一 定 畸 變 .而 且 這種 畸 變 在一 定 限度以內允許 存在。據 調查 目 前電網 電壓 的 總 諧 波畸 變 率平均己達到 2%3%. 在波形畸 變嚴 重 時 ，其 值 更高 。 而 pq 算法在 電 網 電壓 有畸 變 的情況下 計 算的 諧 波 電 流與 實際 的 諧 波 電 流是有差 別 的，即 該 條件下，瞬時 無功理 論 中的各定 義 量不再有明 顯 的物理意 義 。 因 為電 網 電壓 有畸 變 或不對 稱 時 ， 電壓 中將含有 負 序分量和零序分量， 同次 諧 波的 負 序 、 零序 電壓 分量和 負序 、 零序 電 流將 產 生平均有功分量和無功分 量 ， 常 規 pq 算 法無法 檢測 出去全部有害的 電 流，因此后來出 現 了改 進的 ipiq 算法，即 ip iq 檢測 算法。 圖 31 是 ipiq39。理論 運算 方式原理 圖。 由 該圖 可以看出， ipiq 理 論 中 電 源 電壓 不直接參與運算，代之以與 電 源 電壓 罔相位的 標 準正 弦信號 sinwt 和與之 對應 的余弦信號 coswt ， 這樣 ，即使 電 源 電壓 畸 變 與否 對 于 計 算 結 果就不 產 生影響了。 基于 qp ii ? 算法的諧波電流檢測方法的實現 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 19 系統硬件電路框圖 圖 32硬件電路框圖 說明： ? 檢測部分采用的是霍爾電流傳感器 ,對系統電流進行采樣轉換 ， 檢測到的電流信號送至 TMS320F2812 的 ADC 端口進行 A/D 轉換，在插座上插上一塊 A/D 采樣板，實現負載電流信號的采集和量化。由 DSP 系統實現三相 /兩相變換，在變換中需要 sinω t 和 ?cosω t，但必須要與 A 相電網電壓信號同步。 ? 利用電壓互 感器對 A 相電網電壓進行取樣，然后經過過零比較器，得到一個與電網電壓同步的方波信號，作為鑒相器 (PD)的一個輸入。鑒相器、低通濾波和函數發生器組成一個鎖相環 (PLL)電路。當環路鎖定時，輸出正弦波與電網電壓同步，即同頻同相，在時間上應該幾乎沒有延遲。 ? 在處理分離系統中關鍵的是低通濾波器，濾波器的參數可通過在 MATLAB 仿真軟件數字信號處理器工具箱計算得出， 濾波后再通過兩相 /三相變換得到諧波指南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 20 令電流，得到負載諧波電流 iah、 ibh、 ich。 ? DSP： Digital Signal Processor 的簡稱，即數字信號處理器，它是一種特別適用于數字信號處理運算的微處理器，其主要運用是實時快速地實現各種數字信號處理算法。 ? 過零比較器 ：它對諧波分析同步采樣起著很重要的作用。它將電壓信號變為同頻率的方波信號， DSP 通過捕獲方波的上升沿來跟蹤電網頻率，為保證同步采樣提供了條件 ? 鑒相器 ： Phasedetector，顧名思義，就是能夠鑒別出輸入信號的相差的器件，是使輸出電壓與兩個輸入信號之間的相位差有確定關系的電路。它是 PLL，即鎖相環的重要組成部分。 具體模塊電路圖 系統主要分為：檢測取樣部分、信號處理部分、分離部分、顯示輸出部分。結構如圖 33 所示： 圖 33系統結構圖 ? 檢測取樣 如硬件框圖所示，對負載電流進行檢測采樣的是霍爾電流傳感器，對電網電壓進行檢測采樣的是電壓互感器 。 1） 霍爾電流傳感器： 霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理，即閉環原理，當原邊電流 IP 產生的磁通通過高品質磁芯集中在磁路中，霍爾元件固定在氣隙中檢測磁通，通過繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補償電流 Is，用于抵消原邊 IP 產生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零。經過特殊電路的處理，傳感器的輸出端能夠輸出精確反映原邊電流的電流變化。 本設計采用檢測取樣電流的是型號為 JLT263I 交流三相電流 傳感器 ， 參數說明： +： +12V －：－ 12V M： Iout Rm： 300Ω 其實物圖如圖 34 所示： 檢測取樣 信號處理 分離 顯示輸出 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 21 圖 34 JLT263I 交流三相電流傳感器 圖 其三相電流檢測電路原理圖如下圖 35 所示： 圖 35 三相 電流 檢測電路圖 2） 電壓互感器 電壓互感器是一個帶鐵心的變壓器。它主要由一、二次線圈、鐵心和絕緣組成。當在一次繞組上施加一個電壓 U1 時，在鐵心中就產生一個磁通φ，根據電磁感應定律，則在二次繞組中就產生一個二次電壓 U2。改變一次或二次繞組的匝數，可以產生不同的一次電壓與二次電壓比，這就可組成不同比的電壓互感器。電壓互感器將高電壓按比例轉換成低電壓，即 100V，電壓互感器一次側接在一次系統，二次側接測量儀表、繼電保護等；主要是電磁式的（電容式電壓互感器應用廣泛），另有非電磁式的，如電子式、光電式。 其電路原理圖如下圖 36 所示： 圖 36電壓互感器電路圖 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 22 ? 信號處理 如硬件框圖所示，對信號處理的部分主要是過零比較器和鑒相器等組成的 PLL 電路。 1）過零比較器： 對兩個或多個數據項進行比較，以確定它們是否相等，或確定它們之間的大小關系及排列順序稱為比較。 能夠實現這種比較功能的電路或裝置稱為比較器。 過零比較器被用于檢測一個輸入值是否是零。原理是利用比較器對兩個輸入電壓進行比較。兩個輸入電壓一個是參考電壓 Vr，一個是待測電壓 Vu。一般 Vr 從正相輸入端接入， Vu 從反相輸入端接入。根據比較輸入電壓的結果輸出正向或反向飽和電壓。當參考電壓已知時就可以得出待測電壓的測量結果，參考電壓為零時即為過零比較器。 本設計采用的比較器型號是 LM311P，它能實現正弦波到方波的轉換，引腳如下圖 37 所示： 圖 37 LM311P 引腳圖 其電路原理圖如下圖 38 所示： 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 23 圖 38過零比較器電路圖 2）鎖相環（ PLL）電路： 許多電子設備要正常工作，通常需要外部的輸入信號與內部的振蕩信號同步，利用鎖相環路就可以實現這個目的。 鎖相環 電 路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環（ PLL）。鎖相環的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環路內部振蕩信號的頻率和相位。 因鎖相環可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環通常用于閉環跟蹤電路。鎖相環在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環名稱的由來。 本設計采用的 PLL 電路其核心元件型號是 CD74HC4046，它能實現使 輸出正弦波與電網電壓同 步。其具體參數如下表所示 表 1 CD74HC4046 引腳 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 24 PLL 電路原理圖如下圖 39 所示： 圖 39 PLL 電路圖 ? 分離 如硬件框圖所示，分離部分由 DSP（ TMS320F2812）進行處理。 DSP： Digital Signal Processor 的簡稱，即數字信號處理器，它是一種特別適用于數字信號處理運算的微處理器，其主要運用是實時快速地實現各種數字信號處理算法 。 [21] DSP 系統模塊如下所示： DSP 處理器 TMS320F2812 ，最高工作頻率 150MHz； DSP 芯片內置 18K X 16 位 SRAM, 4K X 16 位 BOOT ROM , 1K X 16 位 OPT ROM DSP 芯片內置 128K X 16 位 FLASH； 外擴 32k 16bit 的程序 RAM， 32k 16bit 的數據 RAM； 監視用 LED 發光管一個； DSP 所有功能引腳引出， 176pin； 4MB 程序、數據尋址空間； 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 25 I/O 輸入輸出模塊―― 8 個 LED； SCI 模塊―― RS232 通訊接口電路； SPI_DA 模塊―― 4 路 8 位串行 D/A 輸出； A/D 轉換模塊―― 2 路 12 位 A/D 采樣（可擴展到 16 路）； CAN 模塊―― CAN 總