CN102222912A - 一种试验用可控谐波发生装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种试验用可控谐波发生装置及其控制方法，属于输配电技术领域。本发明可模拟各种谐波源发出各次谐波，用于测试检验各种电能质量补偿装置的补偿效果和性能。本发明包括检测部分、计算机及谐波发生部分，检测部分包括电流互感器和A/D转换模块，谐波发生部分包括通讯模块、继电器输出模块、模拟量输出模块及三相谐波发生电路；电流互感器的输入端与供电电网相连接，电流互感器的输出端与A/D转换模块的输入端相连接，A/D转换模块的输出端与计算机相连接；计算机经通讯模块后，分别与继电器输出模块和模拟量输出模块的输入端相连接，继电器输出模块和模拟量输出模块的输出端与三相谐波发生电路相连接，三相谐波发生电路与供电电网相连接。

Description

一种试验用可控谐波发生装置及其控制方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，特别是涉及一种用于电能质量控制的试验用可控谐波发生装置。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展和广泛应用，越来越多的非线性负荷、冲击性负荷正在不断地接入电力系统中。如：整流器、逆变器、变频器、UPS、电弧炉、中频感应炉、车站地铁整流站、焊接设备等。这些非线性负荷和冲击性负荷不仅会产生大量的高次谐波，注入电网，造成电网谐波污染；而且还会造成电压波动闪变、电压凹陷凸升以及严重的三相不平衡等问题，严重影响电能质量，威胁电网安全运行。这种不良的电能质量会造成电力用户重大的不必要的经济损失，而随着新技术的快速发展，计算机和先进控制技术的普及和应用，电力用户对供电电能质量和供电可靠性的要求越来越高。用户电力技术的出现和应用为电力用户对供电电能质量和供电可靠性的需求提供了强有力的保障。这样，为了能够提供满足用户需求的电能，减少不合格电能带来的损失，通常在用户和电网间安装诸如有源电力滤波器(APF)、动态电压调节器(DVR)、动态不间断电源(DUPS)等电能质量补偿装置。为了在这些装置投入使用运行之前能够测试检验该装置解决电能质量问题的能力和性能，需要电能质量干扰发生器。另一种较为经济有效的措施是测试负载设备在受到电能质量干扰时的工作情况，以改进负载设备，提高其抗扰动能力，而无需安装电能质量补偿装置。另外，如为了实际测试配电系统的谐波阻抗，以设计合理的无源滤波器，避免其与系统产生谐振，需要一份数次谐波源。以上这些都要求研制一种能产生可控电能质量干扰的试验装置。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供一种试验用可控谐波发生装置，该装置可模拟各种谐波源发出各次谐波，用于测试检验各种电能质量补偿装置的补偿效果和性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种试验用可控谐波发生装置，包括检测部分、计算机及谐波发生部分，所述检测部分包括电流互感器和A/D转换模块，所述谐波发生部分包括通讯模块、继电器输出模块、模拟量输出模块及三相谐波发生电路；所述电流互感器的输入端与供电电网相连接，所述电流互感器的输出端与所述A/D转换模块的输入端相连接，A/D转换模块的输出端与所述计算机相连接；所述计算机经所述通讯模块后，分别与所述继电器输出模块和模拟量输出模块的输入端相连接，所述继电器输出模块和模拟量输出模块的输出端与所述三相谐波发生电路相连接，所述三相谐波发生电路与供电电网相连接。

所述三相谐波发生电路包括A相谐波发生电路、B相谐波发生电路和C相谐波发生电路；所述A相谐波发生电路、B相谐波发生电路和C相谐波发生电路的结构完全相同，其具体结构如下：包括状态监测器、交流接触器、继电器、单调消谐电路、高通消谐电路及反并联晶闸管；所述状态监测器的输入端经断路器与供电电网相连接，输出端经各支路的交流接触器与该支路的继电器的触点的一端相连接，所述继电器的触点的另一端与该支路的单调消谐电路或高通消谐电路的一端相连接，所述单调消谐电路或高通消谐电路的另一端与该支路的反并联晶闸管的一端相连接，各支路的反并联晶闸管的另一端连接在一起；所述各支路反并联晶闸管的触发信号输入端与所述模拟量输出模块相连接，所述各支路继电器的线圈与所述继电器输出模块相连接，所述状态监测器的通讯端口与所述通讯模块相连接。

所述单调消谐电路由电阻、电抗器和电容器串联而成。

所述高通消谐电路包括电阻、电抗器、第一电容器和第二电容器，所述第二电容器与电阻串联后，再与电抗器并联，该并联支路再与第一电容器串联。

所述的一种试验用可控谐波发生装置的控制方法，按照如下步骤执行：

步骤一：开始，对系统进行初始化设置；

步骤二：输入设置要产生的谐波次数；

步骤三：判断是否有新的输入设置，若是，则执行步骤四；若否，则返回执行步骤三，继续扫描输入；

步骤四：执行谐波产生子程序；

步骤五：结束。

步骤四中所述的谐波产生子程序，按照如下步骤执行：

步骤一：判断输入的谐波次数是否存在，若存在，则计算各晶闸管触发延迟角，执行步骤二；若不存在，则报告输入错误，转去执行步骤四；

步骤二：通过三相谐波发生电路中的状态监测器的监测结果判断电压是否过零，若有过零信号，则执行步骤三；若无过零信号，则返回执行步骤二；

步骤三：通过通讯模块向继电器输出模块和模拟量输出模块发送动作命令；

步骤四：结束。

本发明的谐波发生装置的谐波发生原理如下：

本发明利用单调消谐电路和高通消谐电路消除负荷电流中的某些谐波，从而得到所需要的谐波。

设负荷电流表示成傅里叶级数形式为：

式中，i₁-负荷电流，I-基波电流有效值，ω-基波角频率，

-基波电流相位，I_n-n次谐波电流有效值，

-n次谐波相角，t-时间。

单调消谐电路的电路原理图，如图6所示，该电路对n次谐波的阻抗为：

$Z_{f_n}=R_{f_n}+j({\mathrm{n\ω}}_{s}L-\frac{1}{n{\mathrm{\ω}}_{s}C})---\left(2\right)$

式中，f_n-n次谐波频率，

-单调消谐电路对n次谐波的阻抗，

-n次谐波下的电阻，ω_s-基波角频率，L-电感，C-电容，n-谐振次数。

根据串联LC谐振原理，当谐振次数n为：

$n=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(3\right)$

在谐振点处，

因为

很小，n次谐波电流主要由分流，很少流入电网中，而对于其他次数的谐波，

分流很少。因此，主要将消谐电路的谐振次数设定为与需要消除的谐波次数一样，则该次谐波绝大部分流入消谐电路，消除了该次谐波。

高通消谐电路的电路原理图，如图7所示，它能消除某一频率以上的谐波，本发明设置为13次以上谐波。

综上所述，若要得到3次、5次、7次谐波，则设置谐振次数分别为9次、11次、13次及高通次数，通过单调消谐电路和高通消谐电路的组合来消除9次、11次、13次及以上的谐波，从而产生3次、5次、7次谐波。其他情况依此类推。

为了能够更好的消除其他次数的谐波，得到需要的谐波，在每个支路中设置了反并联晶闸管，用于调节控制相角，每个晶闸管的触发延迟角计算公式如下：

${\mathrm{\θ}}_n={\mathrm{\θ}}_1+\frac{{\mathrm{\θ}}_1-R_n}{T_n}\underset{n\≠j}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{{\mathrm{\θ}}_1-R_n}{T_n}\right]}^{n-1}---\left(4\right)$

式中，θ₁-基波相角；T_n-n次谐波周期；R_n-对应支路的电阻；θ_n-n次谐波触发延迟角；j＝3，5，7，9，11，13，……。

若要产生5次谐波，则将n设置为5即可。

本发明的控制方法主要是按照输入的谐波次数完成三相谐波发生电路中继电器的投切，从而来控制交流接触器的通断，产生所需谐波。

本发明的有益效果：

本发明的试验用可控谐波发生装置不仅能单独产生3到13次的奇数次谐波，也能产生其中的任意几次谐波的合成谐波及13次以上的高次谐波；控制简单，方便实用。

附图说明

图1是本发明的试验用可控谐波发生装置的总体结构示意图；

图2是本发明的试验用可控谐波发生装置的电路原理框图；

图3是本发明的实施例中谐波发生部分的电路原理图；

图4是本发明的试验用可控谐波发生装置的控制方法的程序流程图；

图5是本发明的控制方法中谐波产生子程序的程序流程图；

图6是本发明的实施例中单调消谐电路的电路原理图；

图7是本发明的实施例中高通消谐电路的电路原理图；

其中，1-电流互感器，2-模拟量输出模块，3-计算机，4-通讯模块，5-继电器输出模块，6-电阻，7-电抗器，8-电容器，9-单调消谐电路，10-高通消谐电路，11-继电器，12-交流接触器，13-断路器，14-反并联晶闸管，15-状态监测器，16-三相谐波发生电路，17-检测部分，18-谐波发生部分。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1、图2所示，一种试验用可控谐波发生装置，包括检测部分17、计算机3及谐波发生部分18，所述检测部分17包括电流互感器1和A/D转换模块，所述谐波发生部分18包括通讯模块4、继电器输出模块5、模拟量输出模块2及三相谐波发生电路16；所述电流互感器1的输入端与供电电网相连接，所述电流互感器1的输出端与所述A/D转换模块的输入端相连接，A/D转换模块的输出端与所述计算机3相连接；所述计算机3经所述通讯模块4后，分别与所述继电器输出模块5和模拟量输出模块2的输入端相连接，所述继电器输出模块5和模拟量输出模块2的输出端与所述三相谐波发生电路16相连接，所述三相谐波发生电路16与供电电网相连接。所述计算机3用于设置、显示及控制，其中包括三相电流波形显示界面、状态监测显示界面及谐波产生次数设置界面。

如图3所示，所述三相谐波发生电路16包括A相谐波发生电路、B相谐波发生电路和C相谐波发生电路；所述A相谐波发生电路、B相谐波发生电路和C相谐波发生电路的结构和参数完全相同，每相包括3到13次的六个单调消谐电路9和一个高通消谐电路10，其具体结构如下：包括状态监测器15、交流接触器12、继电器11、单调消谐电路9、高通消谐电路10及反并联晶闸管14；所述状态监测器15的输入端经断路器13与供电电网相连接，输出端经各支路的交流接触器12与该支路的继电器11的触点的一端相连接，所述继电器11的触点的另一端与该支路的单调消谐电路9或高通消谐电路10的一端相连接，所述单调消谐电路9或高通消谐电路10的另一端与该支路的反并联晶闸管14的一端相连接，各支路的反并联晶闸管14的另一端连接在一起；所述各支路反并联晶闸管14的触发信号输入端与所述模拟量输出模块2相连接，所述各支路继电器11的线圈与所述继电器输出模块5相连接，所述状态监测器15的通讯端口与所述通讯模块4相连接。本发明采用的状态监测器15有7个通道，主要用于实现各个支路的状态监测、互锁功能和过零信号的检测，保证继电器11和交流接触器12的正确吸合和无涌流投切。

如图6所示，所述单调消谐电路9由电阻、电抗器和电容器串联而成；本发明通过所述单调消谐电路9可产生3到13次的奇数次谐波。

如图7所示，所述高通消谐电路10包括电阻、电抗器、第一电容器和第二电容器，所述第二电容器与电阻串联后，再与电抗器并联，该并联支路再与第一电容器串联；本发明通过所述高通消谐电路10可产生13次以上的高次谐波。

如图4所示，所述的一种试验用可控谐波发生装置的控制方法，按照如下步骤执行：

步骤一：开始，对系统进行初始化设置；

步骤二：输入设置要产生的谐波次数；

步骤三：判断是否有新的输入设置，若是，则执行步骤四；若否，则返回执行步骤三，继续扫描输入；

步骤四：执行谐波产生子程序；

步骤五：结束。

如图5所示，步骤四中所述的谐波产生子程序，按照如下步骤执行：

步骤一：判断输入的谐波次数是否存在，若存在，则计算各晶闸管触发延迟角，执行步骤二；若不存在，则报告输入错误，转去执行步骤四；

步骤二：通过三相谐波发生电路中的状态监测器的监测结果判断电压是否过零，若有过零信号，则执行步骤三；若无过零信号，则返回执行步骤二；

步骤三：通过通讯模块向继电器输出模块和模拟量输出模块发送动作命令；

步骤四：结束。

本发明的试验用可控谐波发生装置的谐波产生过程如下：

通过计算机3手动设置需要产生的谐波次数或者是几次谐波的组合，然后判断输入的谐波次数是否存在，若存在则按照计算公式计算各晶闸管的触发延迟角；然后通过通讯模块4向继电器输出模块5和模拟量输出模块2发送相应的动作命令，状态监测器15在电压过零时吸合相应的继电器11，使得相应的交流接触器12闭合，滤除其他谐波即可得到需要的谐波。所述的晶闸管的触发延迟角计算公式如下：

${\mathrm{\θ}}_n={\mathrm{\θ}}_1+\frac{{\mathrm{\θ}}_1-R_n}{T_n}\underset{n\≠j}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{{\mathrm{\θ}}_1-R_n}{T_n}\right]}^{n-1}$

式中，θ₁-基波相角；T_n-n次谐波周期；R_n-对应支路的电阻；θ_n-n次谐波触发延迟角；j＝3，5，7，9，11，13，……。

本发明的实施例中，电流互感器1采用的型号为BH-0.6630/5，交流接触器12采用的型号为DNLC1-D40AC220V，继电器11采用的型号为MY2NJ DC24V，通讯模块4采用的型号为SK6000B，继电器输出模块5采用的型号为I-7067D DV24V，模拟量输出模块2采用的型号为I-7024D DV24V。

Claims (6)

1.一种试验用可控谐波发生装置，其特征在于，包括检测部分、计算机及谐波发生部分，所述检测部分包括电流互感器和A/D转换模块，所述谐波发生部分包括通讯模块、继电器输出模块、模拟量输出模块及三相谐波发生电路；所述电流互感器的输入端与供电电网相连接，所述电流互感器的输出端与所述A/D转换模块的输入端相连接，A/D转换模块的输出端与所述计算机相连接；所述计算机经所述通讯模块后，分别与所述继电器输出模块和模拟量输出模块的输入端相连接，所述继电器输出模块和模拟量输出模块的输出端与所述三相谐波发生电路相连接，所述三相谐波发生电路与供电电网相连接。

2.根据权利要求1所述的一种试验用可控谐波发生装置，其特征在于所述三相谐波发生电路包括A相谐波发生电路、B相谐波发生电路和C相谐波发生电路；所述A相谐波发生电路、B相谐波发生电路和C相谐波发生电路的结构完全相同，其具体结构如下：包括状态监测器、交流接触器、继电器、单调消谐电路、高通消谐电路及反并联晶闸管；所述状态监测器的输入端经断路器与供电电网相连接，输出端经各支路的交流接触器与该支路的继电器的触点的一端相连接，所述继电器的触点的另一端与该支路的单调消谐电路或高通消谐电路的一端相连接，所述单调消谐电路或高通消谐电路的另一端与该支路的反并联晶闸管的一端相连接，各支路的反并联晶闸管的另一端连接在一起；所述各支路反并联晶闸管的触发信号输入端与所述模拟量输出模块相连接，所述各支路继电器的线圈与所述继电器输出模块相连接，所述状态监测器的通讯端口与所述通讯模块相连接。

3.根据权利要求2所述的一种试验用可控谐波发生装置，其特征在于所述单调消谐电路由电阻、电抗器和电容器串联而成。

4.根据权利要求2所述的一种试验用可控谐波发生装置，其特征在于所述高通消谐电路包括电阻、电抗器、第一电容器和第二电容器，所述第二电容器与电阻串联后，再与电抗器并联，该并联支路再与第一电容器串联。

5.权利要求1所述的一种试验用可控谐波发生装置的控制方法，其特征在于，按照如下步骤执行： 

步骤一：开始，对系统进行初始化设置；

步骤二：输入设置要产生的谐波次数；

步骤三：判断是否有新的输入设置，若是，则执行步骤四；若否，则返回执行步骤三，继续扫描输入；

步骤四：执行谐波产生子程序；

步骤五：结束。

6.根据权利要求5所述的一种试验用可控谐波发生装置的控制方法，其特征在于步骤四中所述的谐波产生子程序，按照如下步骤执行： 

步骤一：判断输入的谐波次数是否存在，若存在，则计算各晶闸管触发延迟角，执行步骤二；若不存在，则报告输入错误，转去执行步骤四；

步骤二：通过三相谐波发生电路中的状态监测器的监测结果判断电压是否过零，若有过零信号，则执行步骤三；若无过零信号，则返回执行步骤二；

步骤三：通过通讯模块向继电器输出模块和模拟量输出模块发送动作命令；

步骤四：结束。

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