CN103018612B - 一种全功能电能质量综合测试平台 - Google Patents

一种全功能电能质量综合测试平台 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力系统谐波检测、治理设备性能测试领域，涉及一种全功能电能质量综合测试平台。控制系统结构包括：人机界面、后台工作站，就地工作站、视频监视工作站、信号调理板、控制模块、继电保护装置，其中就地工作站内插数据采集卡及串口卡。控制模块策略采用IGBT可控整流，选用基于载波移相原理的 CPS-SPWM 多电平 PWM 调制策略，其逆变侧增加了电压前馈控制,提高了动态性能和稳态精度,采用了先进的重复学习控制来消除周期性扰动导致的跟踪误差，在试验过程中对取能电网无电能质量影响。该测试平台既可以分别输出电压扰动和电流扰动，又可以同时输出电压扰动和电流扰动，可以根据测试要求灵活转换，实用性强。

Description

一种全功能电能质量综合测试平台
技术领域
本发明涉及一种综合测试平台，尤其是涉及一种全功能电能质量综合测试平台。
背景技术
目前，电能质量问题受到人们极大的关注，在许多行业中存在大量的对电能质量敏感的设备，尤其是高科技和信息行业，当这些用电设备的电源受到干扰时，就会影响它们的正常运行，从而产生巨大的经济损失，因此，迫切需要一种能够模拟实际电网产生各种电能质量的大功率信号发生装置，对各种串联或并联用电设备进行测试，了解这些用电设备对电能质量问题的敏感程度，从而为采取合适的技术措施解决电能质量问题给用电设备所带来的危害提供依据。
当前，常用来模拟产生各种电能质量信号波形的方法有以下5种：
1、通过改变同步发电机励磁电压的大小使其产生电压骤升骤降，该方法存在体积大、重量大、功能单一、输出精度不高、通用性差等缺点；
2、用晶闸管控制电抗器来模拟产生电压骤升、骤降、过电压、欠电压以及谐波等电能质量信号，该方法的缺点与上述方法相同，此外，还会产生电流谐波；
3、用电能功率标准源产生电能质量信号，该方法的主要缺点是输出功率不够，不能为一些大功率设备供电，只能用于校准各种交流电压表、交流电流表、功率表、相位表和电能表；
4、利用小信号源产生信号，经过放大器对信号进行放大的方法来模拟。这种方法复杂，操作繁琐。即使通过放大器进行放大，功率还是相对较小，很难满足大功率检测的需要；
5、运用电力电子技术来模拟产生。虽然能够把功率做大，满足大功率检测的需要，但是能模拟的信号种类比较少，不能很好地满足检测的需要。
综上所述，现有的大功率信号发生装置能实现的测试精确性和可靠性不够高。因此急需一种实用、性能优良的检测平台来克服现有设备的缺点，使之广泛应用于科研、工业现场、实验、教学等场合。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种可模拟实际电网输出各种扰动的组合，尤其实现了电压扰动和电流扰动的同时输出；适用范围广，能够测试串联型电气设备和并联型电气设备，适用于自低压220V到高压10KV以上电压等级的电气设备，且工作过程中电能消耗小的一种全功能电能质量综合测试平台。
本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种显著降低输出电压变化率应力和输出电压、电流谐波含量,使试验过程中对测试平台取能电网无电能质量影响的一种全功能电能质量综合测试平台。
本发明再有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种提高了动态性能和稳态精度；实现了对正弦量的无静差控制的一种全功能电能质量综合测试平台。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种全功能电能质量综合测试平台，其特征在于，包括人机界面互动装置、后台工作站，就地工作站、视频监视工作站、信号调理板、控制模块、继电保护装置以及测试组件；所述人机界面互动装置上连接有后台工作站和视频监视工作站；所述后台工作站、就地工作站、信号调理板以及继电保护装置依次连接；所述控制模块分别与继电保护装置、信号调理板、就地工作站以及测试组件连接。
在上述的一种全功能电能质量综合测试平台，所述控制模块包括一个主控制模块、三个分相控制模块以及一个母板，所述主控制模块通过母板背面的数据总线连接三个分相控制模块；该主控制模块包括一个主控单元、一个交采单元以及一个IO单元；所述主控单元包括一个DSP芯片和一个FPGA芯片。
在上述的一种全功能电能质量综合测试平台，所述就地工作站内插PCI总线的16路高速数据采集卡和485/422串口卡；上述主控制模块通过RS422标准的串行通信线与就地工作站内的485/422串口卡连接；上述信号调理板分别连接数据采集卡的模拟输入端和数字输入端。
在上述的一种全功能电能质量综合测试平台，所诉信号调理板是采集卡和高压互感器的接口，从互感器采集当前电流及电压信号，输出到信号采集卡；所诉信号调理板接收主控模块的IO单元输出的主控跳机信号和开始录波信号，并输出到信号采集卡；所诉信号调理板接收继电保护装置输出的继保跳机信号，并输出到信号采集卡。
在上述的一种全功能电能质量综合测试平台，所述测试组件包括变压器、电能质量扰动发生器、高压开关QF1～QF11以及与电能质量扰动发生器相连的操作监视平台；电能质量扰动发生器包括电压扰动发生器和电流扰动发生器，两者均包括依次相连的输入隔离变压器、背靠背功率单元、输出滤波器LC回路、旁路开关；操作监视平台包括电能质量扰动发生器控制监视器和被测品监视录波器；
高压开关QF2与三相变压器相连；高压开关QF3、电压扰动发生器、高压开关QF5、高压开关QF9依次相连，高压开关QF9的两边连接有高压开关QF7和高压开关QF8；高压开关QF4、电流扰动发生器、高压开关QF6依次相连；高压开关QF1的一端与电源相接，另一端分别与高压开关QF2、QF3、QF4相连；三相变压器、高压开关QF9、QF6三者的输出端相连；高压开关QF10、QF11并联于输出端。
在上述的一种全功能电能质量综合测试平台，所述电压扰动发生器其逆变输出部分采用链式功率单元结构，每相N个单元级联，每个单元为逆变H桥，H桥开关元件选用IGBT；电压扰动发生器的整流侧采用IGBT可控整流，选用基于载波移相原理的CPS-SPWM多电平PWM调制策略，逆变侧采用电压前馈和重复学习控制。
在上述的一种全功能电能质量综合测试平台，所述电流扰动发生器其逆变输出部分采用链式功率单元结构，每相N个单元级联，每个单元为逆变H桥，H桥开关元件选用IGBT；电流扰动发生器的整流侧采用IGBT可控整流，选用基于载波移相原理的CPS-SPWM多电平PWM调制策略，逆变侧电流跟踪控制采用重复学习控制或比例谐振来实现对正弦量的无静差控制。
因此，本发明具有如下优点：1.全功能电能质量综合监测平台可模拟实际电网输出各种扰动的组合，尤其实现了电压扰动和电流扰动的同时输出；2.适用范围广，能够测试串联型电气设备和并联型电气设备，适用于自低压220V到高压10KV以上电压等级的电气设备，且工作过程中电能消耗小；3.电能质量扰动发生器整流侧采用IGBT可控整流，选用三角载波移相SPWM控制，显著降低输出电压变化率应力和输出电压、电流谐波含量,使试验过程中对测试平台取能电网无电能质量影响；4.电压扰动发生器其逆变侧控制增加了电压前馈和重复学习，提高了动态性能和稳态精度；5.电流扰动发生器将变压器等效为连接电抗来考虑变压器相移，电流跟踪控制采用重复学习控制或比例谐振，实现了对正弦量的无静差控制。
附图说明
图1是本发明的的结构原理示意图。
图2是本发明中控制模块的功能示意图。
图3是本发明中电能质量综合测试平台的主电路示意图。
图4是本发明中链式功率单元结构示意图。
图5是本发明中电压扰动发生器控制策略原理图。
图6是本发明中重复学习控制框图。
图7是本发明中电流扰动发生器控制策略原理图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
参见图1本发明提出的电能质量综合监测系统的结构由人机界面、后台工作站，就地工作站、视频监视工作站、信号调理板、控制模块、继电保护装置组成。其中就地工作站内插PCI总线的16路高速数据采集卡和485/422串口卡，承担信号录波功能和与控制器的通讯，通过RS422标准的串行通信线与主控制器相连，通过TCP/IP协议与后台工作站相连。后台工作站承担人机界面、录波信号操作及显示、故障记录、后台通信、启动、停机等控制功能。信号调理板实现高压互感器二次侧输出信号以及开关量信号与数据采集卡之间的接口。主控制器控制设备的运行、同时与上位机之间进行RS422通信，将设备的运行状况上报；控制所有断路器和高、低压接触器的分合操作及触点反馈；监控控制电源、柜门闭合、变压器温度报警等信号；控制屏柜指示灯的亮灭、检测急停按钮的状态。独立的继电保护装置承担扰动平台的输入交流保护，跳闸出口独立控制断路器的分合闸，同时继电保护装置通过IO接点通知主控制器，主控制器立即闭锁单元输出。
下面结合附图2对控制模块的功能进行说明。控制模块由一个主控制模块和三个分相控制模块组成，主控制箱通过母板背面的数据总线连接3个分相控制模块。控制模块采用（DSP+FPGA）结构，其中DSP主要负责：流程控制、数据处理、交流保护、与工作站的通讯；FPGA主要负责：状态量监测、变流器控制、器件及单元保护等。
下面结合附图3、4，介绍电能质量扰动器的拓扑结构结合附图5、6、7介绍其控制策略。
本发明主电路包括变压器、电能质量扰动发生器、高压开关以及与电能质量扰动发生器相连的操作监视平台；电能质量扰动发生器包括电压扰动发生器和电流扰动发生器。电能质量扰动发生器，都采用链式功率单元结构。控制策略选用CPS-SPWM（载波移相SPWM）多电平PWM调制策略以实现传统两电平SPWM技术在大功率电力电子装置中的扩展应用。其基本思想是，每一个H桥逆变器的左右桥臂单独控制，对于N单元级联型逆变器，用2N个相位相差一定角度的相同频率和幅值的三角载波与同一个调制波相比较，用产生的PWM信号去控制各个H桥逆器。逆变器的总输出电压为多电平阶梯波，可以显著降低输出电压变化率应力和输出电压、电流谐波含量。
电能质量扰动发生器的控制策略主要是：（1）电能质量扰动发生器的控制策略，整流侧采用IGBT可控整流，选用基于载波移相原理的CPS-SPWM多电平PWM调制策略，实现了传统两电平SPWM技术在大功率电力电子装置中的扩展应用，逆变器的总输出电压为多电平阶梯波，显著降低输出电压变化率应力和输出电压、电流谐波含量，在试验过程中对取能侧电网无电能质量影响；逆变侧增加了电压前馈和重复学习，电压前馈控制修正了基准正弦信号的幅值,提高了动态性能和稳态精度,降低了输出总谐波，重复学习控制消除了周期性扰动导致的跟踪误差；（2）电能质量扰动发生器的电流扰动发生器将变压器等效为连接电抗来考虑变压器相移，整流侧采用IGBT可控整流，选用基于载波移相原理的CPS-SPWM多电平PWM调制策略，逆变侧电流跟踪控制采用重复学习控制或比例谐振来实现对正弦量的无静差控制。
电压源模式扰动源逆变输出部分的基本单元是电压型PWM逆变器，经过SPWM调制后，输出uo为与正弦调制波同频率的PWM波，uo经过傅里叶分解后的最低次谐波与载波比k有关，双极性SPWM波形的最低次谐波次数为k，单极倍频SPWM波形的最低次谐波次数为2k，而基波与调制波同频率同相位，幅值为调制波的M倍，其中M为调制比。由于通过改变载波比可以调节最低此谐波的次数，所以可以使最低此谐波次数尽量高，从而滤波更为容易，输出谐波含量很低的电压和电流。将多个单元级联后，通过载波移相，当N个级联逆变器模块应用载波相移双极性CPS-SPWM方法调制时，其输出双极性CPS-SPWM波形的最低次载波谐波为Nk，若采用单极倍频CPS-SPWM的调制方法，其输出单极倍频CPS-SPWM波形的最低次载波谐波则出现在2Nk附近，比较单个单元时，级联后的谐波特性更好，经滤波后可以实现完美无谐波输出，而且可以调节输出电压的幅值，频率和相位。通过以上分析，可以将扰动源等效为幅值，频率，相位可调的可控电压源，而且输出可以实现以下波形，基波到50次谐波的单次组合，也可是不同次谐波的叠加。将被试品接在输出端，即可达到实验要求。
扰动源可以等效成可控电压源，在电流源模式下，被试品接在电网和可控电压源之间，通过调节可控电压源即可调节被试品两端电压，从而可以控制流过被试品的电流。从而实现了电流模式。
在电压模式下，电能质量扰动发生器逆变侧增加了电压前馈控制。通过输人电压前馈控制环来修正基准正弦信号的幅值,从而改善逆变电源输出电压质量的三环控制方法，有效地提高逆变电源在直流输人电压扰动下的动态性能和稳态精度,进一步降低了输出电压的总谐波。
电能质量扰动发生器增加了先进的重复学习控制来消除周期性扰动导致的跟踪误差，当误差e(t)重复出现时控制器可以时刻有效地跟踪控制误差补偿控制器的输出。见附图6所示，其中Vs(s)为输入量，Vo(s)为输出量，Vp(s)为经过学习后的补偿量，e(s)学习误差G(s)为系统的传递函数C(s)为重复学习控制的等效控制函数k为学习增益可调节重复学习控制的收敛性和收敛速度。
当电能质量扰动发生器工作在电流扰动源模式时，将变压器等效为连接电抗来考虑变压器相移，电流跟踪控制采用重复学习控制或比例谐振来实现对正弦量的无静差控制。其控制策略与在电压扰动模式下的控制策略相似。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种全功能电能质量综合测试平台，其特征在于，包括人机界面互动装置、后台工作站，就地工作站、视频监视工作站、信号调理板、控制模块、继电保护装置以及测试组件；所述人机界面互动装置上连接有后台工作站和视频监视工作站；所述后台工作站、就地工作站、信号调理板以及继电保护装置依次连接；所述控制模块分别与继电保护装置、信号调理板、就地工作站以及测试组件连接；
所述控制模块包括一个主控制模块、三个分相控制模块以及一个母板，所述主控制模块通过母板背面的数据总线连接三个分相控制模块；该主控制模块包括一个主控单元、一个交采单元以及一个IO单元；所述主控单元包括一个DSP芯片和一个FPGA芯片；
所述就地工作站内插PCI总线的16路高速数据采集卡和485/422串口卡；上述主控制模块通过RS422标准的串行通信线与就地工作站内的485/422串口卡连接；上述信号调理板分别连接数据采集卡的模拟输入端和数字输入端；
所诉信号调理板是采集卡和高压互感器的接口，从互感器采集当前电流及电压信号，输出到信号采集卡；所诉信号调理板接收主控模块的IO单元输出的主控跳机信号和开始录波信号，并输出到信号采集卡；所诉信号调理板接收继电保护装置输出的继保跳机信号，并输出到信号采集卡。
2.根据权利要求1述的一种全功能电能质量综合测试平台，其特征在于，所述测试组件包括变压器、电能质量扰动发生器、高压开关QF1~QF11以及与电能质量扰动发生器相连的操作监视平台；电能质量扰动发生器包括电压扰动发生器和电流扰动发生器，两者均包括依次相连的输入隔离变压器、背靠背功率单元、输出滤波器LC回路、旁路开关；操作监视平台包括电能质量扰动发生器控制监视器和被测品监视录波器；
高压开关QF2与三相变压器相连；高压开关QF3、电压扰动发生器、高压开关QF5、高压开关QF9依次相连，高压开关QF9的两边连接有高压开关QF7和高压开关QF8；高压开关QF4、电流扰动发生器、高压开关QF6依次相连；高压开关QF1的一端与电源相接，另一端分别与高压开关QF2、QF3、QF4相连；三相变压器、高压开关QF9、QF6三者的输出端相连；高压开关QF10、QF11并联于输出端。
3.根据权利要求1述的一种全功能电能质量综合测试平台，其特征在于，所述电压扰动发生器其逆变输出部分采用链式功率单元结构，每相N个单元级联，每个单元为逆变H桥，H桥开关元件选用IGBT；电压扰动发生器的整流侧采用IGBT可控整流，选用基于载波移相原理的 CPS-SPWM 多电平 PWM 调制策略，逆变侧采用电压前馈和重复学习控制。
4.根据权利要求3述的一种全功能电能质量综合测试平台，其特征在于，所述电流扰动发生器其逆变输出部分采用链式功率单元结构，每相N个单元级联，每个单元为逆变H桥，H桥开关元件选用IGBT；电流扰动发生器的整流侧采用IGBT可控整流，选用基于载波移相原理的 CPS-SPWM 多电平 PWM 调制策略，逆变侧电流跟踪控制采用重复学习控制或比例谐振来实现对正弦量的无静差控制。
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