CN103630749B - 一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置，包括：电网电压反馈电路，用于检测电网的电压信号并经过滤波后输入信号发生电路；信号发生电路，用于将谐波电压波形、谐波电压频率、谐波电压幅值和谐波电压波形相位差与采集的电压信号的相位信息进行合成，生成谐波电压信号输出；幅值放大电路，用于对DSP输出的谐波电压信号的幅值进行放大后输出；功率放大电路，用于对幅值放大电路输出的谐波电压信号的功率放大后输出给接口电路；接口电路，用于将输入谐波电压信号转换成谐波电流信号注入到电网中。本发明谐波电流注入装置可对电网中注入幅值、频率、相位、波形均可控制的谐波电流，从而提高网络谐波阻抗测量的精度。

Description

一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置
【技术领域】
本发明涉及电网稳定性分析及谐波阻抗测量领域，特别涉及一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置。
【背景技术】
在传统的电网中，谐波阻抗是研究电网谐波渗透特性、滤波器设计的重要参数。在含有电力电子设备较多的电力网络，如分布式发电系统中，采用谐波阻抗参数辨识的方法，可以准确、方便的对系统的稳定性进行分析。因此，对于电力网络，如何准确获取相关的谐波阻抗参数成为了研究的热点问题。
目前系统阻抗测量的主要方法有投切电容器法、晶闸管支路投切法和谐波电流注入法等。投切电容器法节省投资，但这种方法产生的谐波不可控，可能导致部分谐波电流缺失，而且幅值过小，高频成分衰减很大；晶闸管支路投切法可以控制注入谐波电流的大小，但不能准确控制注入系统的谐波频率，信号高频部分缺失；上述的两种方法都不能准确测量微型电网的谐波阻抗。
谐波电流注入法则利用谐波电流源直接向系统注入一个可控的谐波电流，从而可以准确得到频谱完整的系统谐波阻抗。
为了提高测量的准确性，注入谐波电流的幅值需要进行控制，在交流系统的阻抗测量中，注入谐波电流的相位也需要控制；而在某些特定的研究中，往往需要对系统注入一个由多个信号调制在一起的复杂信号，因此注入谐波电流的波形也需要控制。如何对电网中注入一个频率、相位、幅值、波形等可以进行方便的控制的谐波电流信号，是研究谐波电流注入装置的关键问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置，可以对电网注入相位、频率、幅值、波形均可控的谐波电流。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置，包括电网电压反馈电路、信号发生电路、幅值放大电路、功率放大电路和谐波电流注入接口电路；
电网电压反馈电路连接电网和信号发生电路，用于检测电网的电压信号并经过滤波后输入信号发生电路；
信号发生电路包括DSP、数模转换电路和FPGA；DSP的输入端连接电网电压反馈电路的输出端，DSP对输入的电压信号进行锁相得到电压信号的相位信息，然后将谐波电压波形、谐波电压频率、谐波电压幅值和谐波电压波形相位差与电压信号的相位信息进行合成，生成谐波电压信号输出给FPGA；FPGA将谐波电压信号输出至数模转换电路转换后输出至幅值放大电路；
幅值放大电路，用于对数模转换电路输出的谐波电压信号Up的幅值进行放大后输出至功率放大电路；
功率放大电路，用于对幅值放大电路输出的谐波电压信号Up`的功率放大后输出给接口电路；
谐波电流注入接口电路，用于将功率放大电路输出的谐波电压信号Up``转换成谐波电流信号ip注入到电网中。
本发明进一步的改进在于：所述电网电压反馈电路包括电压霍尔传感器和采样电路，电压霍尔传感器用于检测电网的单相或者多相电压信号，采样电路用于对电压霍尔传感器检测的电压信号进行滤波。
本发明进一步的改进在于：FPGA用于判断输入的谐波电压信号是否在预设数值限制范围之内。
本发明进一步的改进在于：所述信号发生电路还包括信号调理电路，所述信号调理电路将采集的功率放大电路的温度信号、谐波电压信号Up``、谐波电流信号ip进行滤波后通过DSP传输给FPGA进行保护判断。
本发明进一步的改进在于：所述DSP为DSP2812。
本发明进一步的改进在于：所述电网为含电力电子变换器的三相交流电力网络。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明谐波电流注入装置可对电网中注入幅值、频率、相位、波形均可控制的谐波电流，从而提高网络谐波阻抗测量的精度；本发明装置控制简单可靠，精度高，造价低，适用于低压电网中谐波阻抗测量、滤波器设计及稳定性分析等工程应用场合。
【附图说明】
图1为本发明用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置的结构框图；
图2为信号发生电路的硬件示意图；
图3（a）为信号发生电路硬件启动流程图；图3（b）为谐波信号发生的流程图；
图4～图9为谐波注入装置对电网中注入谐波电流的波形图；
其中，图4为注入一个幅值2A，频率为50Hz，与电网电压同相的方波电流；图5为注入一个幅值为2A，频率为50Hz，与电网电压相角相差90°的方波电流；图6为注入一个幅值为1A，频率为150Hz且与电网电压同相的3次谐波电流；图7为注入一个幅值为1A，频率为500Hz，与电网电压同相的10次谐波电流；图8为注入一个幅值为1A，频率为1000Hz的相位为0°的20次谐波电流；图9为注入一个2A，50Hz的方波电压与1A，50Hz的正弦电压调制在一起的一个谐波电流。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1至图3（b）所示，本发明一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置，包括电网电压反馈电路、信号发生电路、幅值放大电路、功率放大电路和谐波电流注入接口电路。
电网电压反馈电路；由电压霍尔传感器和采样电路构成，电压霍尔传感器用于检测电网的三相电压信号Ua、Ub、Uc；电压霍尔传感器连接采样电路，电压霍尔传感器实时检测的电网三相电压信号Ua、Ub、Uc经过采样电路的模数转换和调理（滤波）后送至信号发生电路中，用来计算电网电压的幅值、相位。
请参阅图2所示，信号发生电路的硬件为以DSP2812为核心的控制电路，其还包括信号调理电路、数模转换电路、电源模块和FPGA。
三相电压信号Ua、Ub、Uc通过采样电路的模数转换和调理后输入DSP2812中，DSP2812对输入的三相电压信号Ua、Ub、Uc进行软件锁相得到三相电压信号Ua、Ub、Uc的相位信息，然后将谐波电压波形指令、谐波电压频率指令、谐波电压幅值指令和谐波电压波形相位差指令与三相电压信号Ua、Ub、Uc的相位信息进行合成，生成相位、频率、幅值、波形可控的谐波电压信号输出给FPGA；FPGA用于判断输入的谐波电压信号是否在限制范围之内（防止损坏后续调理电路、功放电路和接口电路），如果在限制范围之内将该谐波电压信号Up输出至数模转换电路转换后输出至幅值放大电路。
幅值放大电路对DSP输出的谐波电压信号Up的幅值进行放大后输出至功率放大电路；功率放大电路对输入的谐波电压信号Up`的功率放大后输出给接口电路。
谐波电流注入接口电路，主要由电压电流转换电路组成，将前级功率放大电路输出的谐波电压信号Up``转换成谐波电流信号ip注入到电网中。
信号调理电路的输入端连接功率放大电路的温度信号、谐波电压信号Up``、谐波电流信号ip，并对这些信号进行滤波后通过DSP传输给FPGA进行判断，判断这些信号是否异常，如果异常发出相应告警信号。
信号发生电路的硬件启动程序如图3（a）所示，其中包括DSP的初始化配置、向量表及定时器的初始化配置；可控的谐波信号发生流程如图3（b）所示，其通过采样电网三相电压，通过软锁相得到信号的相位信息，通过谐波信号幅值、频率、相位差、形状指令叠加合成后，由FPGA电路判断输出。
本发明中，谐波电压信号放大部分，包含两级放大电路。第一级为幅值放大电路，主要放大信号的幅值；第二级为功率放大电路，主要由大功率的功率放大器组成，放大信号的功率。这两级电路具有1MHz的带宽，其中谐波失真小于0.01，信噪比大于95dB。功率放大器具有2KW的功率而且频带宽，从而保证信号能够得到足够的幅值与功率的放大而不失真。
本发明采用DSP控制电路与功率放大电路产生谐波信号的方法，避免了传统PWM方法中开关管开关频率的限制，可以产生更多所需的谐波信号。
本发明一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置，主要基于DSP2812信号发生电路与功率放大电路，搭建了实验平台进行了实验验证，图4～图9为谐波注入装置对电网中注入谐波电流的波形图；从实验波形中可以看出，谐波电流注入装置可对电网中注入幅值、频率、相位、波形均可控制的谐波电流，从而提高网络谐波阻抗测量的精度。传统PWM调制系统，产生的谐波电流信号频率低（小于1000Hz，主要是由于开关频率的限制所造成的），产生的波形不容易控制（由开关特性所限制，当注入的电流波形信号比较特殊（比如波形中存在较大的突变，如图9所示）时，传统的PWM调制方式难以实现）。相比于传统的现有技术，本发明装置控制简单可靠，精度高，造价低，适用于低压电网中谐波阻抗测量、滤波器设计及稳定性分析等工程应用场合。

Claims (6)

1.一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置，其特征在于，包括电网电压反馈电路、信号发生电路、幅值放大电路、功率放大电路和谐波电流注入接口电路；
电网电压反馈电路连接电网和信号发生电路，用于检测电网的电压信号并经过滤波后输入信号发生电路；
信号发生电路包括DSP、数模转换电路和FPGA；DSP的输入端连接电网电压反馈电路的输出端，DSP对输入的电压信号进行锁相得到电压信号的相位信息，然后将谐波电压波形、谐波电压频率、谐波电压幅值和谐波电压波形相位差与电压信号的相位信息进行合成，生成谐波电压信号输出给FPGA；FPGA将谐波电压信号输出至数模转换电路转换后输出至幅值放大电路；
幅值放大电路，用于对数模转换电路输出的谐波电压信号Up的幅值进行放大后输出至功率放大电路；
功率放大电路，用于对幅值放大电路输出的谐波电压信号Up`的功率放大后输出给谐波电流注入接口电路；
谐波电流注入接口电路，用于将功率放大电路输出的谐波电压信号Up``转换成谐波电流信号ip注入到电网中。
2.根据权利要求1所述的一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置，其特征在于，所述电网电压反馈电路包括电压霍尔传感器和采样电路，电压霍尔传感器用于检测电网的单相或者多相电压信号，采样电路用于对电压霍尔传感器检测的电压信号进行滤波。
3.根据权利要求1所述的一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置，其特征在于，FPGA用于判断输入的谐波电压信号是否在预设数值限制范围之内。
4.根据权利要求1所述的一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置，其特征在于，所述信号发生电路还包括信号调理电路，所述信号调理电路将采集的功率放大电路的温度信号、谐波电压信号Up``、谐波电流信号ip进行滤波后通过DSP传输给FPGA进行保护判断。
5.根据权利要求1所述的一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置，其特征在于，所述DSP为DSP2812。
6.根据权利要求1所述的一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置，其特征在于，所述电网为含电力电子变换器的三相交流电力网络。
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