CN104034982B - 一种电能质量谐波扰动源平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电能质量谐波扰动源平台。扰动源平台的输入断路器柜、扰动源输入开关柜、输出滤波与开关柜和输出测试柜均连接在10kV母线上；扰动源输入开关柜、输入变压器与单元柜、输出滤波与开关柜、开关与输出变压器柜和输出测试柜顺序连接；输出测试柜、输入变压器与单元柜与输入控制柜连接；电能质量谐波扰动源在10kV和0.38kV基波电压条件下输出0至50次及其叠加次标准谐波电压电流源，幅值和相位可调，最大总畸变率THD_u<20％。将该平台作为标准电能质量谐波输出源及电网设备考核平台，用以测试谐波输出条件下电网运行稳定性和电网设备性能；模拟发生电网暂降、波动、三相不平衡电能质量问题，为电能质量治理的测试、分析、评估建立平台。

Description

一种电能质量谐波扰动源平台

技术领域

本发明涉及一种电能质量扰动平台，具体涉及一种电能质量谐波扰动源平台。

背景技术

随着电力电子设备、电弧炉以及电力牵引机车等大量非线性负荷在电网中的应用，由此而暴露的电能质量问题对电网安全稳定运行和电网设备性能稳定性造成严峻挑战。因此，有必要检测治理谐波来提高电网设备在谐波条件下的运行稳定性。近年来，工业上研制出并投入电网运行的电能质量治理设备主要有有源电力滤波器(active powerfilter，APF)、静止无功补偿器(static var compensator，SVC)、静止同步补偿器(staticsynchronous compensator，STATCOM)、动态电压恢复器(dynamic voltage restorer，DVR)等。谐波对电网设备影响目前仍停留于定性分析阶段，定量研究较少，而有关其影响机理、不同谐波指标对设备影响程度及谐波损耗、计量误差等尚未有效开展，并未见报道有关电力设备对谐波的耐受力的试验研究。尽管已有大功率谐波电能质量试验影响报导，未发现工业级大功率电网谐波试验系统，而对小功率级别的谐波影响分析，仅限于实验室设备的电磁兼容，对实际电网设备的谐波影响试验还未有效开展。因此，有必要提供一种谐波扰动源试验平台，用于输出标准谐波，模拟电网暂降、波动、不平衡等电能质量问题以及考核电网设备在谐波条件下的运行性能。

中国发明专利200810020372.5“馈能式电能质量扰动装置”公开了一种利用PWM整流技术实现逆变回流的电力系统谐波检测治理装置，其包括谐波源、回馈环节、中间直流电容、控制终端、输入输出端LCL滤波环节。该装置能够输出谐波电流、有功电流、感性以及容性无功电流，但其不能输出谐波电压，控制方式较简单，不能根据用户指令输出标准谐波电压电流，可调节范围较小。

名称为“串联型电压扰动装置”的200820080190.2号实用新型专利公开了一种在串联调试模式下产生电压暂降暂升、过电压、欠电压、三相不平衡、电压波动与闪变、波形畸变等电压扰动发生装置，包括并联换流变压器、三相全桥PWM整流器、直流斩波器及超级电容储能系统、单相全桥PWM变流器组、串联/注入变压器组成，但其控制复杂，驱动电流大，开关器件容易造成损坏，电容储能系统耗费成本高，应用性不强，并且不能输出谐波电压电流源。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种电能质量谐波扰动源平台，将该平台作为标准电能质量谐波输出源及电网设备考核平台，用以测试谐波输出条件下电网设备的性能和运行稳定性；模拟发生电网电压电流暂降、波动、三相不平衡等电能质量问题，为电能质量治理的测试、分析、评估建立平台。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种电能质量谐波扰动源平台，所述扰动源平台包括输入断路器柜、扰动源输入开关柜、输入变压器与单元柜、输出滤波与开关柜、输入控制柜、开关与输出变压器柜和输出测试柜，其改进之处在于，所述输入断路器柜、扰动源输入开关柜、输出滤波与开关柜和输出测试柜均连接在10kV母线上；所述扰动源输入开关柜、输入变压器与单元柜、输出滤波与开关柜、开关与输出变压器柜和输出测试柜顺序连接；所述输出测试柜、输入变压器与单元柜分别与输入控制柜连接；所述输入变压器与单元柜为电能质量扰动发生器；

电能质量谐波扰动源在10kV和0.38kV基波电压条件下输出0至50次及其叠加次标准谐波电压电流源，幅值和相位可调，最大总畸变率THD_u<20％。

进一步地，所述输入断路器柜包括高压断路器QF1，所述10kV配电网母线通过真空断路器合闸开关与高压断路器QF1连接，所述扰动源输入开关柜包括接触器KM1、KM2和限流电阻，所述接触器KM2和限流电阻串联后并联在接触器KM1的两端，用于减小接触器KM1合入时产生的大电流；所述高压断路器QF1通过接触器KM1与电能质量扰动发生器的输入端连接。

进一步地，所述电能质量扰动发生器包括三台单相多绕组输入隔离变压器、背靠背功率单元和输出LC滤波器；每台单相输入隔离变压器的副边3个绕组分别与背靠背功率单元PWM整流输入侧连接，背靠背功率单元的逆变输出侧与LC滤波器并联，所述LC滤波器由串联电感并联电容组成，用于滤除开关次高频纹波，使输出波形变得光滑；电能质量扰动发生器的容量为0.5MVA。

进一步地，所述单相多绕组输入隔离变压器的原边接成星形或三角形，副边为多绕组输出；原边输入电压为10kV，副边3绕组输出电压均为0.5kV，经过电能质量扰动发生器后生成2kV电压输出；所述背靠背功率单元采用级联方式连接，包括PWM整流器、直流电解电容器和PWM逆变器，PWM整流器、直流电解电容器和PWM逆变器并联；所述PWM整流器输出直流参考电压为700V，PWM逆变器输出参考电压为交流400V，直流电解电容器稳定PWM整流器输出直流电压，直流电阻与直流电解电容器形成回路，对直流电解电容器进行充放电；所述PWM整流器和PWM逆变器采用单相全桥结构，均由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；

所述背靠背功率单元是通过PWM整流器与PWM逆变器之间并联直流电解电容器和直流电阻，经过交流-直流-交流变换，产生频率和幅值连续可调的交变电压；背靠背功率单元之间采用级联连接方式，背靠背功率单元的输出侧与LC滤波器并联；电能质量扰动发生器输入为PWM整流器，分别连接隔离变压器副边的不同绕组；输出为PWM逆变器，每相3个PWM逆变器级联构成扰动源输出，最大输出电压1200V。

进一步地，所述输出滤波与开关柜包括高压接触器KM3、KM4和KM5；电能质量扰动发生器的输出两侧分别通过高压接触器KM3和KM4与10kV母线连接；高压接触器KM3和KM4连接10kV配电网母线侧之间串联高压接触器KM5，产生10kV谐波扰动源输出；高压断路器QF1与高压接触器KM5共同控制10kV母线电压的合入与开出。

进一步地，所述开关与输出变压器柜包括接触器KM6-1和KM6-2以及降压变压器；所述低压接触器KM6-1和KM6-2分别与LC滤波器的两个输出端连接；所述接触器KM6-1和KM6-2分别连接降压变压器的原边，调节电能质量扰动发生器，降压变压器的副边输出0.38kV谐波电压电流源；

所述降压变压器变比为2000V/480V，降压变压器原副边均采用星型连接，带中性点结构，相角偏差为零，即YnYn-0，容量为500kVA。

进一步地，所述输出测试柜包括10kV测试电源母线、0.4kV测试电源母线、3个电磁式电压互感器、2个电磁式电流互感器和保护设备组成；所述电压互感器变比为10kV/100V；所述电流互感器变比为300A/5A；所述0.4kV测试电源母线与降压变压器的副边连接；电压测量模块通过10kV/100V电压互感器并联连接在10kV测试电源母线和0.4kV测试电源母线输出端，电压测量模块输出接10kV/100V电压互感器的低压侧，测量电能质量谐波扰动源三相输出电压；电流测量模块通过300A/5A电流互感器串联在10kV测试电源母线和0.4kV测试电源母线输出端，电流测量模块输出端接300A/5A电流互感器的低电流侧，2个电流互感器分别测量电能质量谐波扰动源A、C相输出电流。

进一步地，所述扰动源平台通过接触器和断路器的组合，实现电能质量扰动发生器串入10KV和0.38kV系统，即通过高压断路器QF1、接触器KM1、KM2、高压接触器KM3、KM4、KM5和接触器KM6-1、KM6-2组合开关，实现10kV2MVar和0.38kV500KVar两种谐波源输出方式：

1)合闸高压断路器QF1和高压接触器KM5，合闸接触器KM2，电能质量扰动发生器预充电，合闸接触器KM1并分闸接触器KM2，电能质量扰动发生器的背靠背功率单元启动整流逆变，合闸高压接触器KM3和KM4，分闸高压接触器KM5，满足10kV2MVar谐波电压源要求实现电压扰动功能；

2)合闸高压断路器QF1和接触器KM2，电能质量扰动发生器预充电，合闸接触器KM1并分闸断路器KM2，电能质量扰动发生器的背靠背功率单元启动整流逆变，合闸接触器KM6-1和KM6-2，降压变压器投入，满足0.38kV500kVar谐波电压源要求实现电压电流扰动功能；

其中：高压断路器QF1参数为12kV630A；接触器KM1、KM2参数均为12kV250A；所述高压接触器KM3、KM4、KM5参数均为12kV630A；所述接触器KM6-1、KM6-2参数均为12kV300A。

进一步地，所述输入控制柜包括主控制器、光纤控制器、信号调理板、数据采集卡、继电保护装置、上位机、后台上位机以及其它辅助设备；上位机作为就地工作站，所述后台上位机作为后台工作站；

主控制器和信号调理板之间进行通讯，发送试验录波、主机跳机信号；

就地工作站承担信号录波功能和与控制器的422通讯，通过RS422与主控制器相连，通过TCP/IP协议与后台工作站相连；

后台工作站通过TCP/IP与就地工作站相连；承担人机界面、录波信号操作及显示、故障记录、后台通信、启动和停机控制功能；

就地工作站内插PCI总线的16路高速数据采集卡；内插485/422串口卡；

信号调理板作为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；

继电保护装置承担扰动源平台的输入交流保护；跳闸出口控制高压断路器QF1的合分闸，同时继电保护装置通过IO接点通知主控制器，主控制器闭锁单元输出。

进一步地，所述主控制器包括电源板、主控板、IO板、光纤板、交流采样板、电源总线、数据总线；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、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、变压器温度报警信号；控制屏柜指示灯的亮灭、检测急停按钮的状态；

主控制器中光纤板中中共有3*3*6＝54根光纤信号；交流采样板中共有22路交流模拟量采样，其中有源6路(3路电压、3路电流)，无源16路(9路电压、7路电流)；IO板中状态量监控有24个开入信号，12个开出信号；采用3个开入开出板，支持30路开入、30路开出。

进一步地，所述主控制器的主控板包括DSP芯片TMS320F28335、FPGA芯片EP2C8T144C8、低通滤波器LPF、电源接口、模拟量输入接口、总线接口、IO接口、RS232/485通讯接口、JTAG下载口及其辅助电路；

所述DSP与FPGA采用并行总线连接，进行并行通讯；所述总线接口、IO接口、RS232/485通讯接口、电源接口和模拟量输入接口与DSP、FPGA芯片通过外围电路连接；所述JTAG下载口用于对DSP和FPGA进行程序烧写；所述低通滤波器LPF设置在DSP上，滤除模拟量输入高频信号。

进一步地，所述DSP和FPGA控制谐波电压电流输出，包括以下工作模式：

一)电压模式：

DSP下发：基波正序电压幅值或有效值+基波负序电压幅值或有效值+正序电压2至50次谐波幅值或有效值+电压基准频率+电压模式命令；

由FPGA根据上述指令各数据，按下式生成电压指令波形：

其中：u_r为根据指令生成的电压；u_1m+为基波正序电压幅值；u_1m-为基波负序电压幅值；u_hm为2至50次谐波电压幅值；h为谐波电压次数；f为电压基准频率；

电压模式功能实现包括：

1)电压暂降模式：

扰动源平台工作在电压扰动时的输出电压暂降范围：下降深度10％～50％的额定电压范围内可调，持续时间按国标要求连续可调；电压暂降下降深度表达式如下：

其中：U_N为额定电压；U表示实际的扰动电压；

2)持续电压波动试验：

扰动源平台工作在电压扰动时的持续电压波动范围：±20％；持续电压波动范围表达式如下：

3)三相不平衡试验：

扰动源平台工作在电压扰动时的三相不平衡度：<20％范围内可调；三相不平衡度表达式如下：

其中：U₁为三相电压的正序分量方均根值；U₂为三相电压的负序分量方均根值；

4)电压谐波输出模式：

扰动源平台工作在电压扰动时的输出电压谐波：2～50次，单次发生或随机组合发生，幅值和相位可调，根据试验对象，发出谐波含量有所限制；最大总畸变率表达式如下：

其中：U_i为第i次谐波电压有效值，U₁为基波电压有效值；

5)波动与闪变模式：

扰动源平台工作在电压扰动时的波动与闪变：工频基波上叠加幅度范围0～20％额定电压，频率范围0.5～25Hz的调制波形，调制波包括正弦波和方波两种形式；

二)电流模式：

DSP下发：基波正序电流幅值或有效值+基波负序电流幅值或有效值+正序电流2至50次谐波幅值或有效值+电流基准频率+相对于系统电压的电流相位+电流模式命令；

由FPGA根据上述指令各数据，按下式生成电流指令波形：

其中：i_r表示根据电流指令生成的电流；i_1m+为基波正序电流幅值；i_1m-为基波负序电流幅值；θ₁为设置相对于系统电压的基波谐波电流相位；i_hm为2至50次谐波电流幅值；h为谐波电流次数；f为电流基准频率；

电流模式功能实现包括：

A、谐波电流模式：

扰动源平台工作在电流扰动时的注入到被试品电流谐波次数0～50次，谐波电流幅值和相位可调，输出单次谐波或多次谐波组合，其中按照谐波次数升高各次谐波电流最大含量依次成比例减小；电流含量表达式如下：

其中：I₁为额定基波电流有效值，I_i为第i次谐波电流有效值；

B、不平衡电流模式：

扰动源平台工作在电流扰动时的注入到被试品电流三相不平衡度：0～20％可调；电流三相不平衡度表达式如下：

其中：I₁为三相电流的正序分量方均根值；I₂为三相电流的负序分量方均根值；

C、电流扰动模式：

扰动源平台工作在电流扰动时的注入到被试品电流中工频基波上叠加幅度范围0～50％的额定电流，频率范围0.5～25Hz的调制波形，调制波包括正弦波和方波两种形式。

进一步地，所述主控制器与背靠背功率单元之间采用光纤通讯方式，主控制器向背靠背功率单元发送整流、逆变、同步脉冲以及单元故障指令信息；光纤包括PWM光纤ZA和ZB、PWM光纤NA和NB、光纤T和光纤R；所述PWM光纤ZA和ZB用于发送整流命令，PWM光纤NA和NB用于发送逆变命令；光纤T用于向背靠背功率单元发送同步脉冲和控制命令，光纤R用于接收背靠背功率单元的故障信息。

进一步地，所述电能质量谐波扰动源平台包括工控机A、工控机B和低压接触器KM7；所述低压接触器KM7经过380V交流电源与风机相连，控制风机打开或停止工作，降低扰动源平台柜体的内部温度；所述工控机A内嵌于控制柜体中，与控制柜的主控制器进行RS422通讯，并发送录波命令；工控机B放置于操作台上，与工控机A通过网线进行通讯，操作工控机B相关软件，控制分合操作开关，设置参数，输出谐波电压电流源；所述低压接触器KM7的额定电压为400V。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1.本发明在10kV配电网中产生10kV2MVar,0.38kV500KVar两种电压等级输出的谐波扰动源，能够对电能质量治理设备进行验证性测试；

2.本发明可根据要求在10kV和0.38kV基波电压条件下输出0至50次及其叠加次标准谐波电压电流源，幅值和相位可调，最大总畸变率THD<20％；该系统还可模拟进行电网电压暂降、波动、三相不平衡电能质量问题，为电网设备谐波性能测试提供了标准试验平台。

3.本发明中电能质量扰动发生器背靠背功率单元级联连接方式，可调节输出谐波电压电流范围宽，可靠性强。

背靠背功率单元采用全控型电力电子器件IGBT，控制方式灵活，输出连续可调。

背靠背功率单元中PWM整流器和PWM逆变器均采用模块化抽屉式结构，发生故障时更换简单迅速；每相由3个单元组成，确保在运行过程中IGBT承受直压在始终安全工作区。

4、本发明主控制器采用DSP+FPGA结构，其中DSP用于计算系统参数、分合开关指令，FPGA用于控制IGBT触发、保护等指令，具有响应计算速度快、存储数据容量大、可靠性高等优点。

5、本发明可以分别实现谐波电压和谐波电流扰动发生功能，根据测试要求可由主控系统灵活转换；扰动平台采用一套独立的微机保护作为后备，在试验过程中可以确保平台自身、被测品及电源系统的安全；

附图说明

图1是本发明提供的10kV电能质量谐波扰动源平台的结构示意图；

图2是本发明提供的电能质量扰动发生器结构图；

图3是本发明提供的背靠背功率单元结构图；

图4是本发明提供的扰动平台装置布局图(含控制系统配置)；

图5是本发明提供的扰动平台主控制器功能结构图

图6是本发明提供的主控制板原理框图；

图7是本发明提供的主控制器与背靠背功率单元间光纤通讯模式结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的10kV电能质量谐波扰动源平台的结构示意图如图1所示，扰动源平台包括输入断路器柜、扰动源输入开关柜、输入变压器与单元柜、输出滤波与开关柜、输入控制柜、开关与输出变压器柜和输出测试柜，其特征在于，所述输入断路器柜、扰动源输入开关柜、输出滤波与开关柜和输出测试柜均连接在10kV母线上；所述扰动源输入开关柜、输入变压器与单元柜、输出滤波与开关柜、开关与输出变压器柜和输出测试柜顺序连接；所述输出测试柜、输入变压器与单元柜分别与输入控制柜连接；所述输入变压器与单元柜为电能质量扰动发生器；电能质量谐波扰动源在10kV和0.38kV基波电压条件下输出0至50次及其叠加次标准谐波电压电流源，幅值和相位可调，最大总畸变率THD_u<20％。

输入断路器柜包括高压断路器QF1，所述10kV配电网母线通过真空断路器合闸开关与高压断路器QF1连接，所述扰动源输入开关柜包括接触器KM1、接触器KM2和限流电阻，所述接触器KM2和限流电阻串联后并联在接触器KM1的两端，用于减小接触器KM1合入时产生的大电流；所述高压断路器QF1通过接触器KM1与电能质量扰动发生器的输入端连接。

如图2所示，电能质量扰动发生器为本平台的核心，电能质量扰动发生器包括三台单相多绕组输入隔离变压器、背靠背功率单元和LC滤波器；每台单相输入隔离变压器的副边3个绕组分别与背靠背功率单元PWM整流输入侧连接，背靠背功率单元逆变输出侧与LC滤波器并联，所述LC滤波器用于滤除开关次高频纹波；隔离变压器原边输入电压为10kV，副边3绕组输出电压均为0.5kV，经过扰动发生器生成2kV电压输出。LC滤波器与输出降压变压器并联产生0.38kV谐波电压电流源；背靠背功率单元是通过PWM整流器与PWM逆变器之间并联直流电解电容器、直流电阻，经过交流-直流-交流变换，产生频率和幅值连续可调的交变电压；电能质量扰动发生器中背靠背功率单元采取级联连接方式；所述LC滤波器由串联电感并联电容组成，电感电容值根据频带范围计算选取。

单相多绕组输入隔离变压器的原边接成星形或三角形，副边为多绕组输出；如图3所示，所述背靠背功率单元包括PWM整流器、PWM逆变器和直流电解电容器、直流电阻，所述PWM整流器、直流电解电容器、直流电阻和PWM逆变器并联；所述PWM整流器输出直流参考电压为700V，PWM逆变器输出参考电压为交流400V，直流电解电容器稳定PWM整流器输出直流电压，直流电阻与直流电解电容器形成回路，对直流电解电容器进行充放电；所述PWM整流器和PWM逆变器采用单相全桥结构，均由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成。

输出滤波与开关柜包括高压接触器KM3、KM4和KM5；电能质量扰动发生器的输出两侧分别通过高压接触器KM3和KM4与10kV母线连接；高压接触器KM3和KM4连接10kV配电网母线侧之间串接有高压接触器KM5，高压断路器QF1与高压接触器KM5组合控制10kV母线电压的合入与开出。

开关与输出变压器柜包括接触器KM6-1和KM6-2以及降压变压器；所述接触器KM6-1和KM6-2分别与LC滤波器的两个输出端连接；所述低压接触器KM6-1和KM6-2分别连接降压变压器的原边，与输出降压变压器并联产生0.38kV谐波电压电流源；所述降压变压器变比为2000V/480V，降压变压器原副边均采用星型连接，带中性点结构，相角偏差为零，即YnYn-0，容量为500kVA。

输出测试柜包括10kV测试电源母线、0.4kV测试电源母线、3个电磁式电压互感器、2个电磁式电流互感器和保护设备组成；所述电压互感器变比为10kV/100V；所述电流互感器变比为300A/5A；所述0.4kV测试电源母线与降压变压器的副边连接；电压测量模块通过10kV/100V电压互感器并联连接在10kV测试电源母线和0.4kV测试电源母线输出端，电压测量模块输出端接10kV/100V电压互感器的低压侧，测量电能质量谐波扰动源三相输出电压；电流测量模块通过300A/5A电流互感器串联10kV测试电源母线和0.4kV测试电源母线输出端，电流测量模块输出端连接300A/5A电流互感器的低电流侧，测量电能质量谐波扰动源A、C相输出电流。

扰动源平台通过接触器和断路器的组合，实现电能质量扰动发生器串入10KV和0.38kV系统，即通过高压断路器QF1、接触器KM1、KM2、高压接触器KM3、KM4、KM5和接触器KM6-1、KM6-2组合开关，实现10kV2MVar和0.38kV500KVar两种谐波源输出方式：

1)合闸高压断路器QF1和高压接触器KM5，合闸接触器KM2，电能质量扰动发生器预充电，合闸接触器KM1，分闸接触器KM2，电能质量扰动发生器背靠背功率单元启动整流逆变，合闸高压接触器KM3和KM4，分闸高压接触器KM5，满足10kV2MVar谐波电压源要求实现电压扰动功能；

2)合闸高压断路器QF1和接触器KM2，电能质量扰动发生器预充电，合闸高压接触器KM1，分闸高压断路器KM2，电能质量扰动发生器背靠背功率单元启动整流逆变，合闸接触器KM6-1和KM6-2，降压变压器投入，满足0.38kV500kVar谐波电压源要求实现电压电流扰动功能；

其中：高压断路器QF1参数为12kV630A；高压接触器KM1、KM2参数为12kV250A；所述高压接触器KM3、KM4、KM5参数为12kV630A；所述接触器KM6-1、KM6-2参数为12kV300A。

电能质量谐波扰动源平台包括低压接触器KM7，所述低压接触器KM7经过380V交流与风机相连，控制风机打开或停止工作，降低扰动源平台柜体的内部温度；低压接触器KM7的额定电压为400V，可根据风机负载大小选型。

如图4所示，扰动平台包括工控机A、工控机B；所述工控机A与控制柜的主控制器进行RS422通讯，并发送录波命令；工控机B采用软件界面，控制分合操作开关，设置电压电流参数，输出谐波电压电流源。

输入控制柜包括主控制器、光纤控制器、信号调理板、数据采集卡、继电保护装置、上位机、后台上位机以及其它辅助设备；上位机作为就地工作站，所述后台上位机作为后台工作站；

就地工作站承担信号录波功能和与控制器的422通讯，通过RS422与主控制器相连，通过TCP/IP协议与后台工作站相连；

后台工作站通过TCP/IP与就地工作站相连；承担人机界面、试验录波信号操作及显示、故障记录、后台通信、启动和停机控制功能；

就地工作站内插PCI总线的16路高速数据采集卡；内插485/422串口卡；

信号调理板作为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、变压器温度报警信号；控制屏柜指示灯的亮灭、检测急停按钮的状态；

继电保护装置承担扰动源平台的输入交流保护；跳闸出口控制高压断路器QF1的合分闸，同时继电保护装置通过IO接点通知主控制器，主控制器闭锁单元输出；

如图5所示，所述主控制器包括电源板、主控板、IO板、光纤板、交流采样板、电源总线、数据总线。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、接触器的分合操作及触点反馈；监控控制电源、柜门闭合、变压器温度报警信号；控制屏柜指示灯的亮灭、检测急停按钮的状态；主控制器中光纤板中中共有3*3*6＝54根光纤信号。交流采样板中共有22路交流模拟量采样，其中有源6路(3路电压、3路电流)，无源16路(9路电压、7路电流)；IO板中状态量监控有24个开入信号，12个开出信号。采用3个开入开出板，支持30路开入、30路开出；

如图6所示，所述主控制器的主控板由DSP(digital signal processor)芯片TMS320F28335、FPGA(field programmable gate array)芯片EP2C8T144C8、低通滤波器LPF、电源接口、模拟量输入接口、总线接口、IO接口、RS232/485通讯接口、JTAG下载口及其辅助电路组成；所述DSP与FPGA采用并行总线连接，进行并行通讯。所述总线接口、IO接口、RS232/485通讯接口、电源接口和模拟量输入接口与DSP、FPGA芯片外围电路连接；所述JTAG下载口用于对DSP和FPGA芯片进行程序烧写；所述低通滤波器LPF滤除模拟量输入高频信号。

所述DSP和FPGA控制谐波电压电流输出，包括以下工作模式：

一)电压模式：

DSP下发：基波正序电压幅值或有效值+基波负序电压幅值或有效值+正序电压2至50次谐波幅值或有效值+电压基准频率+电压模式命令；

由FPGA根据上述指令各数据，按下式生成电压指令波形：

其中：u_r为根据指令生成的电压；u_1m+为基波正序电压幅值；u_1m-为基波负序电压幅值；u_hm为2至50次谐波电压幅值；h为谐波电压次数；f为电压基准频率；

电压模式功能实现包括：

1)电压暂降模式：

扰动源平台工作在电压扰动时的输出电压暂降范围：下降深度10％～50％的额定电压范围内可调，持续时间按国标要求连续可调；电压暂降下降深度表达式如下：

其中：U_N为额定电压；U表示实际的扰动电压；

2)持续电压波动试验：

扰动源平台工作在电压扰动时的持续电压波动范围：±20％；持续电压波动范围表达式如下：

3)三相不平衡试验：

扰动源平台工作在电压扰动时的三相不平衡度：<20％范围内可调；三相不平衡度表达式如下：

其中：U₁为三相电压的正序分量方均根值；U₂为三相电压的负序分量方均根值；

4)电压谐波输出模式：

扰动源平台工作在电压扰动时的输出电压谐波：2～50次，单次发生或随机组合发生，幅值和相位可调，根据试验对象，发出谐波含量有所限制；最大总畸变率表达式如下：

其中：U_i为第i次谐波电压有效值，U₁为额定基波电压有效值；

5)波动与闪变模式：

扰动源平台工作在电压扰动时的波动与闪变：工频基波上叠加幅度范围0～20％额定电压，频率范围0.5～25Hz的调制波形，调制波包括正弦波和方波两种形式；

二)电流模式：

DSP下发：基波正序电流幅值或有效值+基波负序电流幅值或有效值+正序电流2至50次谐波幅值或有效值+电流基准频率+相对于系统电压的电流相位+电流模式命令；

由FPGA根据上述指令各数据，按下式生成电流指令波形：

其中：i_r表示根据电流指令生成的电流；i_1m+为基波正序电流幅值；i_1m-为基波负序电流幅值；θ₁为设置相对于系统电压的电流相位；i_hm为2至50次谐波电流幅值；h为谐波电流次数；f为电流基准频率；

电流模式功能实现包括：

A、谐波电流模式：

扰动源平台工作在电流扰动时的注入到被试品电流谐波次数0～50次，谐波电流幅值和相位可调，输出单次谐波或多次谐波组合，其中按照谐波次数升高各次谐波电流最大含量依次成比例减小；电流含量表达式如下：

其中：I₁为额定基波电流有效值，I_i为第i次谐波电流有效值；

B、不平衡电流模式：

扰动源平台工作在电流扰动时的注入到被试品电流三相不平衡度：0～20％可调；电流三相不平衡度表达式如下：

其中：I₁为三相电流的正序分量方均根值；I₂为三相电流的负序分量方均根值。

C、电流扰动模式：

扰动源平台工作在电流扰动时的注入到被试品电流中工频基波上叠加幅度范围0～50％的额定电流，频率范围0.5～25Hz的调制波形，调制波包括正弦波和方波两种形式。

主控制器与背靠背功率单元之间采用光纤通讯方式，如图7所示，主控制器向背靠背功率单元发送整流、逆变、同步脉冲以及单元故障指令信息；光纤包括PWM光纤ZA和ZB、PWM光纤NA和NB、光纤T和光纤R；所述PWM光纤ZA和ZB用于发送整流命令，PWM光纤NA和NB用于发送逆变命令；光纤T用于向背靠背功率单元发送同步脉冲和控制命令，光纤R用于接收背靠背功率单元的故障信息。

本发明针对实际运行中验证电能质量治理设备的有效性，提供了一种标准谐波扰动源平台，包括10KV2MVar，0.38KV500KVar标准谐波扰动源发生系统。可根据要求在10kV和0.38kV基波电压条件下输出0至50次及其叠加次标准谐波电压电流源，幅值和相位可调，最大总畸变率THD_u<20％；该系统还可模拟进行电网暂降、波动、三相不平衡等电能质量问题，为电网设备谐波性能测试提供了标准试验平台。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种电能质量谐波扰动源平台，所述扰动源平台包括输入断路器柜、扰动源输入开关柜、输入变压器与单元柜、输出滤波与开关柜、输入控制柜、开关与输出变压器柜和输出测试柜，其特征在于，所述输入断路器柜、扰动源输入开关柜、输出滤波与开关柜和输出测试柜均连接在10kV母线上；所述扰动源输入开关柜、输入变压器与单元柜、输出滤波与开关柜、开关与输出变压器柜和输出测试柜顺序连接；所述输出测试柜、输入变压器与单元柜分别与输入控制柜连接；所述输入变压器与单元柜为电能质量扰动发生器；

电能质量谐波扰动源在10kV和0.38kV基波电压条件下输出0至50次及其叠加次标准谐波电压电流源，幅值和相位可调，最大总畸变率THD_u＜20％；

所述电能质量扰动发生器包括三台单相多绕组输入隔离变压器、背靠背功率单元和输出LC滤波器；每台单相输入隔离变压器的副边3个绕组分别与背靠背功率单元PWM整流输入侧连接，背靠背功率单元的逆变输出侧与LC滤波器并联，所述LC滤波器由串联电感并联电容组成，用于滤除开关次高频纹波，使输出波形变得光滑；电能质量扰动发生器的容量为0.5MVA；

所述单相多绕组输入隔离变压器的原边接成星形或三角形，副边为多绕组输出；原边输入电压为10kV，副边3绕组输出电压均为0.5kV，经过电能质量扰动发生器后生成2kV电压输出；所述背靠背功率单元采用级联方式连接，包括PWM整流器、PWM逆变器、直流电解电容器和直流电阻，PWM整流器、直流电解电容器、直流电阻和PWM逆变器并联；所述PWM整流器和PWM逆变器采用单相全桥结构，均由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；

所述背靠背功率单元是通过PWM整流器与PWM逆变器之间并联直流电解电容器和直流电阻，经过交流-直流-交流变换，产生频率和幅值连续可调的交变电压；PWM整流器输出直流参考电压为700V，PWM逆变器输出参考电压为交流400V；背靠背功率单元之间采用级联连接方式，背靠背功率单元的输出侧与LC滤波器并联；电能质量扰动发生器输入为PWM整流器，分别连接隔离变压器副边的不同绕组；输出为PWM逆变器，每相3个PWM逆变器级联构成扰动源输出，最大输出电压1200V。

2.如权利要求1所述的电能质量谐波扰动源平台，其特征在于，所述输入断路器柜包括高压断路器QF1，所述10kV母线通过真空断路器合闸开关与高压断路器QF1连接，所述扰动源输入开关柜包括接触器KM1、KM2和限流电阻，所述接触器KM2和限流电阻串联后并联在接触器KM1的两端，用于减小接触器KM1合入时产生的大电流；所述高压断路器QF1通过接触器KM1与电能质量扰动发生器的输入端连接。

3.如权利要求1所述的电能质量谐波扰动源平台，其特征在于，所述输出滤波与开关柜包括高压接触器KM3、KM4和KM5；电能质量扰动发生器的输出两侧分别通过高压接触器KM3和KM4与10kV母线连接；高压接触器KM3和KM4连接10kV配电网母线侧之间串联高压接触器KM5，产生10kV谐波扰动源输出；高压断路器QF1与高压接触器KM5共同控制10kV母线电压的合入与开出。

4.如权利要求1所述的电能质量谐波扰动源平台，其特征在于，所述开关与输出变压器柜包括低压接触器KM6-1和KM6-2以及降压变压器；所述接触器KM6-1和KM6-2分别与LC滤波器的两个输出端连接；所述接触器KM6-1和KM6-2分别连接降压变压器的原边，调节电能质量扰动发生器，降压变压器的副边输出0.38kV谐波电压电流源；

所述降压变压器变比为2000V/480V，降压变压器原副边均采用星型连接，带中性点结构，相角偏差为零，即YnYn-0，容量为500kVA。

5.如权利要求1所述的电能质量谐波扰动源平台，其特征在于，所述输出测试柜包括10kV测试电源母线、0.4kV测试电源母线、3个电磁式电压互感器、2个电磁式电流互感器和保护设备组成；所述电压互感器变比为10kV/100V；所述电流互感器变比为300A/5A；所述0.4kV测试电源母线与降压变压器的副边连接；电压测量模块通过10kV/100V电压互感器并联连接在10kV测试电源母线和0.4kV测试电源母线输出端，电压测量模块输出连接10kV/100V电压互感器的低压侧，测量电能质量谐波扰动源三相输出电压；电流测量模块通过300A/5A电流互感器串接在10kV测试电源母线和0.4kV测试电源母线输出端，电流测量模块输出连接300A/5A电流互感器的低电流侧，2个电流互感器分别测量电能质量谐波扰动源A、C相的输出电流。

6.如权利要求1-5中任一项所述的电能质量谐波扰动源平台，其特征在于，所述扰动源平台通过接触器和断路器的组合，实现电能质量扰动发生器串入10KV和0.38kV系统，即通过高压断路器QF1、接触器KM1、KM2、高压接触器KM3、KM4、KM5和接触器KM6-1、KM6-2组合开关，实现10kV 2MVar和0.38kV 500KVar两种谐波源输出方式：

1)合闸高压断路器QF1和高压接触器KM5，合闸接触器KM2，电能质量扰动发生器预充电，合闸接触器KM1并分闸接触器KM2，电能质量扰动发生器的背靠背功率单元启动整流逆变，合闸高压接触器KM3和KM4，分闸高压接触器KM5，满足10kV 2MVar谐波电压源要求实现电压扰动功能；

2)合闸高压断路器QF1和高压接触器KM2，电能质量扰动发生器预充电，合闸接触器KM1并分闸接触器KM2，电能质量扰动发生器的背靠背功率单元启动整流逆变，合闸接触器KM6-1和KM6-2，降压变压器投入，满足0.38kV 500kVar谐波电压源要求实现电压电流扰动功能；

其中：高压断路器QF1参数为12kV 630A；接触器KM1、KM2参数均为12kV 250A；所述高压接触器KM3、KM4、KM5参数均为12kV 630A；所述接触器KM6-1、KM6-2参数均为12kV 300A。

7.如权利要求1所述的电能质量谐波扰动源平台，其特征在于，所述输入控制柜包括主控制器、光纤控制器、信号调理板、数据采集卡、继电保护装置、上位机、后台上位机以及其它辅助设备；上位机作为就地工作站，所述后台上位机作为后台工作站；

主控制器和信号调理板之间进行通讯，发送试验录波、主机跳机信号；

就地工作站承担信号录波功能和与控制器的RS422通讯，通过RS422与主控制器相连，通过TCP/IP协议与后台工作站相连；

后台工作站通过TCP/IP与就地工作站相连；承担人机界面、录波信号操作及显示、故障记录、后台通信、启动和停机控制功能；

就地工作站内插PCI总线的16路高速数据采集卡；内插RS485/RS422串口卡；

信号调理板作为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；

继电保护装置承担扰动源平台的输入交流保护；跳闸出口控制高压断路器QF1的合分闸，同时继电保护装置通过IO接点通知主控制器，主控制器闭锁单元输出。

8.如权利要求7所述的电能质量谐波扰动源平台，其特征在于，所述主控制器包括电源板、主控板、IO板、光纤板、交流采样板、电源总线、数据总线；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、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、变压器温度报警信号；控制屏柜指示灯的亮灭、检测急停按钮的状态；

主控制器中光纤板中中共有3*3*6＝54根光纤信号；交流采样板中共有22路交流模拟量采样，其中有源6路，无源16路；IO板中状态量监控有24个开入信号，12个开出信号；主控制器采用3个开入开出板，支持30路开入、30路开出。

9.如权利要求8所述的电能质量谐波扰动源平台，其特征在于，所述主控制器的主控板包括DSP芯片TMS320F28335、FPGA芯片EP2C8T144C8、低通滤波器LPF、电源接口、模拟量输入接口、总线接口、IO接口、RS232/485通讯接口、JTAG下载口及其辅助电路；

所述DSP与FPGA采用并行总线连接，进行并行通讯；所述总线接口、IO接口、RS232/485通讯接口、电源接口和模拟量输入接口与DSP、FPGA芯片通过外围电路连接；所述JTAG下载口用于对DSP和FPGA芯片进行程序烧写；所述低通滤波器LPF设置在DSP上，滤除模拟量输入高频信号。

10.如权利要求9所述的电能质量谐波扰动源平台，其特征在于，所述DSP和FPGA控制谐波电压电流输出，包括以下工作模式：

一)电压模式：

DSP下发：基波正序电压幅值或有效值、基波负序电压幅值或有效值、正序电压2至50次谐波幅值或有效值、电压基准频率和电压模式命令；

由FPGA根据基波正序电压幅值或有效值、基波负序电压幅值或有效值、正序电压2至50次谐波幅值或有效值、电压基准频率和电压模式命令，按下式生成电压指令波形：

$u_r=u_{1m+}sin2\mathrm{\&pi;}ft+u_{1m-}sin2\mathrm{\&pi;}ft+\underset{h=2}{\overset{50}{\&Sigma;}}{u}_{hm}\sinh 2\mathrm{\&pi;}hft---<1>;$

其中：u_r为根据指令生成的电压；u_1m+为基波正序电压幅值；u_1m-为基波负序电压幅值；u_hm为2至50次谐波电压幅值；h为谐波电压次数；f为电压基准频率；

电压模式功能实现包括：

1)电压暂降模式：

扰动源平台工作在电压扰动时的输出电压暂降范围：下降深度10％～50％的额定电压范围内可调，持续时间按国标要求连续可调；电压暂降下降深度表达式如下：

其中：U_N为额定电压；U表示实际的扰动电压；

2)持续电压波动试验：

扰动源平台工作在电压扰动时的持续电压波动范围：±20％；持续电压波动范围表达式如下：

3)三相不平衡试验：

扰动源平台工作在电压扰动时的三相不平衡度：<20％范围内可调；三相不平衡度表达式如下：

${\mathrm{\&epsiv;}}_U=\frac{U_2}{U_1}\&times;100\%---<4>;$

其中：U₁为三相电压的正序分量方均根值；U₂为三相电压的负序分量方均根值；

4)电压谐波输出模式：

扰动源平台工作在电压扰动时的输出电压谐波：2～50次，单次发生或随机组合发生，幅值和相位可调，根据试验对象，发出谐波含量有所限制；最大总畸变率表达式如下：

${\mathrm{THD}}_u=(\sqrt{\underset{i=2}{\overset{n=\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}{U}_i^2}/U_1)\&times;100\%---<5>;$

其中：U_i为第i次谐波电压有效值，U₁为基波电压有效值；

5)波动与闪变模式：

扰动源平台工作在电压扰动时的波动与闪变：工频基波上叠加幅度范围0～20％额定电压，频率范围0.5～25Hz的调制波形，调制波包括正弦波和方波两种形式；

二)电流模式：

DSP下发：基波正序电流幅值或有效值+基波负序电流幅值或有效值+正序电流2至50次谐波幅值或有效值+电流基准频率+相对于系统电压的电流相位+电流模式命令；

由FPGA根据上述指令各数据，按下式生成电流指令波形：

$i_r=i_{1m+}sin(2\mathrm{\&pi;}ft+{\mathrm{\&theta;}}_1)+i_{1m-}sin(2\mathrm{\&pi;}ft+{\mathrm{\&theta;}}_1)+\underset{h=2}{\overset{50}{\&Sigma;}}{i}_{hm}\sinh (2\mathrm{\&pi;}hft+{\mathrm{\&theta;}}_1)---<6>;$

其中：i_r表示根据电流指令生成的电流；i_1m+为基波正序电流幅值；i_1m-为基波负序电流幅值；θ₁为设置相对于系统电压的电流相位；i_hm为2至50次谐波电流幅值；h为谐波电流次数；f为电流基准频率；

电流模式功能实现包括：

A、谐波电流模式：

扰动源平台工作在电流扰动时的注入到被试品电流谐波次数0～50次，谐波电流幅值和相位可调，输出单次谐波或多次谐波组合，其中按照谐波次数升高各次谐波电流最大含量依次成比例减小；电流含量表达式如下：

${\mathrm{THD}}_i=(\sqrt{\underset{i=2}{\overset{n=\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}{I}_i^2}/I_1)\&times;100\%---<7>;$

其中：I₁为额定基波电流有效值，I_i为第i次谐波电流有效值；

B、不平衡电流模式：

扰动源平台工作在电流扰动时的注入到被试品电流三相不平衡度：0～20％可调；电流三相不平衡度表达式如下：

${\mathrm{\&epsiv;}}_I=\frac{I_2}{I_1}\&times;100\%---<8>;$

其中：I₁为三相电流的正序分量方均根值；I₂为三相电流的负序分量方均根值；

C、电流扰动模式：

扰动源平台工作在电流扰动时的注入到被试品电流中工频基波上叠加幅度范围0～50％的额定电流，频率范围0.5～25Hz的调制波形，调制波包括正弦波和方波两种形式。

11.如权利要求8所述的电能质量谐波扰动源平台，其特征在于，所述主控制器与背靠背功率单元之间采用光纤通讯方式，主控制器向背靠背功率单元发送整流、逆变、同步脉冲以及单元故障指令信息；光纤包括PWM光纤ZA和ZB、PWM光纤NA和NB、光纤T和光纤R；所述PWM光纤ZA和ZB用于发送整流命令，PWM光纤NA和NB用于发送逆变命令；光纤T用于向背靠背功率单元发送同步脉冲和控制命令，光纤R用于接收背靠背功率单元的故障信息。

12.如权利要求1所述的电能质量谐波扰动源平台，其特征在于，所述电能质量谐波扰动源平台包括工控机A、工控机B和低压接触器KM7；所述低压接触器KM7经过380V交流电源与风机相连，控制风机打开或停止工作，降低扰动源平台柜体的内部温度；所述工控机A内嵌于控制柜体中，与控制柜的主控制器进行RS422通讯，并发送录波命令；工控机B放置于操作台上，与工控机A通过TCP/IP进行通讯，操作工控机B相关软件，控制分合操作开关，设置电压电流参数，输出谐波电压电流源；所述低压接触器KM7的额定电压为400V。