新型可编程电子能馈负载装置的研制

朱树文 葛方甫

（山东华天电气有限公司，济南 250101）

电能质量污染的治理需要功能齐全、高可靠的电能质量产品。新型能量回馈式可编程电子能馈负载可以灵活模拟各种负载，实现电能质量产品的功能测试，并将有功回馈电网，实现电能质量产品的节能。本文研制了一种基于双核DSP 平台的新型能量回馈式可编程电子能馈负载装置，采用现代电力电子技术利用交直交的背靠背双向可调逆变平台单元对为基础，通过双DSP 与外围器件的配合，辅助于界面友好的上位人机触摸屏，实现了装置的多单元对模块化并联扩容，负载灵活编程和有功能量的高效、无污染调节回馈电网。装置既具有DSP 预存国标和行标典型负载类型，上位人机触摸一键加载选择输出的功能，又具有上位人机触屏提供自定义编程模板、灵活实现有功、无功、谐波编程，并模拟、存储转换下发DSP，DSP 接收数据进行FFT 变换，生成输出指令驱动模拟、回馈单元输出编程模拟的负载电流，并分析输出数据回传显示和进行各次谐波含量的微调。具有可灵活模拟多种负载，模块并联扩容方便，输出电流精度高，高效节能，人机界面友好操作方便的特点。

1 总体结构及功能

1.1 装置结构设计

本装置包括负载模拟发生单元、能量回馈调节 单元、人机界面的上位监控触屏组成。负载模拟发生单元和能量回馈调节单元的直流母线背靠背经储能电容器组连接组成交直交的双向可调节逆变平台，两单元均由保护空开、电流互感器、RC 高频滤波吸收电路、缓冲电路、单相电感器、反馈电流霍尔传感器、三相逆变桥、信号采样单元、逆变桥驱动保护单元、双DSP 控制器组成；双DSP 控制器与人机上位监控触屏实现485 通信相连。装置结构框图如图1所示。

1.2 装置功能设计

为保证装置实现智能可编程模拟三线或四线的有功、感性和容性无功、2～50 次谐波等各种负载电流，调节有功能量无污染馈入电网，具有灵活模拟多种负载、适应电源电压范围大、输出精度高、馈入电网电流谐波含量小的优点。所设计的装置在指令数据转换控制、信号检测、数据分析、存储、通信接口等方面满足以下要求。

1）负载模拟单元DSP 既拥有预存的经仿真的多种典型的，国标、行标要求的固定负载波形数据，又拥有开放的编程波形数据处理区，负责接收处理经人机界面编程的基波、无功、谐波数据，同时按模拟输出要求将数据转换成指令电流驱动逆变桥输出，并对输出分析回传显示。

图1 装置结构图

2）能馈单元DSP 调节直流母线，将有功回馈电网，分析回传数据。

3）人机界面实现整机的监控调度，回传数据的统计分析显示，提供典型固定负载的一键加载输出选择，基于幅值相位编程的基波、无功、谐波编程界面，并实现编程数据的极坐标到直角坐标转换、规约化、存储、模拟、下发给模拟单元DSP，方便灵活应用。

4）各功能单元独立，拥有多种保护、防二次污染电路，多对小电流模块对的的冗余并联，保证装置的输出高精度、高可靠、易维护。

5）单元间采用modbus 规约的485 总线通信互联，方便软硬件扩展。

2 装置硬件设计

2.1 负载模拟单元和能馈单元

负载模拟发生单元和能量回馈调节单元两者直流母线背靠背经DC-Bus 支撑电容相联组成交直交双向可调逆变平台。硬件电路基本相同，均由三相可控逆变桥执行电路，电抗滤波、RC 高频吸收、缓冲电路、输出反馈电流电压信号采样、驱动保护、双 DSP 控制器组成。尤其是单元控制器含有TMS320-F2812 双DSP 内核，保证指令快速响应、数据快速运算分析，实时通信回传人机界面。电路参数进行仿真、实测配置，保证装置的采样精准、驱动可靠，保护齐全，整机输出高精度、高可靠，无污染。

2.2 人机界面

采用工业级的支持Modbus-RTU 通信规约的多接口真彩色触摸屏，实现数据编程变换处理、下发，统计分析显示单元控制器回传信号，提供以幅值相位编程负载电流的表格，自动完成数据坐标转换、归一化、保存下发给负载模拟发生单元DSP 控制器，接收DSP 回传的输出电流分析数据，进行时域波形的转换显示，同时接收两单元的信号实现装置的集中监控。

3 软件设计

3.1 系统程序设计

本系统程序由模拟单元DS P、能馈单元DSP、系统人机三个模块组成，通过标准485 接口通信相连。系统人机程序与两单元DSP 交互，设置系统参数，调度监控两个单元；两个DSP 各自负责本单元的自检、指令接收、数据处理、采样控制、与系统人机交互。

3.2 双DSP 程序设计

每个单元的DSP 控制器采用双DSP 分解工作强度，两者内部交互为一体，一DSP 侧重数据预存、接收处理与外界通信交互，方便装置模拟的灵活实用，另一DSP 侧重内部数据转换、指令计算、PWM生成、模块控制。负载模拟单元DSP 自检完成，接收或预存各种负载波形的FFT 直角坐标数据格式数据，收到系统选择指令，读取预存典型或自编程数据，进行FFT 变换处理比较，形成驱动指令电流，驱动逆变桥，辅之于缓冲、滤波、吸收、保护等输出模拟的所需负载电流，并将电流数据分析上传给系统人机，实现输出负载电流数据、波形、频谱的显示。

负载模拟时的有功经直流母线传递给能量回馈调节单元，由其DSP 调节控制，经直流交流变换，辅之于缓冲、滤波、吸收、保护，除自身的很少有功损耗外，绝大部分有功无污染又馈入电网，实现节能，同时将单元数据上传系统人机监控显示。具体流程图如图2所示。

图2 双DSP 程序流程图

3.3 人机界面程序设计

上位人机界面经485 通信与两单元的DSP 控制器相连，主要实现装置有功、无功、谐波编程和监控。上位人机编程数据格式界面是基于友好的相位幅值相位的极坐标格式，上位人机界面后台自动完成数据计算坐标格式的转换，如A 相以模Ran与相角αAn设定，转换为直角坐标系的Ixan、Iyan；B 相以模Rbn与相角αBn设定，转换为直角坐标系的Ixbn、Iybn；C 相以模Rcn与相角αCn设定，转换为直角坐标系的Ixcn、Iycn。并将数据进行归一化约束处理、保存下发给负载模拟发生单元DSP 控制器，同时将DSP 控制器回传的输出电流波形数据和含量分析，进行时域转换，完成输出电流的波形和各次数据柱状图显示，实现各次谐波含量的微调。具体程序流程图如图3所示。

3.4 数据转换处理的实现

上位人机界面主机便于用户编程的上手，预存了一些预先仿真的典型负载类型数据，可直接调用或作为编程模板，经数据转换处理与DSP 交互。

人机编程界面基于便于理解的幅值相位的极坐标格式，数据 FFT 表达式：f(t)=a0+(a1cosωt+b1sinωt)+…+(a1cos51ωt+b1sin51ωt)。负载模拟发生单元DSP 需要等效直角坐标格式的数据，形式如下所表示：Ixa0,Iya0,Ixa1,Iya1,…,Ixa51,Iya51;Ixb0,Iyb0,Ixb1,Iyb1,…,Ixb51,Iyb51;Ixc0,Iyc0,Ixc1,Iyc1,…,Ixc51,Iyc51。

图3 人机界面程序流程图

为实现双方的数据交互，进行如下处理约定：A 相以模Ran与相角αAn设定，转换为直角坐标系的Ixan、Iyan；B 相以模Rbn与相角αBn设定，转换为直角坐标系的Ixbn、Iybn；C 相以模Rcn与相角αCn设定，转换为直角坐标系的Ixcn、Iycn；等效转换计算实现如图4所示，各相电流的基波与谐波，以直角坐标系IxIy为参考，在谐波参数编程设定中，谐波相角以Ua为基准；基波设定以本相电压为基准，编程中设定模及功率因数cosφ。

图4 坐标转换基准约定图

通过以下计算公式由上位人机界面计算功能实现极坐标与直角坐标转换。

A 相：Ixan=Ran*sin(αAn+n*3π/2)；Iyan= -1*Ran* cos(αAn+n*3π/2)。

B 相：Ixbn=Rbn*sin(αBn+n*3π/2)；Iybn= -1*Rbn* cos(αBn+n*3π/2)。

C 相：Ixcn=Rcn*sin(αCn+n*3π/2)；Iycn= -1*Rcn* cos(αCn+n*3π/2)。

基波的编程计算实现:编程界面中的幅值相位及功率因数均以对应相电压为基准，用户修改时可以修改功率因数及感性/容性选择；也可以直接输入相角，相角与cosφ感性和容性联动；参数确认后自动修改计算并关联到谐波编程界面。

谐波的编程计算实现：

谐波编程界面相位均以Ua相位作为0 度基准，基波仅显示不能修改，其数据来自于基波编程界面所编程的关联，数据按上述公式经极坐标与直角坐标转换表转换计算关联而得。

编程电流波形数据的归一化约束计算实现：

目的是保证编程各次电流设定值在设备额定值以下，并限制输出高次谐波电流值，进行自动约束编程电流波形数据不大于装置的最大输出电流的计算。设装置的每相额定输出电流为Ie，总电流最大为3Ie；各次谐波数据幅值在编程时最大值限制值为Hn，Hn=3Ie/n，小于Ie；全部设定完成后，计算各相Irms（Irms=各次谐波幅值的均方根）并取最大值，与Ie比较，设K=Irms/Ie，K大于1 后，将Hn/K重新计算各次谐波值为当前编程的正常数值。

上位人机为显示DSP 控制器回传的波形数据和

编程后的数据进行的时域转换计算实现：

以A 相为例，设A 相电流直流幅值=Ra0；基波幅值=Ra1，相角=αA1；二次幅值=Ra2，相角=αA2；三次幅值=Ra3，相角=αA3；……，n次谐波的幅值=Ran，相角=αAn；

按基波周期（50Hz 为20ms）分为k=360 点，点的序号j=0～359；时域每个点的值为Aj；

用下列公式计算电流到 51 次：Aj=Ra0+

4 样机测试结果

为验证所设计的装置性能及实用性，将装置接于电气系统模拟输出各种现实用中存在的负载，采用美国FLUKE435 电能质量测试仪和示波器对装置模拟输出的波形和数据进行了对照测试分析。

装置模拟三相对称阻性、感性、容性负载，及负载组合，输出正弦波电流，电流控制精度达3%以下，输出正弦波大小电流效果，如图5所示。

装置模拟的三相三线和三相四线整流器负载符合现实中负载的波形，谐波含量分布，效果如图6所示。

模拟三相发电机，用于测试APF 及SVG 在发电状态下的工作能力，效果如图7所示。

模拟阻性不平衡负载，用于测试设备单相、三相不平衡带载能力，效果如图8所示。

图5 模拟输出正弦波电流效果图

图6 模拟的整流器负载效果图

图7 模拟发电机输出效果图

图8 模拟不平衡有功负载输出效果图

可编程，应用灵活，能模拟任意混合型电流波形输出，效果如图9所示。

模拟负载连续阶跃输出，方便测试试品的响应 速度，效果如图10所示。

图9 自编程模拟输出混合波形效果图

图10

从实验结果可以看出，本方案设计的能馈负载装置具有模拟多种负载、输出连续可调、响应快、精度高、节能的特点。装置模拟有功负载可以替代阻性负载满足各种电源类产品如稳压电源、UPS、消防应急电源、直流电源、充电器、发电机等的老化与试验；模拟纯容感性无功、纯谐波、基于有功或无功基波的谐波满足有源电力滤波器及无功补偿设备的检验、测试、老化等；同时将有功无污染的回馈电网，具有有功不平衡、无功、谐波次数、幅值、相位等可调节的编程特性。装置的功能可靠、灵活、实用、高效节能达到了国内领先的水平。

5 结论

本文立足于国内外电子负载的现状，基于人机界面，模拟、回馈双平台模块架构，设计了一种适用于电能质量、电力产品等试验、测试的新型的能量回馈式可编程电子能馈负载装置。在实际应用中，可将装置与试品串联或并联使用，实现有功、无功、谐波的模拟。经测试，本文所设计的装置使用灵活，使用电压范围宽广。可基于多个单元对并联扩展成较大容量，接收上位主机的监控，既能实现容量的扩展，又能满足试品对负载的精度要求，实现多级试验。经变压器耦合能满足高电压电网电能质量产品的测试，同时节约有功，减少电网容量占用。本问所设计的装置较国内大部分产品在功能模拟上更为完善，精度较高，有着很高的性价比和广泛应用前景。

[1] GB/T 14549—1993.公用电网谐波[S].

[2] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京: 中国电力出版社,2006.

[3] 杨啸天.电力系统谐波分析、测量、评估计算与抑制及滤波新技术实务全书[M].北京: 中国电力科技出版社,2012.

[4] 山东华天电气有限公司实用新型专利.一种能量回馈式可编程电子能馈负载装置.专利号 ZL2014 2 0492846.7.