UPQC电能质量检测系统的研究

姜钰梁，曹 铁



UPQC电能质量检测系统的研究

姜钰梁1，曹 铁2

（1.武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064；2.武汉理工大学，武汉430063）

统一电能质量控制器（UPQC）是具有综合调节功能的串并联补偿调节装置，它包含了串联补偿调节装置和并联补偿调节装置各自具备的特有功能，主要用于综合解决多种电能质量问题。本文在分析UPQC的基本结构与工作原理的基础上，设计了UPQC电能质量监测系统的硬件电路，对典型电能质量参数的计算方法及其软件实现进行了研究。通过实验和现场测试，验证了整个系统的可行性。最后，将测试结果与标准结果对比分析，得出相应的结论。

UPQC 电能质量检测 TMS320F2812

0 引言

随着配电系统中各类非线性负载的不断增加，电能质量正处于日益恶化的状态，用户对电能质量提出了更高的要求，因此对于如何让配电系统的电能质量提高这一研究课题引起了较高的关注。一方面为了让用户端在使用敏感负载时可以得到高质量的电能供应，而另一方面为了防止用户端由于使用大功率、非线性负载而造成各种电能质量问题反馈回电网侧，为了解决这两者之间的电能质量问题，可以在配电系统中的公共接点处安装统一电能质量控制器（UPQC），以保证整个配电及供电系统的电能质量达到标准指标。

UPQC电能质量监测系统主要对统一电能质量控制器各部分的电能质量进行实时的监测和分析，当检测到电能质量出现波形畸变时，做出报警提示并且对产生波形畸变原因加以分析，找到引起波形畸变的可能故障，做出相应的调整控制。

本文采用先进的数字信号处理芯片TMS320F2812来完成对UPQC各部分电能质量的检测系统。TMS320F2812主要功能是控制 A/D采样和外围器件的正常工作、完成数据处理和检测参数的计算、保证键盘响应、电能质量参数显示与存储和系统正常运行状态等诸多任务按时有序地完成。

1 UPQC的基本结构及工作原理

UPQC主要由串联有源滤波器和并联有源滤波器构成, 包含了串联补偿器和并联补偿器各自的优点，能解决大多数的电能质量问题。图1和图2分别给出了串联补偿器和并联补偿器的结构图。

图1 串联补偿器的结构图

图2 并联补偿器的结构图

普通用户所使用的电网电压基本上是为畸变后的三相不平衡系统，与理想的三相平衡的标准正弦用户电压相比，实际的电网电压幅值与标准电压的额定值是有一定差别。串联补偿器主要就是用于解决这一问题，它将标准的三相对称正弦电压值与实际检测到的电压值之差作为补偿电压的目标值，然后可以利用三角波调制的方法产生PWM控制信号以控制IGBT的通断，最终使串联补偿器产生和补偿电压的目标值相同的电压来完成电压补偿[1-3]。

并联补偿器相对串联补偿器来说主要是用于完成对三相不平衡电流的补偿。理想情况下的电网中的供电电流应该为三相对称的正弦有功电流，它的相位是与电网电压的正序基波分量的相位相同。并联补偿器根据检测到的电网电压正序基波分量，利用输出功率与输入功率平衡的基本原理，通过计算得到流过负载两端的电流理论值，将其作为补偿电流的目标值，然后对电流使用滞环比较方式的PWM控制，最终完成无功电流补偿[4-5]。

本文主要是对 UPQC各部分电能质量参数进行检测，将检测到的结果送入控制器，为UPQC完成后续控制打下基础。

2 硬件总体设计

本文硬件主要由模拟电路和数字电路两大部分构成。模拟电路主要用于完成对电网信号的采集与调理。数字电路主要是对采集到的信号进行实时处理，包括参数计算、谐波分析、键盘、显示、通讯和数据存储等功能。其总体框图如图3所示，主要由检测电路、THS1206信号采样电路、DSP系统和人机交互四大部分组成。

2.1 检测电路设计

本系统选用瑞士LEM公司生产的LV25-P型电压互感器和LA125-P型电流互感器来完成互感器部分的核心电路设计。

LV25-P和LA125-P内部结构均是霍尔原理的闭环补偿电流型互感器，LV25-P原边电流测量范围是：-14 mA到+14 mA，LA125-P原边电流测量范围是：-200 A到+200 A；LV25-P副边额定电流有效值为25 mA，LA125-P副边额定电流有效值为125 mA。具体的三相电压和电流互感器部分电路如图4和图5所示所示。

根据图5的设计，可以计算出电压互感器电路的输入电压与输出电压之间的比例系数，以Vsa为例说明。四个200 kΩ/5 W的电阻并联在互感器输入端，则：

LV25-P的转换率为2500:1000，因此，互感器内部的输出与输入电流比为：

电压互感器检测电压与输出电压之比：

图5 电流互感器部分电路

根据图5的设计，可以计算出电流互感器电路的输入电流与输出电压之间的比例系数，以i2a为例说明。LA125-P的转换率为1:1000，因此，互感器内部的输出与输入电流比为：

电流互感器被测电流与输出电压之比：

2.2 THS1206信号调理电路设计

为了保证可以准确采样到高次谐波信号，用到的A/D不仅要求采样精度较高且转换速度要快。TMS320F2812芯片内部A/D在采样精度和采样速度上都难以满足本设计的需求，因此选用了TI公司生产的型号为THS1206的12位4通道高速A/D。THS1206是采用流水结构的A/D转换器，它主要用于仪器仪表、图像处理、数字信号处理和自动控制等领域[6,7]。本文需要对UPCQ四处三相电压与电流各项电能参数进行检测，因此整个系统需要使用6片THS1206芯片。由于每片THS1206相关电路的设计大致相同，这里只介绍其中一片THS1206的硬件电路设计。

THS1206的信号输入范围为+1.5 V到+3.5 V之间，内部使用+1.5 V和+3.5 V的双基准电压源。经过传感器输出的信号的峰峰值若不在+1.5 V到+3.5 V之间，就需要利用信号调理电路将输入到A/D中的信号进行调理。利用两个TL084将-3 V到+3 V的输入信号调理成+l.5 V到+3.5 V之间的信号，输入到THS1206进行转换。放大器正向输入端的-2.5 V电压由THS1206的内部基准电压输出REFOUT经OP07反相得到，4通道A/D接口电路如图6所示。

图6 4通道A/D硬件设计图

3 系统测试结果

本系统测试部分将Fluke 43B手持式三相电能质量分析仪所检测到的数据作为参考值。Fluke 43B带有光隔离RS232可以将测量到数据与图形上传到上位机中。

对系统测试包括检测电路测试和信号调理电路测试，检测电路是用于完成对于电压和电流检测信号的衰减，主要是测试电压和电流互感器的输入信号与输出信号是否达到了前文检测电路设计中所提到的输入信号与输出信号的衰减倍数；信号调理电路是用于将互感器输出信号调理成可以满足A/D输入范围的信号。

3.1 检测电路测试

对检测电路的测试使用1台台式电脑和1个电热烧水壶同时作为检测负载，利用Fluke 43B检测到电压互感器输入电压与输出电压的波形如图7和图8所示。

本设计电压检测电路实际输入范围是-500 V到+500 V，输出范围是：-2.5 V到+2.5 V。输入电压与输出电压需满足检测电路设计中的设计要求：

根据图7和图8可以清楚观察到，输入电压有效值为223.9 V的正弦信号信号，电压检测电路输出电压有效值为1.122 V。输入与输出满足式（6）的关系，测试结果表明电压检测电路达到了预期的设计要求。

根据图9和图10可以清楚观察到，输入电流有效值为13.88 A的正弦信号信号，电流检测电路输出电压有效值为0.695 V。输入与输出满足式（7）的关系，测试结果表明电流检测电路达到了预期的设计要求。

图7 电压检测电路输入波形

图8 电压检测电路输出波形

本设计电流检测电路实际输入范围是-60 A到+60 A，输出范围是：-3 V到+3 V。输入电流与输出电压需满足检测电路设计中的设计要求：

图10 电流检测电路输出波形

3.2 信号调理电路测试

图11 调理电路输入波形

图12 调理电路输出波形

对信号调理电路的测试，使用函数发生器输入峰值为2.5 V、频率为50 Hz的标准正弦信号，利用Fluke 43 B检测到调理电路输入信号的波形如图11所示，信号调理电路的输出波形如图12所示。

本设计信号调理电路的输入范围是-3 V到+3 V，输出范围是+1.5 V到+3.5 V。输出与输入信号的关系应满足如下的设计要求：

根据图11和图12可以清楚观察到，原本峰峰值为-2.5 V到+2.5 V的正弦信号，经过信号调理电路后，输出为+1.67 V到+3.33 V。输入与输出满足式（8）的关系，测试结果表明信号调理电路达到了预期的设计要求。

4 结论

本设计主要是为了完成对UPQC各部分电能质量的检测，包括：频率检测、电流电压有效值检测、各项功率参数的检测、谐波检测和三相不平衡检测。在通过设计、制作、调试与测试发现整个电路设计从传感器输出的信号，到送入A/D采样到的信号均较为准确，可以用于对于UPQC电能质量参数的检测。

[1] 李勋.统一电能质量控制器 UPQC 的分析和控制:[博士学位论文].武汉:华中科技大学图书馆, 2006.

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[5] Arnold. Solutions to the power quality problems[M]. IEE Power Engineering Journal, 2001: 65-73.

[6] 冉茂华. 基于DSP的FIR数字滤波器的设计：[硕士学位论文]. 武汉:武汉理工大学图书馆, 2006.

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Research on Power Quality Monitoring System in Unified Power Quality Controller

Jiang Yuliang1, Cao Tie2

（1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion ,Wuhan 430064，China；2. Wuhan University of Technologe,Wuhan 430064, China）

TP 332

A

1003-4862（2017）11-0038-05

2017-08-15

姜钰梁(1987-)，女，工程师。研究方向：检测技术及自动化装置。