| 标题 | 适用于新能源并网的CVT谐波测量装置研究 |
| 范文 | 宋雪莹 谭忠富 摘 要： 随着风电和光伏发电系统的并网等级不断升高，在接入系统高压侧时不可避免地引入谐波。针对电容式电压互感器（CVT）应用于高压侧谐波测量的实际需求，这里通过对适用于CVT谐波测量方法进行理论分析，并设计分析相应的CVT谐波测量装置验证方法的可行性。在CVT的分压电容和中间变压器的接地支路分别接入高精密钳型电流互感器，在得出电流参数值基础上，根据基尔霍夫定律推导得出CVT一次侧谐波电压参数。计算结果可经以太网或USB 2.0接口实现数据上传。设计CVT谐波分析软件完成数据导出、显示以及存盘等操作。试验结果证明了所采用方法的正确性、设计方案的可行性以及CVT谐波测量装置的有效性。 关键词： CVT； LabVIEW； 谐波测量； 相量拟合； 谐波数据采集； DSP； 并网 中图分类号： TN245?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）08?0116?05 Abstract： As the grid connection level of wind power and photovoltaic power generation systems increases constantly， harmonics are inevitably introduced into the high voltage side of the access system. In allusion to the practical requirement of applying the capacitor voltage transformer （CVT） to harmonic measurement in the high voltage side， theoretical analysis of method suitable for CVT harmonic measurement is performed， and the feasibility of the verification method for CVT harmonic measurement device is analyzed. The voltage?dividing capacitor of CVT and the grounding branch circuit of intermediate transformer are respectively connected to the high?precision pincer?shape current transformer. On the basis of obtaining current parameters， the CVT harmonic voltage parameters on primary side are obtained according to the derivation with Kirchhoff law. The calculation results can be uploaded via Ethernet or USB 2.0 interface. The CVT harmonic analysis software was designed to complete the operations such as data export， display and saving. The test results proved the correctness of the method adopted in this paper， the feasibility of the design scheme and the effectiveness of the CVT harmonic measurement device. Keywords： CVT； LabVIEW； harmonic measurement； phasor fitting； harmonic data acquisition； DSP； grid connection0 引 言 近年來随着风电和光伏发电不断普及，其并网电压等级也随之不断升高。风能和太阳能作为新能源并入电网过程中由于其中含有大量逆变整流设备，因此不可避免地在并网点高压侧引入谐波[1]。而目前国内外在110 kV及以上电力系统中作为二次侧采样、测量和保护设备的互感器主要以CVT为主。该设备主要由分压电容单元和类似于电磁式电压互感器单元（Potential Transformer，PT）组成，与传统PT相比整套装置体积小、绝缘性能好、价格相对便宜，但是考虑到CVT的宽频传输特性，其在谐波分析方面远逊于传统PT测量，同时在国家标准GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》中规定：“电容式电压互感器不能用于谐波测量。”[2] 为了实现风电、光伏发电系统等新能源的大规模接入电网，首要解决的是CVT在谐波测量中存在的相关问题，对此国内外许多研究学者展开相应研究。其中文献[3]推导CVT完整的传递函数并在此基础上通过仿真分析CVT关键参数对谐波传递的影响，为后续进行谐波测量提供准确的依据。文献[4]提出一种基于CVT变比数据，与人工神经网络校正算法相结合进行CVT传递变比校正的方法。文献[5]和文献[6]综合考虑CVT的谐波特性以及谐波测量的试验误差对比分析，提出一种谐波测试准确度高且满足国标要求的设计思路。本文基于前人研究工作的基础之上，设计一种适用于CVT谐波测量装置，并通过相关理论分析和现场试验。1 CVT谐波测量方法 1.1 CVT的谐波测量方法理论分析 CVT的基本电路结构主要包括高压电容C1和中压电容C2组成的分压电容单元、中压变压器T、补偿电抗器LC、二次侧的阻尼器ZD等构成的电磁单元，具体如图1所示。 目前国内应用较为广泛的CVT主要有两种，分别为：速饱和型和谐振型。对于速饱和型CVT和谐振型CVT的谐波传递规律，即谐波信号经过相应的CVT电路结构均会产生一定的畸变，影响其二次侧输出谐波幅值和相位，其与实际一次侧谐波存在较大的误差，无法真实反映当前接入系统高压侧谐波情况。对此本文参考文献[5]和文献[6]中所提出的谐波测量方法，设计一种适用于CVT谐波测量的装置，该装置测量理论依据是在原有CVT的电路结构基础下，如图1所示。根据基尔霍夫电压定律推导得出式（1）和式（2），通过式（2）得到一次侧各次谐波电压[U1jhω1]： 式中：I2为中压电容C2的接地电流相量；I1为高压电容C1对应的电流相量；[ω1]为系统工频的角频率，[ω1=2πf1]；h为谐波阶次，通常谐波阶次数为2～50次；在任何频率下，其各次谐波电压[U1]为中压电容C2上[UC2]和高压电容C1上[UC1]对应阶次谐波电压相量之和。 由于现场实际的CVT产品结构中下端接线盒的中压电容C2的接地点与电磁单元的接地点是相互独立分开。无法通过直接测量得到I1参数值，通过分析其CVT的基本电路结构，根据基尔霍夫电流定律计算可得节点1的公式，如下： 式中，I3和I2可通过精密电流互感器获得电流参数。由FFT分析计算各次谐波电流，根据式（4）推算出不同时刻的CVT各次谐波电压参数。 1.2 CVT的谐波测量方案设计 通过对适用于CVT现场实际谐波电压测试的理论计算公式推导分析，设计一套适用于CVT谐波测量实现的可行性方案。该方案具体系统结构如图2所示。 根据CVT下端接线盒中线路的接线方式，通过高精度钳形电流互感器获取分压电容单元的中压电容器接地支路和电磁单元的中间变压器接地支路的电流信号[7]。并由CVT谐波数据采集装置对采集的电流信号进行相量拟合、FFT分析计算，按照每小时一个谐波数据记录文件的形式存储。该装置最大可记录时常为一周。记录文件可通过以太网接口或USB 2.0接口进行数据上传。用户可通过安装有CVT谐波分析软件的PC机查看上传的记录文件中各个时段谐波变化参数、统计特征次超标谐波出现时段以及幅值波动范围等性能指标。 CVT谐波测量系统结构采用主从服务器的系统架构。CVT谐波数据采集装置作为从机系统、安装有CVT谐波分析软件的PC机作为主机系统。该系统结构简单、实现方便、测量谐波电压精度高，且不受CVT二次侧负载大小的影响。2 CVT谐波测量系统总体设计 2.1 CVT谐波数据采集装置硬件结构 CVT谐波数据采集装置的硬件电路采用DSP+ARM结构，多处理器协作的工作模式以及先进的大容量NAND FLASH存储技术，其具备高速高精度的数据采集、强大的数据处理能力、大容量的数据存储，同时配备有两种总线接口的数据上传模式，实现数据的快速上传。具体硬件总体结构如图3所示。 CVT下端接线盒引出的两路电流信号经过信号调理电路进行I/V变换、滤波放大等处理，然后由A/D转换电路处理输出对应的数字信号。A/D采样芯片选用AD9695芯片，该芯片是ADI公司生产的一款14位双通道1 300 MSPS模/数转换器（ADC）。DSP数字信号处理电路控制ADC采样频率。设置每周波至少采样128点，采用软件锁相自动跟踪电网的频率变化，自动调整采样间隔，维持每周波采样点数。对离散采样信号做FFT分析计算[8]。将实时处理数据写入双口RAM，DSP通过双口RAM实现与ARM处理器的数据通信。 ARM将处理后的两路电流信号的按照式（4）进行计算，对计算得到的数据按照3 s时间间隔进行统计存储[9]。由于数据容量大，对本装置的存储设备容量、读/写速度以及可靠耐用性提出較高要求；因此本装置采用多片NAND FLASH级联扩充存储装置的空间。其中单片NAND FLASH的容量为128 MB，并通过MTD访问NAND FLASH存储设备。内存技术设备（Memory Technology Device，MTD）只是硬件和上层应用之间的一个抽象接口，通过该驱动设备完成统计数据的存储。同时ARM内部提供两种总线接口方式，可分别按照MODBUS?TCP协议和SPI串口协议通过太网接口或USB 2.0接口接入主机系统进行数据上传。 2.2 CVT谐波数据采集装置软件框架 根据CVT谐波数据采集装置硬件结构，本装置的程序结构可分为：DSP模块、ARM模块。具体细节如图4所示。 DSP模块主要实现A/D采样控制和离散数字信号的FFT计算。ARM模块以Linux嵌入式实时多任务操作系统为内核完成数据处理、存储以及后台通信以及工作信号指示灯控制。二者之间交互工作实现数据采集、计算、存储等功能。其具体程序流程图如图5所示。 CVT谐波数据采集装置根据用户设定的监测时段完成谐波数据采集、存储和上传。装置上电后进行系统初始化与主机系统建立命令连接。根据设定的监测时间周期完成数据上传速率设置和采样频率设置，同时开启软件锁相根据电网频率实现同步采样。DSP对采样点参数进行FFT计算同时传输到ARM进行电流信号的相量拟合、统计存储，通过判断监测时间是否溢出控制谐波数据采集进程，最后将采样数据上传至主机系统。 2.3 CVT谐波分析软件结构设计 CVT谐波数据分析软件是使用美国NI公司提供的LabVIEW开发者套件开发的应用程序，支持Windows，Linux的操作系统的PC终端[10]。LabVIEW作为领先的图形化系统设计软件，拥有直观的图形表达方式和硬件无缝连接的能力，借助丰富函数及相关模块工具包，提升效率的同时扩展应用范围，更好地实现系统应用设计。CVT谐波数据分析软件按照结构化、模块化的编程思路，采用自上而下的设计方式，将系统分为3层：主界面层、逻辑功能层、底层VI，如图6所示。主界面层以直观的图形化人机交互界面为基础实现系统总体控制；逻辑功能层负责系统的各个逻辑功能实现，包括接口设置模块、数据显示模块、数据处理模块、数据管理模块；按照逻辑功能模块层划分底层VI，采用调用VI的形式实现各个模块之间的功能调用和交互关联。 本文基于LabVIEW开发的CVT谐波数据分析软件，能够实现数据导出、波形图显示、数据存盘、打印等功能，并具有良好的扩展性、较强的实用性。3 CVT谐波测量装置现场试验 CVT谐波测量装置现场试验使用电能质量谐波扰动源作为谐波源发生装置，测试过程输出电压等级为110 kV，同时电能质量谐波扰动源采用10 kV的电压扰动模式经升压变压器提高至110 kV輸出。利用该谐波扰动装置输出额定电压幅值的基波电压并分别单次迭加0.2 kV，0.4 kV的奇次谐波电压，输出电压幅值最大总畸变率[小于10%]，对CVT谐波测量装置在不同工况下进行定量分析，具体如图7所示。 通过图7对比分析可得CVT谐波测量装置所测结果在不同工况下误差系数[δ]幅值基本维持在0～1.50%之间。其中误差系数[δ]最大幅值为1.50%，基本满足GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》规定的谐波测试仪标准[2]。4 结 语 本文通过对CVT谐波测量的方法进行可行性理论分析，并通过公式推导求出CVT谐波电压的计算公式，提出对应的设计方案。同时完成CVT谐波测量装置设计，进行现场试验。通过对测试结果进行比对，验证本文所采用方法的正确性、设计方案的可行性以及CVT谐波测量装置的有效性。该装置的投入运行将能够准确、高效地监测谐波变化趋势，在一定程度上可预防降低新能源并网引起的谐波污染问题。 参考文献 [1] 胡雪峰，王璐，龚春英，等.可再生能源并网发电馈网电流中的谐波分析及其抑制策略[J].中国电机工程学报，2010，30（z1）：167?170. HU Xuefeng， WANG Lu， GONG Chunying， et al. Harmonic analysis and suppression strategy of grid current for renewable energy grid integration system [J]. Proceedings of the CSEE， 2010， 30（S1）： 167?170. [2] 国家技术监督局.电能质量公用电网谐波：GB/T 14549—1993[S].北京：中国标准出版社，1994. State Bureau of Technical Supervision. Quality of electric energy supply?harmonics in public supply network： GB/T 14549—1993 [S]. Beijing： Standards Press of China， 1994. [3] 段晓波，朱明星，胡文平，等.影响电容式电压互感器谐波传递特性的关键参数[J].电网技术，2014，38（11）：3153?3159. DUAN Xiaobo， ZHU Mingxing， HU Wenping， et al. Key parameters affecting the harmonic transfer characteristics of capacitive voltage transformers [J]. Power system technology， 2014， 38（11）： 3153?3159. [4] 王锐.CVT谐波测量畸变研究[D].保定：华北电力大学（河北），2009. WANG Rui. CVT harmonic measurement distortion research [D]. Baoding： North China Electric Power University （Hebei）， 2009. [5] 彭庆华，陈龙，康文斌，等.电容式电压互感器谐波测量误差分析[J].高电压技术，2015，41（3）：956?962. PENG Qinghua， CHEN Long， KANG Wenbin， et al. Harmonic measurement error analysis of capacitor voltage transformer [J]. High voltage technology， 2015， 41（3）： 956?962. [6] GHASSEMI F， GALE P， CUMMING T， et al. Harmonic voltage measurements using CVTs [J]. IEEE transactions on power delivery， 2005， 20（1）： 443?449. [7] 王昕，沈鑫，曹敏，等.电容式电压互感器谐波测量特性研究[J].电测与仪表，2016，53（z1）：1?9. WANG Xin， SHEN Xin， CAO Min， et al. Study on harmonic measurement characteristics of capacitive voltage transformer [J]. Electrical measurement and instrumentation， 2016， 53（S1）： 1?9. [8] 祝朝辉，毛晋昌.基于DSP的电力谐波检测仪研制[J].电子技术，2001，28（11）：37?39. ZHU Zhaohui， MAO Jinchang. The development of power harmonic detector based on DSP [J]. Electronic technology， 2001， 28（11）： 37?39. [9] 王冬星，程书伟，张丽华.基于ARM的数据采集与存储系统的研究与实现[J].计算机工程与设计，2012，33（12）：4526?4530. WANG Dongxing， CHENG Shuwei， ZHANG Lihua. Research and implementation of data acquisition and storage system based on ARM [J]. Computer engineering and design， 2012， 33（12）： 4526?4530. [10] 沈华.基于LabVIEW的谐波电能计量与分析系统的研究[J].电测与仪表，2010，47（1）：47?50. SHEN Hua. Research on harmonic energy measurement and analysis system based on LabVIEW [J]. Electrical measurement and instrumentation， 2010， 47（1）： 47?50. [11] 柳永妍，乐健，李琼林，等.电容式电压互感器谐波测量误差研究[J].电力自动化设备，2017，37（3）：167?174. LIU Yongyan， YUE Jian， LI Qionglin， et al. Study on harmonic measurement error of capacitive voltage transformer [J]. Electric power automation equipment， 2017， 37（3）： 167?174. [12] 乐健，柳永妍，李琼林，等.电容式电压互感器谐波测量误差试验技术[J].电力系统自动化，2016，40（8）：108?113. YUE Jian， LIU Yongyan， LI Qionglin， et al. Test technology for harmonic measurement error of capacitive voltage transformer [J]. Automation of electric power systems， 2016， 40（8）： 108?113. |
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