適用于新能源并網的CVT諧波測量裝置研究

宋雪瑩 譚忠富

摘 要： 隨著風電和光伏發電系統的并網等級不斷升高，在接入系統高壓側時不可避免地引入諧波。針對電容式電壓互感器（CVT）應用于高壓側諧波測量的實際需求，這里通過對適用于CVT諧波測量方法進行理論分析，并設計分析相應的CVT諧波測量裝置驗證方法的可行性。在CVT的分壓電容和中間變壓器的接地支路分別接入高精密鉗型電流互感器，在得出電流參數值基礎上，根據基爾霍夫定律推導得出CVT一次側諧波電壓參數。計算結果可經以太網或USB 2.0接口實現數據上傳。設計CVT諧波分析軟件完成數據導出、顯示以及存盤等操作。試驗結果證明了所采用方法的正確性、設計方案的可行性以及CVT諧波測量裝置的有效性。

關鍵詞： CVT； LabVIEW； 諧波測量； 相量擬合； 諧波數據采集； DSP； 并網

中圖分類號： TN245?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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 connection

0 引 言

近年來隨著風電和光伏發電不斷普及，其并網電壓等級也隨之不斷升高。風能和太陽能作為新能源并入電網過程中由于其中含有大量逆變整流設備，因此不可避免地在并網點高壓側引入諧波[1]。而目前國內外在110 kV及以上電力系統中作為二次側采樣、測量和保護設備的互感器主要以CVT為主。該設備主要由分壓電容單元和類似于電磁式電壓互感器單元（Potential Transformer，PT）組成，與傳統PT相比整套裝置體積小、絕緣性能好、價格相對便宜，但是考慮到CVT的寬頻傳輸特性，其在諧波分析方面遠遜于傳統PT測量，同時在國家標準GB/T 14549—1993《電能質量公用電網諧波》中規定：“電容式電壓互感器不能用于諧波測量。”[2]

為了實現風電、光伏發電系統等新能源的大規模接入電網，首要解決的是CVT在諧波測量中存在的相關問題，對此國內外許多研究學者展開相應研究。其中文獻[3]推導CVT完整的傳遞函數并在此基礎上通過仿真分析CVT關鍵參數對諧波傳遞的影響，為后續進行諧波測量提供準確的依據。文獻[4]提出一種基于CVT變比數據，與人工神經網絡校正算法相結合進行CVT傳遞變比校正的方法。文獻[5]和文獻[6]綜合考慮CVT的諧波特性以及諧波測量的試驗誤差對比分析，提出一種諧波測試準確度高且滿足國標要求的設計思路。本文基于前人研究工作的基礎之上，設計一種適用于CVT諧波測量裝置，并通過相關理論分析和現場試驗。

1 CVT諧波測量方法

1.1 CVT的諧波測量方法理論分析

CVT的基本電路結構主要包括高壓電容C1和中壓電容C2組成的分壓電容單元、中壓變壓器T、補償電抗器LC、二次側的阻尼器ZD等構成的電磁單元，具體如圖1所示。

目前國內應用較為廣泛的CVT主要有兩種，分別為：速飽和型和諧振型。對于速飽和型CVT和諧振型CVT的諧波傳遞規律，即諧波信號經過相應的CVT電路結構均會產生一定的畸變，影響其二次側輸出諧波幅值和相位，其與實際一次側諧波存在較大的誤差，無法真實反映當前接入系統高壓側諧波情況。對此本文參考文獻[5]和文獻[6]中所提出的諧波測量方法，設計一種適用于CVT諧波測量的裝置，該裝置測量理論依據是在原有CVT的電路結構基礎下，如圖1所示。根據基爾霍夫電壓定律推導得出式（1）和式（2），通過式（2）得到一次側各次諧波電壓[U1jhω1]：

式中：I2為中壓電容C2的接地電流相量；I1為高壓電容C1對應的電流相量；[ω1]為系統工頻的角頻率，[ω1=2πf1]；h為諧波階次，通常諧波階次數為2～50次；在任何頻率下，其各次諧波電壓[U1]為中壓電容C2上[UC2]和高壓電容C1上[UC1]對應階次諧波電壓相量之和。

由于現場實際的CVT產品結構中下端接線盒的中壓電容C2的接地點與電磁單元的接地點是相互獨立分開。無法通過直接測量得到I1參數值，通過分析其CVT的基本電路結構，根據基爾霍夫電流定律計算可得節點1的公式，如下：

式中，I3和I2可通過精密電流互感器獲得電流參數。由FFT分析計算各次諧波電流，根據式（4）推算出不同時刻的CVT各次諧波電壓參數。

1.2 CVT的諧波測量方案設計

通過對適用于CVT現場實際諧波電壓測試的理論計算公式推導分析，設計一套適用于CVT諧波測量實現的可行性方案。該方案具體系統結構如圖2所示。

根據CVT下端接線盒中線路的接線方式，通過高精度鉗形電流互感器獲取分壓電容單元的中壓電容器接地支路和電磁單元的中間變壓器接地支路的電流信號[7]。并由CVT諧波數據采集裝置對采集的電流信號進行相量擬合、FFT分析計算，按照每小時一個諧波數據記錄文件的形式存儲。該裝置最大可記錄時常為一周。記錄文件可通過以太網接口或USB 2.0接口進行數據上傳。用戶可通過安裝有CVT諧波分析軟件的PC機查看上傳的記錄文件中各個時段諧波變化參數、統計特征次超標諧波出現時段以及幅值波動范圍等性能指標。

CVT諧波測量系統結構采用主從服務器的系統架構。CVT諧波數據采集裝置作為從機系統、安裝有CVT諧波分析軟件的PC機作為主機系統。該系統結構簡單、實現方便、測量諧波電壓精度高，且不受CVT二次側負載大小的影響。

2 CVT諧波測量系統總體設計

2.1 CVT諧波數據采集裝置硬件結構

CVT諧波數據采集裝置的硬件電路采用DSP+ARM結構，多處理器協作的工作模式以及先進的大容量NAND FLASH存儲技術，其具備高速高精度的數據采集、強大的數據處理能力、大容量的數據存儲，同時配備有兩種總線接口的數據上傳模式，實現數據的快速上傳。具體硬件總體結構如圖3所示。

CVT下端接線盒引出的兩路電流信號經過信號調理電路進行I/V變換、濾波放大等處理，然后由A/D轉換電路處理輸出對應的數字信號。A/D采樣芯片選用AD9695芯片，該芯片是ADI公司生產的一款14位雙通道1 300 MSPS模/數轉換器（ADC）。DSP數字信號處理電路控制ADC采樣頻率。設置每周波至少采樣128點，采用軟件鎖相自動跟蹤電網的頻率變化，自動調整采樣間隔，維持每周波采樣點數。對離散采樣信號做FFT分析計算[8]。將實時處理數據寫入雙口RAM，DSP通過雙口RAM實現與ARM處理器的數據通信。

ARM將處理后的兩路電流信號的按照式（4）進行計算，對計算得到的數據按照3 s時間間隔進行統計存儲[9]。由于數據容量大，對本裝置的存儲設備容量、讀/寫速度以及可靠耐用性提出較高要求；因此本裝置采用多片NAND FLASH級聯擴充存儲裝置的空間。其中單片NAND FLASH的容量為128 MB，并通過MTD訪問NAND FLASH存儲設備。內存技術設備（Memory Technology Device，MTD）只是硬件和上層應用之間的一個抽象接口，通過該驅動設備完成統計數據的存儲。同時ARM內部提供兩種總線接口方式，可分別按照MODBUS?TCP協議和SPI串口協議通過太網接口或USB 2.0接口接入主機系統進行數據上傳。

2.2 CVT諧波數據采集裝置軟件框架

根據CVT諧波數據采集裝置硬件結構，本裝置的程序結構可分為：DSP模塊、ARM模塊。具體細節如圖4所示。

DSP模塊主要實現A/D采樣控制和離散數字信號的FFT計算。ARM模塊以Linux嵌入式實時多任務操作系統為內核完成數據處理、存儲以及后臺通信以及工作信號指示燈控制。二者之間交互工作實現數據采集、計算、存儲等功能。其具體程序流程圖如圖5所示。

CVT諧波數據采集裝置根據用戶設定的監測時段完成諧波數據采集、存儲和上傳。裝置上電后進行系統初始化與主機系統建立命令連接。根據設定的監測時間周期完成數據上傳速率設置和采樣頻率設置，同時開啟軟件鎖相根據電網頻率實現同步采樣。DSP對采樣點參數進行FFT計算同時傳輸到ARM進行電流信號的相量擬合、統計存儲，通過判斷監測時間是否溢出控制諧波數據采集進程，最后將采樣數據上傳至主機系統。

2.3 CVT諧波分析軟件結構設計

CVT諧波數據分析軟件是使用美國NI公司提供的LabVIEW開發者套件開發的應用程序，支持Windows，Linux的操作系統的PC終端[10]。LabVIEW作為領先的圖形化系統設計軟件，擁有直觀的圖形表達方式和硬件無縫連接的能力，借助豐富函數及相關模塊工具包，提升效率的同時擴展應用范圍，更好地實現系統應用設計。CVT諧波數據分析軟件按照結構化、模塊化的編程思路，采用自上而下的設計方式，將系統分為3層：主界面層、邏輯功能層、底層VI，如圖6所示。主界面層以直觀的圖形化人機交互界面為基礎實現系統總體控制；邏輯功能層負責系統的各個邏輯功能實現，包括接口設置模塊、數據顯示模塊、數據處理模塊、數據管理模塊；按照邏輯功能模塊層劃分底層VI，采用調用VI的形式實現各個模塊之間的功能調用和交互關聯。

本文基于LabVIEW開發的CVT諧波數據分析軟件，能夠實現數據導出、波形圖顯示、數據存盤、打印等功能，并具有良好的擴展性、較強的實用性。

3 CVT諧波測量裝置現場試驗

CVT諧波測量裝置現場試驗使用電能質量諧波擾動源作為諧波源發生裝置，測試過程輸出電壓等級為110 kV，同時電能質量諧波擾動源采用10 kV的電壓擾動模式經升壓變壓器提高至110 kV輸出。利用該諧波擾動裝置輸出額定電壓幅值的基波電壓并分別單次迭加0.2 kV，0.4 kV的奇次諧波電壓，輸出電壓幅值最大總畸變率[小于10%]，對CVT諧波測量裝置在不同工況下進行定量分析，具體如圖7所示。

通過圖7對比分析可得CVT諧波測量裝置所測結果在不同工況下誤差系數[δ]幅值基本維持在0～1.50%之間。其中誤差系數[δ]最大幅值為1.50%，基本滿足GB/T 14549—1993《電能質量公用電網諧波》規定的諧波測試儀標準[2]。

4 結 語

本文通過對CVT諧波測量的方法進行可行性理論分析，并通過公式推導求出CVT諧波電壓的計算公式，提出對應的設計方案。同時完成CVT諧波測量裝置設計，進行現場試驗。通過對測試結果進行比對，驗證本文所采用方法的正確性、設計方案的可行性以及CVT諧波測量裝置的有效性。該裝置的投入運行將能夠準確、高效地監測諧波變化趨勢，在一定程度上可預防降低新能源并網引起的諧波污染問題。

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