基于LabVIEW的虛擬儀器諧波分析及測試方法

曹 瑩， 徐秀芬， 侯永強， 帕爾哈提·阿布都克里木

( 1. 東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中國石油新疆油田分公司 實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000 )

0 引言

變頻調速技術及其產品被廣泛應用于電力、機械、石油化工等重點耗能領域，變頻器在工作時易產生諧波而嚴重降低系統的電能質量，進而影響正常的生產運行。因此，對變頻調速系統開展諧波測試和評價成為能源領域、重點耗能行業研究的熱點[1-4]。

目前，有關諧波測試與分析評價主要依據相關標準，國際上主要參考IEC61000、IEEE519等，中國主要依據GB/T 14549—1993、GB/T 17626—2012，其中，石油天然氣行業主要依據SY/T 6834—2017[5-6]。SY/T 6834—2017將變頻器、電動機及其拖動負載界定為變頻調速拖動系統，給出7項節能評價指標及其計算方法，其中4項指標(變頻器輸入側功率因數、變頻器效率、諧波電壓限值/電流允許值)與變頻器諧波相關，僅針對變頻器輸入側諧波；實際上，變頻器諧波不僅作用于輸入側(電網側)，也作用于輸出側，進而對與其相連的電動機、拖動負載的性能等產生影響。鑒于現場操作條件及工況要求，現行標準中的諧波測試、計算與評價方法并不完全適用。

目前，有關諧波測試與評價研究主要聚焦于諧波檢測與分析方面[7]，包括對諧波檢測過程中的諧波分量提取方法研究。文獻[8-10]主要基于傳統FFT變換，提出改進S變換、全相位譜細化校正、FFT和DWT組合等改進方式。文獻[11-13]從加窗、插值等角度提出防止泄露和提高分量提取準確性的方法，如迭代加窗、各種改進插值方法的組合等。這些改進方法主要側重于提高諧波檢測結果的準確性，考慮技術可行性及工程實際應用推廣，需要綜合實際工況、測試條件及準確度等因素。另外，工程上常用的諧波及電能質量測試/分析儀器主要有HIOKI3196/3390、Fluke Norma4000/5000等，在滿足測試和分析要求的前提下，Norma5000精度更高、性能更好，但是對測試條件要求高、操作復雜、成本高。因此，現有的諧波分析與測試方法存在一定局限性，評價指標無法全面、合理反映諧波對系統的影響，且無明確的諧波影響分析方法。

為全面合理地反映和評價諧波對變頻調速拖動系統的影響，根據現場實際工況要求，筆者對現行標準給出的諧波分析評價方法進行改進，從整體上考慮變頻調速拖動系統，綜合變頻器輸入、輸出側，研究表征諧波對系統性能影響的評價指標及其計算方法。以LabVIEW軟件程序開發為基礎，結合數據采集模塊，構造諧波測試虛擬儀器，代替Norma5000等傳統測試儀器，準確測試和計算變頻器輸入、輸出側的各項諧波指標，以解決現場普遍存在的諧波測試成本高、操作復雜及測試分析結果不準確等問題。搭建基于LabVIEW的諧波測試與分析實驗平臺，分析諧波對系統性能的影響規律，確定合理的諧波指標和系統參數運行范圍。

1 諧波測試及評價方法

變頻調速系統的諧波測試與評價研究主要包括諧波分析與評價方法、諧波測試儀器。其中，諧波測試及評價方法主要依據國際、中國標準(見表1)，常用的電能及諧波測試儀器應用見表2。

表1 諧波測試及評價相關標準分析

表2 常用的電能及諧波測試儀器應用

2 諧波指標分析

2.1 指標體系

基于諧波測試和評價等標準的匯總分析，結合油氣田生產特點及現場測試工況要求等，確定變頻調速拖動系統的諧波評價指標體系，包括兩大類9項指標。其中，變頻器輸入側3項、輸出側6項，諧波評價指標體系及計算方法見表3。

表3 諧波評價指標體系及計算方法

評價指標體系中的各指標之間并非完全獨立，而是相輔相成的，各項指標從不同角度和層面反映諧波對變頻調速拖動系統的影響。不僅能夠直觀反映諧波的影響程度，還可以反映變頻設備及整體系統配置合理與否。根據評價指標體系，結合現有諧波分析方法、電能質量分析及測試儀器、信號處理及諧波分量提取方法，確定9項指標的計算方法(見表3)。

2.2 計算方法

2.2.1 變頻器輸入側

諧波電壓總畸變率、諧波電流總畸變率、三相電壓不平衡度分別為

(1)

(2)

(3)

式中：UIh為輸入側各次諧波電壓有效值；UI1為輸入側基波電壓有效值；h為諧波次數，取為2,3,…，40；IIh為輸入側各次諧波電流有效值；II1為輸入側基波電流有效值；VIab、VIbc、VIca分別為輸入側線電壓有效值；VIavg為輸入側三相線電壓平均值。

2.2.2 變頻器輸出側

諧波電壓總畸變率、諧波電流總畸變率、三相電壓不平衡度分別為

(4)

(5)

(6)

式中：UOh為輸出側各次諧波電壓有效值；UO1為輸出側基波電壓有效值；IOh為輸出側各次諧波電流有效值；IO1為輸出側基波電流有效值；VOab、VObc、VOca分別為輸出側線電壓有效值；VOavg為輸出側三相線電壓平均值。

供電電壓諧波因數、電流諧波因數分別為

(7)

(8)

式中：n為諧波次數，對于三相交流電動機，不含3及3的倍數，k=13；Udn為電動機端n次諧波電壓有效值與額定電壓UN之比；Idn為電動機端n次諧波電流有效值與額定電流IN之比。

諧波電流允許值是指各次諧波對應的最大允許電流。通過各次諧波電流有效值與諧波電流允許值之比，可以判斷相應(奇/偶次)次數諧波的電流是否滿足限值要求。

3 諧波測試方法

3.1 虛擬儀器

諧波測試虛擬儀器是采用LabVIEW軟件程序開發的，可以完成傳統諧波測試儀器(如Norma5000)內置的信號處理、諧波分析模塊及算法，同時外置數據采集卡，實現對測試前端的電信號數據的采集與傳輸，構成一套完整的諧波測試虛擬儀器。采用虛擬儀器與傳統儀器進行諧波測試與分析結果見表4。

表4 虛擬儀器與傳統儀器諧波測試與分析結果

由表4可知，采用傳統測試方法中HIOKI3169、3390等測試儀器，對變頻器諧波的測試分析結果準確性相對較低，實際指導意義差。采用Norma5000測試儀器的測試及分析結果準確度高，但是操作復雜性和測試成本高。采用基于LabVIEW虛擬儀器的測試方法不僅能夠精準測試和計算變頻器輸入、輸出側的各項諧波指標，且能夠通過諧波分析得到輸入/輸出端的全波、基波功率，為變頻調速裝置、系統能耗及能效水平分析提供基礎數據。

3.2 測試方法

若要分析諧波對變頻調速拖動系統整體及各組成部分(變頻器、電動機、生產機械)的影響，則需要對變頻器輸入、輸出側及執行機構進行同步測試。

對于某類變頻調速拖動系統，進行諧波測試與評價：

(1)測試項目及測點布置。根據負載類型，確定各項測試參數，變頻器輸入側的測點位于變頻器控制柜，變頻器輸出側測點為電動機輸入側，拖動負載輸入側為電動機輸出側(輸出軸扭矩測試)。

(2)基礎參數測試。在系統穩定工況條件下，對各參數進行同步測試。

(3)數據采集與信號處理。通過外置數據采集卡，實現與前端測試數據信號的通信與傳輸，基于LabVIEW的諧波信號處理與分析程序模塊，進行諧波分量提取，虛擬儀器設置的諧波分量有效提取次數為2～40次[18-19]。

(4)諧波指標計算與評價。在諧波分量提取基礎上，采用諧波指標計算方法，得到各項諧波指標結果，為諧波的影響性分析提供基礎數據。

4 實驗結果

4.1 實驗臺及參數設置

以電動機為模擬負載，采用油田常用的PWM變頻器，搭建基于虛擬儀器的變頻調速拖動系統實驗臺(見圖1)，基本參數見表5。

圖1 基于虛擬儀器的變頻調速拖動系統實驗臺Fig.1 Experiment platform of variable frequency system based on virtual instrument for harmonic testing

表5 實驗基本參數

實驗設置50種工況，選擇其中的2種工況進行可行性驗證，匯總文中測試方法與Norma5000測試的電參數結果(見表6)。由表6可知，采用文中測試方法與Norma5000測試結果基本一致，平均相對誤差為0.69%，驗證文中測試方法的可行性和準確性。變頻器輸入、輸出側諧波分量的提取結果見圖2。由圖2可知，諧波分量的提取結果主要顯示諧波次數為2～40次，在電源頻率及其倍數附近，驗證諧波分量提取的有效性和準確性。

表6 電參數測試結果

4.2 測試結果

根據實驗基本參數，采用基于虛擬儀器的諧波測試與評價方法進行50種工況應用，包括5種頻率、分別對應10種負載變化的諧波指標測試計算。變頻器輸入、輸出側8項諧波評價指標計算結果見表7。文中測試方法還可以計算變頻器效率，結合電動機效率的測試結果，得到變頻調速拖動裝置效率。

表7 變頻器輸入/輸出端諧波指標測試計算結果(部分)

4.3 諧波指標影響分析

根據各項諧波指標計算結果，分析諧波對變頻調速系統中設備(變頻器、電動機)及變頻調速裝置的性能影響。

4.3.1 頻率

5種頻率下，變頻器、電動機及變頻調速裝置的效率隨頻率的變化關系曲線見圖3。由圖3可知，(1)同一頻率下，設備效率在額定負載狀態下為最佳狀態，隨模擬負載的增加，變頻器、電動機負載率也隨之越接近于額定狀態，效率呈增加趨勢；電動機在負載超過最佳狀態時，效率略有下降。(2)不同頻率下，設備效率有所不同。隨頻率的降低，高次諧波成分的電流波形中的電流含量相對增加，導致變頻器和電動機損耗(主要為銅損和鐵損)隨之增加，因此設備效率隨頻率的降低而呈逐漸減小趨勢。

圖3 頻率對變頻系統性能的影響Fig.3 The frequency influence on the performance of frequency system

4.3.2 諧波

諧波對變頻調速系統性能的影響主要體現在各項諧波指標與設備效率之間的變化關系。以電壓總畸變率、電流總畸變率指標為例，分析諧波對變頻系統性能的影響效果。

(1)電壓總畸變率。變頻器輸入/輸出側電壓總畸變率與變頻器、電動機效率的變化關系曲線見圖4。由圖4可知，變頻器輸入、輸出側的變化規律基本一致，對設備性能的影響結果也基本一致，即電壓總畸變率越大，設備及變頻調速裝置的運行效率越高。對于40 Hz以上工況，輸入側的影響占比較大，電壓總畸變率不能過高，一般控制在6%以內，以減少諧波對設備性能及系統運行穩定性的影響。因此，在變頻系統運行時，可在允許范圍內盡量提高電壓總畸變率，同時考慮電流總畸變率的影響。

圖4 電壓總畸變率對系統設備性能的影響Fig.4 The VTHD influence on the performance of equipment in frequency system

(2)電流總畸變率。變頻器輸入/輸出側電流總畸變率與變頻器、電動機效率的變化關系曲線見圖5。由圖5可知，變頻器輸入、輸出側的變化規律基本一致，對設備性能的影響效果也基本一致，即電流畸變率越大，設備及變頻調速裝置的運行效率越低，且輸入側的電流總畸變率遠高于輸出側的，起主要作用。因此，要想保證變頻系統良好的運行狀態，需要控制輸入側具有較小的電流總畸變率(一般為70%～80%)，以減少對變頻系統運行的影響。

圖5 電流總畸變率對系統設備性能的影響Fig.5 The ITHD influence on the performance of equipment in frequency system

文中諧波評價指標體系能夠全面、合理反映諧波對變頻系統及設備性能的影響，提出的基于虛擬儀器的諧波測試方法能夠替代成本高、操作復雜的Norma5000測試與分析，且精度和結果滿足要求。諧波電流允許值的分析與評價主要依據GB/T 14549—1993，適用性和指導性較差。因此，若想實現系統的節能高效運行，保證系統的電能質量，則需要進行數據統計與分析，確定各項諧波評價指標的限值，以抑制諧波對變頻系統的不良影響，實現電能高效率傳輸與轉換。

5 結論

(1)根據變頻調速系統工程應用、諧波測試與評價分析，基于虛擬儀器的諧波測試與分析方法，建立涵蓋變頻器輸入側、輸出側兩大類、9項指標的諧波評價指標體系，確定各項指標的計算方法。

(2)通過LabVIEW軟件與數據采集模塊結合形成諧波測試虛擬儀器，搭建基于虛擬儀器的諧波測試分析實驗臺，測試及評價方法合理可行。在保證諧波測試與分析準確度基礎上，降低諧波測試成本，提高測試效率，操作易實現。

(3)頻率對變頻調速裝置中設備運行效率影響相對較小，在工頻50 Hz附近運行效率最高。輸入側電壓、電流畸變率影響較大，為了保證較好的電能傳輸質量，應保證輸入側電壓總畸變率在6%以內，電流總畸變率在70%～80%范圍。