朱樹文 葛方甫

（山東華天電氣有限公司，濟南 250101）

電能質量污染的治理需要功能齊全、高可靠的電能質量產品。新型能量回饋式可編程電子能饋負載可以靈活模擬各種負載，實現(xiàn)電能質量產品的功能測試，并將有功回饋電網，實現(xiàn)電能質量產品的節(jié)能。本文研制了一種基于雙核DSP 平臺的新型能量回饋式可編程電子能饋負載裝置，采用現(xiàn)代電力電子技術利用交直交的背靠背雙向可調逆變平臺單元對為基礎，通過雙DSP 與外圍器件的配合，輔助于界面友好的上位人機觸摸屏，實現(xiàn)了裝置的多單元對模塊化并聯(lián)擴容，負載靈活編程和有功能量的高效、無污染調節(jié)回饋電網。裝置既具有DSP 預存國標和行標典型負載類型，上位人機觸摸一鍵加載選擇輸出的功能，又具有上位人機觸屏提供自定義編程模板、靈活實現(xiàn)有功、無功、諧波編程，并模擬、存儲轉換下發(fā)DSP，DSP 接收數據進行FFT 變換，生成輸出指令驅動模擬、回饋單元輸出編程模擬的負載電流，并分析輸出數據回傳顯示和進行各次諧波含量的微調。具有可靈活模擬多種負載，模塊并聯(lián)擴容方便，輸出電流精度高，高效節(jié)能，人機界面友好操作方便的特點。

1 總體結構及功能

1.1 裝置結構設計

本裝置包括負載模擬發(fā)生單元、能量回饋調節(jié) 單元、人機界面的上位監(jiān)控觸屏組成。負載模擬發(fā)生單元和能量回饋調節(jié)單元的直流母線背靠背經儲能電容器組連接組成交直交的雙向可調節(jié)逆變平臺，兩單元均由保護空開、電流互感器、RC 高頻濾波吸收電路、緩沖電路、單相電感器、反饋電流霍爾傳感器、三相逆變橋、信號采樣單元、逆變橋驅動保護單元、雙DSP 控制器組成；雙DSP 控制器與人機上位監(jiān)控觸屏實現(xiàn)485 通信相連。裝置結構框圖如圖1所示。

1.2 裝置功能設計

為保證裝置實現(xiàn)智能可編程模擬三線或四線的有功、感性和容性無功、2～50 次諧波等各種負載電流，調節(jié)有功能量無污染饋入電網，具有靈活模擬多種負載、適應電源電壓范圍大、輸出精度高、饋入電網電流諧波含量小的優(yōu)點。所設計的裝置在指令數據轉換控制、信號檢測、數據分析、存儲、通信接口等方面滿足以下要求。

1）負載模擬單元DSP 既擁有預存的經仿真的多種典型的，國標、行標要求的固定負載波形數據，又擁有開放的編程波形數據處理區(qū)，負責接收處理經人機界面編程的基波、無功、諧波數據，同時按模擬輸出要求將數據轉換成指令電流驅動逆變橋輸出，并對輸出分析回傳顯示。

圖1 裝置結構圖

2）能饋單元DSP 調節(jié)直流母線，將有功回饋電網，分析回傳數據。

3）人機界面實現(xiàn)整機的監(jiān)控調度，回傳數據的統(tǒng)計分析顯示，提供典型固定負載的一鍵加載輸出選擇，基于幅值相位編程的基波、無功、諧波編程界面，并實現(xiàn)編程數據的極坐標到直角坐標轉換、規(guī)約化、存儲、模擬、下發(fā)給模擬單元DSP，方便靈活應用。

4）各功能單元獨立，擁有多種保護、防二次污染電路，多對小電流模塊對的的冗余并聯(lián)，保證裝置的輸出高精度、高可靠、易維護。

5）單元間采用modbus 規(guī)約的485 總線通信互聯(lián)，方便軟硬件擴展。

2 裝置硬件設計

2.1 負載模擬單元和能饋單元

負載模擬發(fā)生單元和能量回饋調節(jié)單元兩者直流母線背靠背經DC-Bus 支撐電容相聯(lián)組成交直交雙向可調逆變平臺。硬件電路基本相同，均由三相可控逆變橋執(zhí)行電路，電抗濾波、RC 高頻吸收、緩沖電路、輸出反饋電流電壓信號采樣、驅動保護、雙 DSP 控制器組成。尤其是單元控制器含有TMS320-F2812 雙DSP 內核，保證指令快速響應、數據快速運算分析，實時通信回傳人機界面。電路參數進行仿真、實測配置，保證裝置的采樣精準、驅動可靠，保護齊全，整機輸出高精度、高可靠，無污染。

2.2 人機界面

采用工業(yè)級的支持Modbus-RTU 通信規(guī)約的多接口真彩色觸摸屏，實現(xiàn)數據編程變換處理、下發(fā)，統(tǒng)計分析顯示單元控制器回傳信號，提供以幅值相位編程負載電流的表格，自動完成數據坐標轉換、歸一化、保存下發(fā)給負載模擬發(fā)生單元DSP 控制器，接收DSP 回傳的輸出電流分析數據，進行時域波形的轉換顯示，同時接收兩單元的信號實現(xiàn)裝置的集中監(jiān)控。

3 軟件設計

3.1 系統(tǒng)程序設計

本系統(tǒng)程序由模擬單元DS P、能饋單元DSP、系統(tǒng)人機三個模塊組成，通過標準485 接口通信相連。系統(tǒng)人機程序與兩單元DSP 交互，設置系統(tǒng)參數，調度監(jiān)控兩個單元；兩個DSP 各自負責本單元的自檢、指令接收、數據處理、采樣控制、與系統(tǒng)人機交互。

3.2 雙DSP 程序設計

每個單元的DSP 控制器采用雙DSP 分解工作強度，兩者內部交互為一體，一DSP 側重數據預存、接收處理與外界通信交互，方便裝置模擬的靈活實用，另一DSP 側重內部數據轉換、指令計算、PWM生成、模塊控制。負載模擬單元DSP 自檢完成，接收或預存各種負載波形的FFT 直角坐標數據格式數據，收到系統(tǒng)選擇指令，讀取預存典型或自編程數據，進行FFT 變換處理比較，形成驅動指令電流，驅動逆變橋，輔之于緩沖、濾波、吸收、保護等輸出模擬的所需負載電流，并將電流數據分析上傳給系統(tǒng)人機，實現(xiàn)輸出負載電流數據、波形、頻譜的顯示。

負載模擬時的有功經直流母線傳遞給能量回饋調節(jié)單元，由其DSP 調節(jié)控制，經直流交流變換，輔之于緩沖、濾波、吸收、保護，除自身的很少有功損耗外，絕大部分有功無污染又饋入電網，實現(xiàn)節(jié)能，同時將單元數據上傳系統(tǒng)人機監(jiān)控顯示。具體流程圖如圖2所示。

圖2 雙DSP 程序流程圖

3.3 人機界面程序設計

上位人機界面經485 通信與兩單元的DSP 控制器相連，主要實現(xiàn)裝置有功、無功、諧波編程和監(jiān)控。上位人機編程數據格式界面是基于友好的相位幅值相位的極坐標格式，上位人機界面后臺自動完成數據計算坐標格式的轉換，如A 相以模Ran與相角αAn設定，轉換為直角坐標系的Ixan、Iyan；B 相以模Rbn與相角αBn設定，轉換為直角坐標系的Ixbn、Iybn；C 相以模Rcn與相角αCn設定，轉換為直角坐標系的Ixcn、Iycn。并將數據進行歸一化約束處理、保存下發(fā)給負載模擬發(fā)生單元DSP 控制器，同時將DSP 控制器回傳的輸出電流波形數據和含量分析，進行時域轉換，完成輸出電流的波形和各次數據柱狀圖顯示，實現(xiàn)各次諧波含量的微調。具體程序流程圖如圖3所示。

3.4 數據轉換處理的實現(xiàn)

上位人機界面主機便于用戶編程的上手，預存了一些預先仿真的典型負載類型數據，可直接調用或作為編程模板，經數據轉換處理與DSP 交互。

人機編程界面基于便于理解的幅值相位的極坐標格式，數據 FFT 表達式：f(t)=a0+(a1cosωt+b1sinωt)+…+(a1cos51ωt+b1sin51ωt)。負載模擬發(fā)生單元DSP 需要等效直角坐標格式的數據，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。

圖3 人機界面程序流程圖

為實現(xiàn)雙方的數據交互，進行如下處理約定：A 相以模Ran與相角αAn設定，轉換為直角坐標系的Ixan、Iyan；B 相以模Rbn與相角αBn設定，轉換為直角坐標系的Ixbn、Iybn；C 相以模Rcn與相角αCn設定，轉換為直角坐標系的Ixcn、Iycn；等效轉換計算實現(xiàn)如圖4所示，各相電流的基波與諧波，以直角坐標系IxIy為參考，在諧波參數編程設定中，諧波相角以Ua為基準；基波設定以本相電壓為基準，編程中設定模及功率因數cosφ。

圖4 坐標轉換基準約定圖

通過以下計算公式由上位人機界面計算功能實現(xiàn)極坐標與直角坐標轉換。

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)。

基波的編程計算實現(xiàn):編程界面中的幅值相位及功率因數均以對應相電壓為基準，用戶修改時可以修改功率因數及感性/容性選擇；也可以直接輸入相角，相角與cosφ感性和容性聯(lián)動；參數確認后自動修改計算并關聯(lián)到諧波編程界面。

諧波的編程計算實現(xiàn)：

諧波編程界面相位均以Ua相位作為0 度基準，基波僅顯示不能修改，其數據來自于基波編程界面所編程的關聯(lián)，數據按上述公式經極坐標與直角坐標轉換表轉換計算關聯(lián)而得。

編程電流波形數據的歸一化約束計算實現(xiàn)：

目的是保證編程各次電流設定值在設備額定值以下，并限制輸出高次諧波電流值，進行自動約束編程電流波形數據不大于裝置的最大輸出電流的計算。設裝置的每相額定輸出電流為Ie，總電流最大為3Ie；各次諧波數據幅值在編程時最大值限制值為Hn，Hn=3Ie/n，小于Ie；全部設定完成后，計算各相Irms（Irms=各次諧波幅值的均方根）并取最大值，與Ie比較，設K=Irms/Ie，K大于1 后，將Hn/K重新計算各次諧波值為當前編程的正常數值。

上位人機為顯示DSP 控制器回傳的波形數據和

編程后的數據進行的時域轉換計算實現(xiàn)：

以A 相為例，設A 相電流直流幅值=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次諧波的幅值=Ran，相角=αAn；

按基波周期（50Hz 為20ms）分為k=360 點，點的序號j=0～359；時域每個點的值為Aj；

用下列公式計算電流到 51 次：Aj=Ra0+

4 樣機測試結果

為驗證所設計的裝置性能及實用性，將裝置接于電氣系統(tǒng)模擬輸出各種現(xiàn)實用中存在的負載，采用美國FLUKE435 電能質量測試儀和示波器對裝置模擬輸出的波形和數據進行了對照測試分析。

裝置模擬三相對稱阻性、感性、容性負載，及負載組合，輸出正弦波電流，電流控制精度達3%以下，輸出正弦波大小電流效果，如圖5所示。

裝置模擬的三相三線和三相四線整流器負載符合現(xiàn)實中負載的波形，諧波含量分布，效果如圖6所示。

模擬三相發(fā)電機，用于測試APF 及SVG 在發(fā)電狀態(tài)下的工作能力，效果如圖7所示。

模擬阻性不平衡負載，用于測試設備單相、三相不平衡帶載能力，效果如圖8所示。

圖5 模擬輸出正弦波電流效果圖

圖6 模擬的整流器負載效果圖

圖7 模擬發(fā)電機輸出效果圖

圖8 模擬不平衡有功負載輸出效果圖

可編程，應用靈活，能模擬任意混合型電流波形輸出，效果如圖9所示。

模擬負載連續(xù)階躍輸出，方便測試試品的響應 速度，效果如圖10所示。

圖9 自編程模擬輸出混合波形效果圖

圖10

從實驗結果可以看出，本方案設計的能饋負載裝置具有模擬多種負載、輸出連續(xù)可調、響應快、精度高、節(jié)能的特點。裝置模擬有功負載可以替代阻性負載滿足各種電源類產品如穩(wěn)壓電源、UPS、消防應急電源、直流電源、充電器、發(fā)電機等的老化與試驗；模擬純容感性無功、純諧波、基于有功或無功基波的諧波滿足有源電力濾波器及無功補償設備的檢驗、測試、老化等；同時將有功無污染的回饋電網，具有有功不平衡、無功、諧波次數、幅值、相位等可調節(jié)的編程特性。裝置的功能可靠、靈活、實用、高效節(jié)能達到了國內領先的水平。

5 結論

本文立足于國內外電子負載的現(xiàn)狀，基于人機界面，模擬、回饋雙平臺模塊架構，設計了一種適用于電能質量、電力產品等試驗、測試的新型的能量回饋式可編程電子能饋負載裝置。在實際應用中，可將裝置與試品串聯(lián)或并聯(lián)使用，實現(xiàn)有功、無功、諧波的模擬。經測試，本文所設計的裝置使用靈活，使用電壓范圍寬廣?？苫诙鄠€單元對并聯(lián)擴展成較大容量，接收上位主機的監(jiān)控，既能實現(xiàn)容量的擴展，又能滿足試品對負載的精度要求，實現(xiàn)多級試驗。經變壓器耦合能滿足高電壓電網電能質量產品的測試，同時節(jié)約有功，減少電網容量占用。本問所設計的裝置較國內大部分產品在功能模擬上更為完善，精度較高，有著很高的性價比和廣泛應用前景。

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[4] 山東華天電氣有限公司實用新型專利.一種能量回饋式可編程電子能饋負載裝置.專利號 ZL2014 2 0492846.7.