电能质量综合实验平台的设计与应用

许少伦， 孙 佳， 徐青菁， 姜建民， 兰天翼， 张晓斌

(上海交通大学 电气信息与电气工程学院, 上海 200240)



电能质量综合实验平台的设计与应用

许少伦， 孙 佳， 徐青菁， 姜建民， 兰天翼， 张晓斌

(上海交通大学 电气信息与电气工程学院, 上海 200240)

近年来，风电、光伏发电等大量分布式电源逐步接入电网，与此同时，用户用电需求也在大大提升，电力系统的这些变化都对电网电能质量提出了更高的要求。针对在校的本科生和研究生搭建一个电能质量综合实验平台，并基于该平台开展相应的实践教学课程，能使学生的能力和智能电网的发展趋势更紧密的结合。首先介绍了电能质量实验平台的基本结构和工作原理，然后着重阐述了平台的各项功能及具体实现过程，最后结合基于该平台可开展的各类实践内容，介绍了电能质量综合实验平台在本科生与研究生实验教学中的具体应用。

电气参数测量； 谐波治理； 无功补偿； 电能质量； 实验教学

0 引 言

随着电气与电力电子技术的不断发展，接入电网的负荷不仅在数量上飞速提升，而且在种类与功能上也不断的多样化、复杂化。这些变化在对电网承载能力提出巨大挑战的同时，也对电能质量有了更高的要求。电能质量主要包括电压偏差、频率偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、谐波污染、瞬态和暂态过电压等方面。其中，谐波污染主要是由非线性负载产生。当大量的非线性负载接入电网后，如：具有整流、逆变等功能的电力电子设备、变压器、电弧焊机、电弧炉等，它们能够将基波畸变，而畸变的波形中则含有大量的谐波，通常是奇次谐波，这些谐波在回馈到电网中就会污染整个系统[1]。谐波的主要危害有：① 增加了电网中发生谐振的可能，进而造成很高的过电流或过电压，引发事故。② 增加附加损耗，降低发电、输电及用电设备的效率和设备利用率。③ 使旋转电机、电容器、变压器等电气设备运行不正常，加速绝缘老化，从而缩短其使用寿命。④ 使继电保护、自动装置、计算机系统，以及许多用电设备运转不正常或者不能正常动作或操作。⑤ 使测量和计量仪器、仪表不能正常动作或者计量。⑥ 干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至破坏通信设备[2]。

本系统以施耐德电气赠送的APF、变频器、PLC、HMI、PM850等主体设备为基础，进一步扩展，搭建一个综合的电气测量和电能质量分析平台。该平台能够模拟配电网谐波源，通过补偿装置对电网谐波进行治理，并以此为核心，利用该平台开展相关实践教学及研究。

1 实验平台设计与系统结构

本实验平台设计为3个开关柜，分别为主控柜、有源功率滤波器(Active Power Filter，APF)及无功补偿柜、负载柜。

1.1 主控柜

主控部分是整个实验平台的控制中心，主控柜采用施耐德电气的HMI、PLC及监控主机、NI Labview数据采集卡等实现对整个系统的就地采集控制和远程控制。系统设计有2套测量端子，用于获取一次系统各个关键节点的电流、电压信息。其中1套供数据采集卡用，在Labview中可以进行显示处理；另1套供各个电力参数仪表PM850、电流表和电压表用，其数据可以通过通信总线传输至触摸屏进行显示处理。

在电气参数测量的基础上，可以利用Labview设计不同的算法对这些传输至数据采集卡的数据进行分析处理，进而生成控制APF和晶闸管开关电容(Thyristor Switched Capacitor， TSC)的指令，并发送给PLC。PLC接收到指令后会通过总线下发动作命令，从而实现不同场景下的谐波抑制和无功补偿等功能。

1.2 APF及无功补偿柜

APF及无功补偿柜采用施耐德电气的有源电力滤波器和EPCOS 的TSC组以及功率因数补偿器实现对配电线路当中的三大类非线性负荷进行动态无功补偿与谐波治理。

1.2.1 有源电力滤波器

在电力系统中，可能存在各种各样的非线性负载，这些非线性负载的电压与电流之间的关系是非线性的，这直接导致了电流中谐波成分的出现。有源电力滤波器通过动态补偿的方法向电网中注入反向谐波，从而对幅值和频率都变化的谐波进行补偿。其工作的基本思想如图2所示。

现代有源电力滤波器系统一般由以下几个部分组成：指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路。指令电流运算电路的核心是谐波检测，给出补偿电流的指令值；而其他三个部分组成的补偿电流发生电路则补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用PWM变流器[3]。

图2 APF工作示意图

检测、控制电路是APF的关键部分，它会对电网负载中的谐波电压和电流进行实时检测，得到相对应的补偿控制指令，进而来控制PWM逆变器产生相对应的补偿电压或者补偿电流。因此，如何才能迅速、准确地把供电系统中谐波电压、谐波电流以及无功成分检测出来，进行实时的动态补偿是很关键的问题。产生补偿指令的算法可分为频域法和时域法两种，本实验采用的是时域法[4]。

有源电力滤波器与无源滤波器等设备配合使用也是一种十分有效的滤波方法，如果配合得当可以获得更佳的效果[5]。在本实验中，为了简化电路结构，便于同学们理解，我们采用了单APF滤波方式。后期的进阶课程可以考虑将APF与其他设备配合起来使用。

1.2.2 无功补偿

该部分主要包括TSC。与机械投切电容器相比，晶闸管的开、关无触点，其操作寿命长，投切时刻可以精确控制。TSC 能快速跟踪冲击负荷的突变 , 随时保持最佳馈电功率因数，实现动态无功补偿，减小电压波动，提高电能质量，节约电能。

TSC系统是一个对供电网络波动无功进行动态补偿的相对独立系统，其应用形式有很大的灵活性[6-7]。其工作原理如图3所示。

通过控制晶闸管的通断来调节接入电网的电容器的个数，对电网中的无功功率进行有级调节。对于剩下的无功，可以通过APF进行补偿。这种APF+TSC的调节方式可以有效减小APF的容量，节约成本[8-9]。

图3 TSC的工作原理图

1.3 负载柜

负载柜包括电阻调压电路、变频控制、感性负荷三部分。采用三相调压整机实现电阻调压，采用施耐德电气的变频器控制发电机组，同时采用感性负荷来模拟多类型的负荷。其中电阻调压和变频器之间互锁，实现电机的两种方式的控制。利用调节接入电阻、电抗的数值和通过变频器改变电动机的转速，可以改变平台电路中的电流谐波含量、无功分布等，实现对电网中谐波、无功情况的模拟。

1.4 监控系统架构

主要由上位机中的Vijeo Citect来实现对PLC、PM850、APF、ATV71等设备的监控。可以在Vijeo Citect中组态监控界面来实现各节点电压、电流、功率等电气量参数的显示、PLC、APF以及ATV71 的远程控制。

2 实验平台功能及实现

该电能质量综合实验平台包含6大部分：Labview数据采集部分，PLC主控部分、无功补偿及有源滤波部分、电机变频控制部分、电阻调压部分、感性负荷部分，功能强大，可为电气工程专业的本科教学和研究生科研服务，具有较好的应用研究意义。具体实现如下：

(1) 电气参数测量(电压、电流、频率、功率因数、谐波、闪变、三相不平衡等)。

(2) 谐波模拟及抑制(对典型谐波源进行模拟，并采集相应的数据进行分析处理，然后采取措施抑制谐波。采用了有源电力滤波器、晶闸管投切电容器(串7%或14%电抗器)的组合方法进行谐波抑制和动态无功补偿)。

(3) 电机控制(电机的变频控制及分析)。

(4) PLC集成控制(采用Modbus协议、以太网协议进行变频器、APF、调压器等现场设备的控制以及和监控主机的远程控制)。

(5) 系统组态控制(采用VijeoCitect进行上位机监控组态)。

(6) PLC和Labview的通信控制。

下面以其中2个主要功能为例阐述其实现步骤。

2.1 电气参数测量

(1) 方案一。从系统中各个节点采集下来的电气量可以通过数据采集卡，集中汇总到上位机中，用户能够使用Labview软件对数据进行处理和分析。如图4所示。

图4 电气参数采集界面

(2) 方案二。通过电力参数仪表PM850或者开关柜面板上的电流表、电压表可以观察各个节点的电气量。同时，可通过Modbus总线将PM850中的关键数据传输至人机界面，可方便地在相应监视界面上看到全系统各部分的实时数据及状态，使用户对系统状况有更为直观的了解。除此之外，如果在上位机中用组态软件编写好了相应控制界面，也可以代替触摸屏，在电脑上完成所有的操作，并达到同样的效果。

2.2 谐波模拟及抑制

本平台以三相四线制有缘电力滤波器(APF)和晶闸管投切电容器组(TSC)为基础，实现了对电网谐波和无功的双重补偿。谐波抑制主要由APF来完成。TSC承担补偿大部分的无功负荷，由于以往的电容器组补无功具有一定梯度，存在多投过补与少投欠补的问题；APF负责对两级梯度间的小部分无功进行动态补偿，实现了对无功的无级补偿，精确性得到极大改善。相比普通的电容器组，通过晶闸管投切使得控制性能优化，在装置发生故障或产生谐振时能够迅速将电容器组投退，响应速度快，可靠性高，同时籍由在电容器组上面串接电抗器的方式能够将装置的谐振频率设置为电网较大谐波分量频率的非整数倍，避免引起电网与装置的谐振，抑制电容器组投切时的涌流以及系统谐波放大现象[10-11]。它较传统的单纯TSC补偿更精确，较单一的APF 补偿更经济安全，完全符合国家所倡导的“节能增效，绿色发展”的理念。

利用Labview中设计相应的谐波抑制和无功补偿的算法，根据数据分析结果得到所应该采取的补偿措施并发送给PLC，PLC在得到用户指令之后，根据已有的补偿方案对谐波进行抑制，提高功率因数。

3 平台在实践教学中的应用

电能质量综合实验平台功能丰富，可为电气工程专业的同学开展以下实践课程。

3.1 配电系统模拟实验

通过几个典型的开关柜来模拟配电系统，使学生对配电系统的结构与功能有更加直观深入的认识。

(1) 通过查看系统的一次系统接线图、二次系统电路图，学习认识配电系统的体系结构；

(2) 负载切换操作。按照正确的顺序依次打开、关闭各部分的开关，通过开关柜表面的电力参数表来观察不同负载下电压、电流情况，并进行分析。

3.2 电气参数测量实验

通过在更贴近实际情况的高电压、大电流的实验平台上进行电气参数的测量，使学生能够更好地掌握电气测量的技术和方法。

(1) 熟悉并掌握电气参数的转换方法，并在此基础上进一步学习电气参数的测量方法。

(2) 熟悉并掌握Labview软件，搭建基于LabVIEW的电气量测量的硬件平台，依次进行数据采集、频率测量、有效值测量、三相不平衡度测量、功率测量、谐波测量、闪变测量、数据存储等模块的搭建，并根据需要进行测试。

3.3 电网谐波源模拟实验

通过模拟非线性负载，产生不同种类的谐波，并进行治理，加强学生对谐波的原理及抑制的学习。

(1) 分别投入电阻、电动机、电抗器等负载，通过观察相应的电压、电流波形，了解不同负载产生的谐波情况。

(2) 分别在不同的负载情况下投入APF，观察其对谐波电流的抑制作用。

(3) 分别在不同的负载情况下同时投入APF和TSC，观察其无功的补偿的功能。

3.4 集成控制实验

整个实验平台的控制部分以施耐德电气的Premium PLC为核心，在该平台上开展基于PLC的集成控制实验，可大大增强学生对电气控制系统的认识。

(1) 基于PLC和HMI的开关控制。在PLC上编写开关控制程序，在HMI 上编写控制界面，并通过总线实现在HMI上控制各个开关的投切。

(2) 异步电动机变频调速系统的PLC控制。在PLC上编写程序，通过总线对变频器进行远程控制，从而实现异步电动机的调速控制[12～15]。

4 结 语

电能质量实验平台通过PLC控制、利用APF、TSC进行谐波治理和无功补偿，将PLC强大的逻辑功能与Labview的分析处理能力相结合，功能丰富，具有系统结构清晰、层次分明、处理能力强、系统集成性高等特点。该平台融合了工业现场的设备，能与实际工程紧密结合。同时，该平台采用当今比较新颖的APF与TSC配合补偿无功的处理思路，是一种较新的试验方法，综合体现了该平台的先进性和创新性。

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Design and Application of Power Quality Comprehensive Experimental Platform

XUShao-lun,SUNJia,XUQing-jing,JIANGJian-min,LANTian-yi,ZHANGXiao-bin

(School of Electronic Information and electrical engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

With wind power, photovoltaic power generation and other large distributed power connected to the grid, and the increasing of the user demand for electricity, higher requirements will be put forward for power quality. Building power quality comprehensive experimental platform can make students' studying connect with the development trend of smart grid. Firstly, this paper presented the structure and working principle of power quality experimental platform. Besides, it explained the function and implementation of the platform in detail. Finally, it introduced the application in experimental teaching combining the experimental content based on the platform.

electrical parameter measurement; harmonic control; reactive power compensation; power quality; experimental teaching

2015-01-24

上海交通大学特色实验项目

许少伦(1978-)，男，山东临沂人，工程师，实验中心主任，主要研究方向:电力系统自动化、SCADA系统技术。

Tel.:021-34205720; E-mail:slxu@sjtu.edu.cn

TM 93

A

1006-7167(2015)08-0073-04