高压级联变频器输出电流有效值检测方法.pdf

第 3 5卷 第 3期 2 0 1 3年 3月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 3 5 No 3 Ma r 2 01 3 高压级联变频器输 出电流有效值检测方法 丁明进 ， 孙功伟 ， 余志飞 ， 张颖 ， 穆天柱 ( 1 国电南京 自动化股份有限公司， 江苏 南京2 1 0 0 0 0 ； 2 广东电网公司佛山供电局， 广东 佛山5 1 0 0 0 0 ) 摘要： 通用型高压级联变频器由于结构上的优势， 近年来已成为节约能源的关键设备， 而变频器输出电流作为过载保 护、 过流保护以及 V F控制补偿的关键变量 ， 实时精确测量其有效值是极为必要的。采用 1 6周波快速真有效值法求 出电流信号有效值， 通过拟合得出变频器实际输出电流。这种算法属于真有效值算法范畴， 适合测试含有谐波的电流信 号， 而且可避免其他方法所需的多次均值滤波， 减少了运算时间。通过使用此算法， 变频控制系统为过载保护提供了更 精确的参考， 降低了系统误动作率， 使得设备可以设置更精确的安全裕量， 保证设备的安全运行。 关键词： 通用型变频器； 真有效值 ； 均值滤波； 过载保护 中图分类号 ： T M 9 2 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 41 9 5 1 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 3 2 0 3 0 引言 通用型高压级联变频器的输出电流在保护和控 制上具有重要作用。交流信号有效值计算常用真有 效值法 、 瞬时绝对值求 有效值法和瞬时无功功率理 论求有效值法。但变频器输出电流频率经常变动， 而且有效值求取运算不应有太大的硬件开销， 故以 上 3 种方法在此种场合使用均有一定的局限性。 本文从真有效值理论 出发 ， 比对常用 的真有效 值改进算法 ， 结合变频器输 出电流的固有特点 ， 提出 在 1 6周期内采用真有 效值算法计算有效值 ， 由于 变频器输出电流频率 已知 ， 可以利用这个特点设定 系统采样频率 ， 保证真有效值计算时的整周期特性 。 与变频器现有检测算法 比较发现， 此算法有更高 的 准确度和更好的实用性 。 l 通用型变频器 的原理 通用型变频器采用若干个低压脉冲宽度调制 ( P WM) 变频功率单元 串联的方式 实现直接高压输 出。该变频器对电网谐波污染小 ， 输入功率因数高 ， 不必采用输人滤波器和功率因数补偿装置 。输 出的 波形好 ， 不存在 由谐波引起的电动机附加发热和转 矩脉动、 噪声 、 输 出 d v d t 、 共模电压等问题 。由于风 机、 水泵类机械负载在调速时并不需要很高的动态 性能， 所有可以使用这类异步电动机的稳态模型来 设计其控制策略， 这就为通用型变频器提供了广泛 的空间。 5级通用型高压 级联变 频器 拓扑 图如 图 1所 示 ， 供 电电压等级为 6 k V， 电网通过隔离变压器给功 收稿 日期 ： 2 0 1 21 0 2 6 率单元供 电， 每个功率单元通过三相不控整流、 储能 环节 、 单相桥逆变输 出 6 9 0 V等级 电压 ， 串联完成后 向电动机供 3 4 5 0 V相电压 ， 对于 Y形接线方式 ， 在 运行频率为 5 0 Hz 时向电动机提供 6 k V电压 ， 所 以， 输 出侧可以不经过变压器而直接 向电动机输出。由 于特有的多脉波整流结构 ， 对于 5级级联变频器来 说 ， 可以消除 2 9次 以下输入电流谐波 ， 所以 ， 输入侧 对电网的谐波污染很小。通用型变频器使用的载波 移相正弦脉冲宽度调制 ( S P WM) 技术 ， 可以在较低 的开关频率下实现很 高的等效频率 ， 这样就可 以保 证变频系统输出波形的质量。 2 现有算法说明 高压变频器输 出电流为三相交流范畴， 三相交 流信号有效值求取常用的方法有瞬时求取 、 真有效 求取和瞬时无功求取 3种， 这里主要对瞬时求取和 真有效值求取进行说明。 2 1 瞬时求取 对于变频调速系统来说 ， 带异步电动机负载 良 好运行时， 其输出三相电流可近似为对称系统 ， 这样 三相 电流分量可定义为 i A=I m s i n ( t o t + ) B=I m s i n ( t o t+ 一1 2 0 。 ) ， ( 1 ) i c=I m s i n ( t O t + +1 2 0 。 ) 式中： ， 为相电流幅值。 参考文献 1 根据这个特性， 认为有效值可以 通过在 A相过零点时刻通过一次采样得到的三相 瞬时值计算得到 ， 具体见式 ( 2 ) I m =i , , 2= f F ( t ) f , 3， ( 2 ) 式中： ， 为有效值； 为采样时刻最大值 ， 也就是幅 第3 期 丁明进， 等： 高压级联变频器输出电流有效值检测方法 3 3 N 图 1 通用型 高压 级联 变频器拓扑图 值 ； F ( t ) 为 A相电流过零点 t 。 时刻三相电流实 时采样值。这个算法要求测量必须有准确的过零点 时刻， 而对于数字采样来说， 即使有很高的采样频 率 ， 也无法保证在过零点处实现采样 ， 必然会给系统 计算带来误差。 类似于此算法的特征量方法 ， 通过对相 电流信 号按一定周期取得 3个采样值 ， 经式 ( 3 ) 计 算后得 出信号的幅值， 也就可以得出信号的有效值 J 。 = 4 i ( n+ ) i ( n+K)一i ( n ) i ( n+2 K 4 i ( 1 t +K)一 ( )+i ( n+2 K ) ，( 3 ) 式 中： r t ， n+K， n+ 2 K为所选定的第 ， n+K， n+2 K 个采样点 ； i 为相电流。这样就可以求 出相电流的有 效值 。 对于三相对称正弦信号 ， 上式可转换为 r 2 4 ( n ) ( n )一i ( ) i ( n ) ， 、 m 丽。 式( 4 ) 中不包含频率和相位信息， 所以， 可以在 任意时刻通过对三相电流的采样得到电流的幅值， 并进一步计算得出电流有效值。 这2种方法对频率都没有要求， 适合变频器输 出电流测量场合 ， 但这 2 种方法并不属于真有效值 范畴， 在信号中含有谐波或畸变时， 有效值计算会有 很大的误差。由于变频器输 出电流含有相当成分的 高次谐波 ， 一般的调理方法是对此部分进行滤波 ， 这 样电流有效值仅为滤波后部分 。图 2为某公司变频 器调试时输 出电流波形。 图 2 变频器输出电流波形示意图 分析某现场采集得到的数据， 得出的基波幅值 和总畸变 比率见表 1 。由表 1可 以看 出， 三相 的平 衡度还是很好的， 但电流中有相当比例的谐波畸变， 这对上述 2种方法的精确度影响较大。 表 1 三相 电流分析 先设一组含有谐波的三相电流 A=5 s i n ( w t )+s i n ( 3 w t )+s i n ( d w t ) i B=5 s i n ( a r t 一1 2 0 。 )+s i n ( 3 w t )+s i n ( 4 w t 一1 2 0 。 )。( 5 ) i c=5 s i n ( +1 2 9 。 )+s i n ( ： o t )+s i n ( d o ) t +1 2 0 。 ) 使用上述 2种 方法对式 ( 5 ) 中信 号进行 计算 ， 结果见表 2 。 表 2电流 结果分析 分析表 2中数据可 以看出 ， 这 2种方法在对含 有谐波的信 号进 行检测时都 有很大 的误差 J 。方 法 2对谐波抑制能力稍强一些 ， 如果在信号采样时 进行低通滤波 ， 则可 以提高 2个方法的准确度 ， 但信 号中的谐波在有效值计算时无法体现， 一定程度上 影响输出过载和输出过流计算的精确性。 2 2 真有效值算法 单相电流的有效值可以表示为 I R M s= ( 6 ) 式中： ， R 为单相电流的有效值； t 为时间； ( t ) 为交 3 4 华 电技 术 第 3 5卷 流信号； T 为信号周期。 只要确定准确的周期， 就可以测出电流信号中 包含所有信息的有效值。对式 ( 6 ) 进行离散化， 可 得到真有效值的数字形式 ， R M s = ， ( 7 ) 式中： 为每周期信号的采样次数； i ( r t ) 为第-t 个采 样时刻的采样值 。 所以， 只要确定了信号的周期， 就可以计算出信 号的真有效值。但周期的确定是一个难点 ， 也是有 效值检测研究的重点。常用的方法是借助外部电路 获得信号的周期， 然后根据这个周期设置采样频率 并计算得到信号有效值 】 。参考文献 5 通过对真 有效值算法的改进， 得出与采样周期无关的计算方 法 ， 见式 ( 8 ) 。 I R M S ( i2 ( 1 ) d + i2 ( n ) ) ， ( 8 ) 式中： N =N一1 ； d 为第 1 次信号由正变负的时间 间隔与采样周期的比值 ； d 为第 2次信号由正变负 的时间间隔与采样周期 的比值。这样 ， 只要通过采 样近似得到 2次 由正变负 的时间间隔， 并对这 2次 时间间隔中的数据进行采集， 即可得出信号的有效 值。这 2 种方法都需要整个周期的延时才能得到 信号的有效值， 能否通过更少的延时得到信号有效 值 ， 是本文提出快速真有效值理论 的出发点 。 3 快速真有效值理论 3 1 1 3周期快速真有效值理论 回到式( 1 ) 中的假设， 如果信号中含有 3次谐 波， 为计算方便， 这里设定 A相为初相位， 消掉式中 的相位 D 可得 i A=I m s i n ( t o t )+1 3 s i n ( 3 to t ) i B=I m s i n ( to t 一1 2 0 。 )+1 3 s i n ( 3 to t )， ( 9 ) i c=I m s i n ( t o t+1 2 0 。 )+I s s i n ( 3 to t ) 式中： 1 3 为三次谐波幅值， 则 ， R M s=， A R M s=， B R M s=， c R M s ， ( 1 0 ) 其 中， ， M ， ， M 。 ， ， c 为 A， B ， c相 电流的有效值 。 设三相电流 ， ， ， ， ， 信号一周期内采样点数为 ， 在 1 3周期内求取这 3 个信号的平方和， 可得 N 3 ， A L， 3 ：( 1 m s i m ( to t ) + I 3 s i n ( 3 to t ) ) l N 3 3= ( I m s i m ( to t + 1 2 o 。 ) + l a s i n ( 3 to t ) ) 。 ( 1 1 ) ， 3 ： ( I m s i m ( 一 1 2 0 。 ) + 1 3 s i n ( 3 to t ) ) 1 如将 B ， C相电流在 1 3周期内的平方和如式 ( 1 0 ) 中形 式表 不 ， 则 司以推 出 ， A 2 3 = ， c l 3 。 ( 1 2 ) ， A 3 3 ： ， B I 3 将式( 1 2 ) 代人式( 7 ) 可得 一 R M S _ ， A R M s 亩 ( ， A l3 “A 2 ， “ ) = 一 亩 ( ， A I3 + I s + ) 。( 1 3 ) 通过式 ( 1 3 ) 可 以在 1 3周期 内完成信号 的真 有效值计算。对于 5 0 H z 的信号， 在 6 6 7 m s 的时延 后就可以计算得 出信号的真有效值 。 含有谐波的对称三相电流信号见式( 1 4 ) i A=1 s i n n ( to t ) n=1 i = s i n n ( to t 一 1 2 0 。 ) 。 ( 1 4 ) r t =1 i c=， s i n n ( to t +1 2 0 。 ) 可 以推 出式 ( 1 4 )中的三 相信 号依 然 满足 式 ( 1 3 ) 。 3 2 1 6周期快速真有效值理论 对于单相正弦信号， 求取信号半个周期的均方 根值就可以得出信号的有效值， 而且这半个周期的 相位是没有限制的。 对于任意相位且含有整数次谐波三相输出电流 信号， 将每相位另一个同波 6 等分， 那么可将含有整 次谐波 A相电流信号的第 2个 1 6等分的平方和表 示为 N 6 + I A V 6 =( I n s i n n ( to t + 6 0 。 ) ) = N 6 + ( s i n n ( to t + l 8 o 。 一 l 2 0 。 ) ) ： ， B 4 6 。 ( 1 5 ) 由于已经设定电流信号 为奇 函数 ， 所以 B相 电 流信号以 =1 2 0 。 奇对称。由此可以推出 N 6 -1 + c a = ( ,s i n m ( w t + 1 8 0 。 一 1 2 0 。 ) ) = I 7 6 + ( l s i n m ( w t 一 1 2 0 。 ) ) = ， B l 6 ， ， A 2 6=， B 4 6=， B 1 6 。 ( 1 6 ) ， 。 由第 1 个 1 6周期去除第 1 个采样点， 并 加上第 2 个 1 6周期的第 1 个采样值的平方和计算 得出。 ， A 3 6 = ， c 1 6 ， 一 l z 、I 七 I = ( 下转第 4 2页) 4 2 华 电技 术 第 3 5卷 2 种通信方式共用 1套太阳能板和蓄电池供电电 源 ， 试运行期间流域 出现 了 日照历史 同期最少 的极 值年 ， 王村 口站 曾出现电压低的现象 ， 现已为该站增 加了 1 组蓄电池及相应的太 阳能充 电板 ， 但仍需对 系统供电方式作必要的跟踪， 以保证系统畅通。为 了进一步提高系统的可靠性， 建议遥测站2套通信 系统 的电源及传感器完全独立配置。 6 2 湖南镇、 黄坛口梯级水 电站 3个尾水断面增加 超短波通信 系统 湖南镇 、 黄坛 口梯级水 电站共有 3个尾水面 ， 由 于湖 、 黄梯级水电站 为浙江电 网的主要调峰调频 电 厂 ， 开 、 停机相当频繁， 尾水位变动十分剧烈 ， 因此短 信发送次数较多， 每站每日发送次数可达 2 2 0次以 上， 站点短信费用每月可达 5 0 0 8 0 0元， 运行成本 较高。建议增加超短波通信方式， 降低短信发送标 准， 将短信方式设为备用。 6 3 超短波系统与短信 系统的 自动切换 目前 ， 超短波系统与短信系统的切换方式为手 动切换 ， 运行方式 以超短波方式为主， 超短波通信每 6 h 定时来报 1 次。建议在短信系统运行成熟后， 如 遥测站超短波 6 0 h以上无来数 ， 即 自动将该测站 切换至短信系统为 主用 ， 以保持水情监测数据的连 续性。 7 结束语 乌溪江水情 自动测报系统在运行过程 中根据实 际需要不断进行改进和完善， 增加测站点、 增加通信 通道 ， 提高了系统 的畅通率和可用度， 及时准确地为 防汛和发电调度提供了科学 的依据 ， 充分发挥 了湖 南镇 、 黄坛 口梯级水库的防汛抗旱作用 ， 使水库管理 人员能够充分 、 合理利用水利资源科学调度水库 ， 取 得 了良好的经济效益和社会效益。 参考文献 ： 1 S L 2 5 0 -2 0 0 0 ， 水文情报预报规范 S ( 本文责编 ： 刘芳) 作者简介 ： 王淑香( 1 9 7 O 一) ， 女， 江西抚州人， 工程师， 从事水库调 度方面的工作( E - ma i l ： h y y w s x 4 s i n a c o rn) 。 ) o0 o o0 -0oo ( 上接第 3 4页) 厂 一 ( ， A + ， + ， ) 。 ( 1 7 ) 由式 ( 1 7 ) 可以看 出， 在 1 6周期加 1 个 采样 间 隔的时间即可计算出三相电流信号的真有效值。 4 算法实现 本文搭建以 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5为核心的变频控制 系统 ， 信号的采样通过 MA X 1 2 5实现 。由于变频器 输出电流频率是已知的， 所以通过变频器输出频率， 确定 MA X1 2 5的采样频率 。由于一般考虑 5 0次 以下谐波 ， 采样频率设定在 l O O f就总够 了。在需要 采样时启动 MA X1 2 5进行同步采样 ， 完成 1 6周期 采样并计算 出实时有效值 。在对特定功率变频器进 行信号采样时， 可以采特定的电流值， 使用拟合得出 的曲线计算实际电流值 。 5 结论 本文提出的算法与传统真有效值算法相比， 节 省了5 6的时间。当变频器工作于 2 0 H z时， 在 8 3 4 m s 的延时后即可计算出输出电流的有效值 ； 当 变频器工作于3 O H z 时， 在5 5 6 m s 的延时后即可计 算出输出电流的有效值； 当变频器在5 O H z 运行时， 这个延时降低到 3 3 4 m s 。对 于长期 运行在 2 0 H z 以上的通用型高压变频器 ， 8 3 4 ms 的延时完全满足 输 出电流显示 、 输 出功率计算 以及过载保护 的实 时 要求。同时， 由于本文算法属于真有效值范畴， 当信 号满足三相平衡时， 可以保证有效值测量的精确程 度 ， 而且此算