《电子技术应用》
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基于谐波分离的电流信号频率检测装置设计
2019年电子技术应用第6期
韩雪龙1,侯银银2,顾能华1,韩双霞1
1.衢州学院 电气与信息工程学院,浙江 衢州324000;2.国网浙江省电力有限公司衢州供电公司,浙江 衢州324000
摘要: 电流、电压频率检测在并网控制过程中起着重要作用,大的检测误差会引起锁相、谐波补偿、无功补偿等控制算法的失败。基于此,以谐波分离为例,推导出多通道二阶广义积分器(Second-Order Generalized Integrator,SOGI)并联运行情况下幅值衰减随频率检测误差的变化情况,详细介绍了频率检测误差给各次谐波分离带来的影响。设计了一种中低频高精度的电流信号频率检测装置,硬件包括控制器外围电路、采样电路、传感器电路、电压跟随器电路、电压偏置电路等,软件包括采样程序、频率检测程序、误差矫正等。仿真结果验证了频率误差理论分析的正确性,电流频率检测实验结果验证了该设计方案的可行性以及该装置的高精度特性。
中图分类号: TP212
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190138
中文引用格式: 韩雪龙,侯银银,顾能华,等. 基于谐波分离的电流信号频率检测装置设计[J].电子技术应用,2019,45(6):80-83,88.
英文引用格式: Han Xuelong,Hou Yinyin,Gu Nenghua,et al. Design of current signal frequency detecting device based on harmonic separation[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(6):80-83,88.
Design of current signal frequency detecting device based on harmonic separation
Han Xuelong1,Hou Yinyin2,Gu Nenghua1,Han Shuangxia1
1.School of of Electrical and Information Engineering,Quzhou University,Quzhou 324000,China; 2.Zhejiang Quzhou Power Supply Company,State Grid,Quzhou 324000,China
Abstract: The frequency detection of current and voltage plays a very important role in the grid-connected control strategy. Large detection errors can cause failure of control algorithms such as phase lock, harmonic compensation and reactive power compensation. Based on this, taking the harmonic separation as an example, the variation of amplitude attenuation with frequency detection error is derived under the condition of multi-channel, second-order generalized integrator(SOGI), parallel operation. The effects of frequency detection error on the separation of harmonics are introduced in detail. To reduce the frequency error, a medium and low frequency high precision current signal frequency detecting device is designed, which is divided into two parts: hardware circuit and software design. The hardware includes controller peripheral circuit, sampling circuit, sensor circuit, voltage follower circuit, voltage bias circuit and so on. The software part mainly includes sampling program, frequency detection program and error correction program. Finally, the simulation results verified the correctness of the theoretical analysis of the frequency detection error. The experimental results of current frequency detection verified the feasibility of the design and the high precision of the device.
Key words : frequency detection;grid-connected control strategy;detection error;harmonic separation;high precision detection of medium and low frequency

0 引言

    电流信号检测在电机控制器、变频器、DC/DC变换器、电源、过程控制和电池管理系统等各种检测领域应用广泛,涉及传统工业、新能源发电、医疗设备和自动化等各个领域[1]。例如,在并网发电领域,精准的电流信号检测可以大大提高并网电流质量,有效降低新能源发电对电网的谐波污染[2],确保电网运行状态分析的准确性[3];在电机控制领域中,电流大小以及频率的准确性在很大程度上决定电机转速的精准度。文献[4]分析了电流采样误差对推挽变换器的影响,文献[5]指出电流采样误差对永磁同步电机控制具有较大影响,文献[6]详细分析了频率偏差给电表功率测量带来的影响,文献[7-8]指出了电流信号检测在有源电力滤波器中的重要作用,文献[9]设计了一种高压电源以及小电流检测电路。

    高精度电流检测装置至关重要,可以提供电流信号的频率以及幅值等信息,为实现过程控制的高精度发展提供重要的信号源支撑[10-12]。本文详细分析了并网变换器控制过程中,频率检测误差给基于二阶广义积分器的各次谐波正负序分离带来的影响,并设计了一个新的电流信号频率检测装置。复杂的电路电子元器会使得电路适应能力和抗干扰能力变差[13],所以该检测装置尽可能简化硬件电路,提高其检测精度与稳定性。

1 频率检测对光伏发电系统的影响分析

    在并网发电领域,频率在整个并网环节起着极其重要的作用[14]。本文以并网发电控制领域中用到的二阶广义积分器(SOGI)[15]谐波检测滤除为例,分析频率在并网过程中的重要影响。在电压不平衡或者畸变情况下,并网控制经常涉及正负序分离,而正负序的分离需要正交信号发生器,其实现原理框图如图1所示。根据图1可得,二阶广义积分器传递函数如式(1)所示,n为谐波次数。

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    根据图1可以得:

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其中,v′为二阶广义积分器对信号v的跟踪,qv′为v′的正交信号,ω0为基波频率,k为该谐振频率对应的增益,εv为误差量。根据文献[16],得出多个不同频率SOGI并联运行的交叉反馈网络方法,如图2所示。

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    根据式(2)、式(3)可得,第i次谐波通道SOGI-i以及其正交信号的传递函数表达式Ai(s)、Bi(s)如式(4)、式(5)所示。以5次谐波通道为例,画出频率检测误差与该通道增益波特图。通过图3可以看出,当检测得到频率为250 Hz时,Ai(s)、Bi(s)的幅值增益均不变,Ai(s)的相位偏移为0°,Bi(s)的相位偏移为90°。随着检测频率偏差的增大,检测得到的幅值越来越小。这对锁相环以及谐波处理等重要的并网发电技术带来严重影响。

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其中,Ai(s)、Aj(s)分别是SOGI-QSG-i与SOGI-QSG-j的传递函数。

    以基波通道、5次谐波通道和7次谐波通道为例,画出其波特图,如图4所示。可以看出,在基波频率以及5次和7次谐波频率处,其他频率谐波在此处增益基本为0,但是随着检测频率误差的不断增大,各次谐波增益逐渐开始减小,其他次谐波含量逐渐增大。这会对并网控制带来较大威胁。频率检测误差带来的谐波检测在仿真板块给出。

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2 电流信号检测原理及系统概述

    精准的电流频率计检测可以大大提高控制精度。为此,设计了一个电流频率信号检测装置,该装置所采用的电流互感器结构图如图5所示。骨架为锰芯,根据电磁感应原理,理想状态(即无漏磁条件)下,有以下公式:

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式中,i1为原边绕组电流,i2为副边绕组电流即输出电流,n1为初级线圈匝数,n2为次级线圈匝数。

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    得到副边的电流信号经过放大电路,再经过电压提升电路、AD采样电路,最终进入处理器,经过一些列算法处理,得到信号频率。具体流程图如图6所示。

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3 硬件电路设计

    硬件电路的合理设计为信号的测量提供可靠的支撑。电流信号的传输过程越简单,衰减越小,信号的精准度也就越高。为此,本设计在不影响检测精度的前提下,尽可能简化硬件电路,在较为简单的电路条件下,精准检测信号信息。

3.1 电流互感器设计

    电流互感器为整个检测装置的基础部分,负责最原始信号的采集,互感器的制作工艺以及材料的选择都会直接影响磁通的大小,对电流信号的准确测量产生直接影响。为此,设计中采用导磁性较好的铁锰合金。互感器的制作如图7所示。

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3.2 电压跟随器电路设计

    为提高电压信号的稳定性,防止其衰减造成检测精度下降,电路中加入电压跟随器。电压跟随器的输出信号几乎与输入信号一致,并且其高输入与低输出阻抗可以有效地将前后级进行隔离,防止相互影响。本设计采用具有较高精度、稳压效果较好的LM358AD进行跟随器制作,具体原理如图8所示。

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3.3 电压偏置电路

    本设计采用STM32F407作为处理器。为实现系统低功耗,供电系统参考了文献[17-18]所提出的电源电路设计方法。由于采样模块输入电压范围是0~3 V,信号进入芯片前,需进行抬升处理。为此本设计采用了基于OPA4343的电压偏置电路,具体设计图如图9所示,该偏置电路可将-5 V~+5 V电压转化为0~3 V。

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3.4 A/D采样电路

    经过电压偏置电路后,信号抬升为正值,在采样电路中,一般设计时需要遵循低功耗、高精度的要求。为此在采样电路的设计中采样ADS8364作为A/D转换的核心,该芯片转换精度可达16 bit,信号转换频率可达250 kHz,满足高精度信号检测标准。具体电路图如图10所示。

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3.5 软件算法设计

    信号经过采样以及芯片外围电路进入控制芯片。进入芯片的信号可能是正弦信号,也可能夹杂其他频率谐波。为有效分离各次谐波以及尽可能得到信号的幅值以及频率信息,本设计的软件核心采用快速傅里叶变换(FFT)。具体程序流程图如图11所示。

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4 仿真及实验数据分析

    为验证本文提出的频率影响理论的正确性,在MATLAB/Simulink中搭建基于SOGI的滤波电路。仿真中,基波相电压有效值为220 V,加入0.1 pu的5次和7次谐波分量,基波增益k=ck3-t11-x1.gif,5次、7次谐波增益分别为ck3-t11-x1.gif/5和ck3-t11-x1.gif/7,电压为三相对称电压。谐波分离通道设定基准频率为各整数次谐波。假设检测到频率误差为2%,图12为5次谐波电压正序分量,图13为5次谐波电压负序分量。可以看出,虽然误差只有2%,但是谐波电压正序分量幅值不再恒定,负序分量不在恒为0。并且,幅值最大误差接近10%。这会引起谐波补偿精准度下降、基波电压负序分量增大、锁相精度下降等一系列问题。

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    当检测频率误差变为0.1%时,5次谐波通道电压波形如图14所示。可以明显看出电压幅值变化很小,基本处于稳定状态,满足并网控制要求。

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    为验证本检测装置的可行性与精准度,对不同频率信号进行了多组测量,负载电阻为5 Ω。为保证原始信号与测量结果对比,用信号发生器发出不同频率信号,功率放大器对信号进行放大,测量经过电阻的电流大小。具体测量结果如表1所示。测量的数据进行四舍五入,以最大误差进行计算,假设2 000 Hz测得实际结果为1 999.5 Hz,此时频率误差为0.025%。

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5 结论

    本文以电压谐波分离为例,详细讲解了基于SOGI的谐波电压分离原理,并分析了频率检测误差给谐波分离带来的影响。分析表明,某一频率通道分离得到的谐波峰值的波动量会随着检测频率检测误差的增大而增大,负序通道中负序电压也会随着检测误差的增大而增大,并通过MATLAB进行了仿真验证。仿真结果验证了本文中频率对谐波分离理论分析的正确性。最后设计了电流信号检测装置,并通过多次试验验证了中低频情况下该装置的高精度频率检测特性。

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作者信息:

韩雪龙1,侯银银2,顾能华1,韩双霞1

(1.衢州学院 电气与信息工程学院,浙江 衢州324000;2.国网浙江省电力有限公司衢州供电公司,浙江 衢州324000)