一种低压电能质量检测系统论文和设计-楼英超

全文摘要

本实用新型公开了一种低压电能质量检测系统，包括电网模拟源、三相谐波源、无功模拟源、监控系统、对系统进行控制的中央控制器、与中央控制器连接的上位机；本实用新型采用由电网模拟源、三相谐波源、无功模拟源、监控系统组成的低压电能质量检测系统，通过电网模拟源实现了模拟供电电网的正常异常特性并检验了被测样品对供电电网的适应能力；通过三相谐波源和无功模拟源实现了模拟供电电网上存在的电能质量问题，以检验被测样品对电能质量的补偿能力；通过监控系统实现了对系统的安全监控；该系统具有抗干扰能力强、运行稳定性高、数据测试准确可靠、运行速度快、工作效率高、接线简单且操作便捷、运行过程安全等诸多优点。

主设计要求

1.一种低压电能质量检测系统，其特征在于：包括用于对供电电网(4)的正常异常特性进行模拟并检验被测样品对供电电网(4)的适应能力的电网模拟源(3)、用于输出谐波电压的三相谐波源(5)、用于提供无功补偿信号的无功模拟源(32)、用于对系统进行监控的监控系统、对系统进行控制的中央控制器(15)、与中央控制器(15)连接的上位机(13)，电网模拟源与供电电网(4)连接，被测样品(1)通过第一变压器(2)与电网模拟源(3)连接，三相谐波源(5)、无功模拟源(32)之间通过第三变压器与被测样品并联连接，电网模拟源(3)、三相谐波源(5)、无功模拟源(32)、第一变压器(2)、被测样品(1)、上位机(13)分别通过中央控制器(15)与监控系统连接；电网模拟源(3)连接有对电网模拟源(3)进行电流采样的电流检测模块(35)、对电网模拟源(3)进行电压采样的电压检测模块(36)，电流检测模块(35)、电压检测模块(36)通过功率因数补偿电路(34)分别连接在中央控制器(15)上。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种低压电能质量检测系统，其特征在于：功率因数补偿电路(34)包括互相连接的稳压电源(344)、功率因数补偿主电路(341)、PWM脉冲调制与驱动控制电路(343)、相位电流电压检测与比较电路(342)，稳压电源(344)为电路供电，功率因数补偿主电路(341)包括第一滤波电感(34109)、第二滤波电感(34101)、第一滤波电容器(34110)、第二滤波电容器(34111)、第三滤波电容器(34112)、充放电电容器(34107)、吸收电容器(34113)、耦合电容器(34114)、第二变压器(34106)、电流检测电阻(34102)、第一电压检测电阻(34103)、第二电压检测电阻(34104)、第一功率开关元件(34108)、第二功率开关元件(34105)，第一滤波电感(34109)的一端与交流电的输入端L连接，第一滤波电感(34109)的另一端与充放电电容器(34107)、第一电压检测电阻(34103)、电流检测电阻(34102)的一端连接，充放电电容器(34107)的另一端与第二变压器(34106)的初级绕组N1的一端连接，第二变压器(34106)的初级绕组N1的另一端与并联的第一功率开关元件(34108)和第二功率开关元件(34105)连接，第一功率开关元件(34108)的阴极和第二功率开关元件(34105)的阳极连接到交流电的公共端N，第一功率开关元件(34108)和第二功率开关元件(34105)的阴极与驱动极分别连接到PWM脉冲调制与驱动控制电路(343)的第一驱动电路(3434)和隔离驱动电路(3432)；第一滤波电容器(34110)的一端连接在交流电的输入端L，第一滤波电容器(34110)的另一端与交流电的公共端N连接；第二滤波电容器(34111)的一端与第一滤波电感(34109)连接，第二滤波电容器(34111)的另一端连接在交流电的公共端N上；第一电压检测电阻(34103)的另一端分别与相位电流电压检测与比较电路(342)的电压检测电路(3423)、第二电压检测电阻(34104)的一端连接，第二电压检测电阻(34104)的另一端连接到交流电的公共端N；电流检测电阻(34102)的另一端通过第二滤波电感(34101)连接到交流电的输出端LM；吸收电容器(34113)与第二变压器(34106)的次级绕组N2并联，吸收电容器(34113)的一端与交流电的输出端LM连接，吸收电容器(34113)的另一端与耦合电容器(34114)的一端连接，耦合电容器(34114)的另一端连接到交流电的公共端N；第三滤波电容器(34112)、被测样品(1)的一端分别与交流电的输出端LM连接，第三滤波电容器(34112)、被测样品(1)的另一端分别连接到交流电的公共端N。

3.根据权利要求1或2所述的一种低压电能质量检测系统，其特征在于：三相谐波源(5)包括检测模块(53)、用于输出谐波电压的谐波发生器(52)、用于对谐波发生器(52)输出的谐波电压进行电压频率及幅值进行控制的PWM控制器(51)，谐波发生器(52)与PWM控制器(51)连接，PWM控制器(51)与上位机(13)连接；谐波发生器(52)包括第一通信模块(524)、继电器输出模块(522)、模拟量输出模块(523)、三相谐波发生模块(521)，检测模块(53)的输入端与供电电网(4)连接，检测模块(53)的输出端与上位机(13)连接，上位机(13)通过第一通信模块(524)分别与继电器输出模块(522)的输入端和模拟量输出模块(523)的输入端连接，继电器输出模块(522)的输出端和模拟量输出模块(523)的输出端分别与三相谐波发生模块(521)连接，三相谐波发生模块(521)与供电电网(4)连接。

4.根据权利要求3所述的一种低压电能质量检测系统，其特征在于：三相谐波发生模块(521)包括结构完全相同的A相谐波发生模块(5211)、B相谐波发生模块(5212)、C相谐波发生模块(5213)，A相谐波发生模块(5211)、B相谐波发生模块(5212)、C相谐波发生模块(5213)均设有三相谐波发生电路(5210)，三相谐波发生电路(5210)包括状态监测器(52102)、交流接触器(52103)、继电器(52104)、单调消谐电路(52105)、高通消谐电路(52107)、反并联晶闸管(52106)，状态监测器(52102)的输入端通过断路器与供电电网连接，状态监测器(52102)的输出端通过交流接触器(52103)与继电器(52104)触点的一端连接，继电器(52104)触点的另一端与单调消谐电路(52105)或高通消谐电路(52107)的一端连接，单调消谐电路(52105)或高通消谐电路(52107)的另一端与反并联晶闸管(52106)的一端连接，各支路的反并联晶闸管(52106)的另一端连接在一起，反并联晶闸管(52106)的触发信号输入端与模拟量输出模块(523)连接，继电器(52104)的线圈与继电器输出模块(522)连接，状态监测器(52102)的通信端口与第一通信模块(524)连接。

5.根据权利要求4所述的一种低压电能质量检测系统，其特征在于：三相谐波发生模块(521)设有依次连接的前滤波器(16)、谐波功率模块(17)、后滤波器(18)，谐波功率模块(17)包括用于建立稳定的直流电压的PWM整流器(171)、直流侧储能电容(172)、用于生成给定的电压信号的PWM逆变器(173)，PWM整流器(171)、直流侧储能电容(172)、PWM逆变器(173)依次连接，前滤波器(16)的输出端与PWM整流器(171)的输入端连接，PWM逆变器(173)的输出端与后滤波器(18)连接，PWM控制器(51)的输出端分别与PWM整流器(171)、PWM逆变器(173)连接。

6.根据权利要求4或5所述的一种低压电能质量检测系统，其特征在于：PWM控制器(51)采用单片机(510)，单片机(510)设有双端口并口RAM(19)，双端口并口RAM(19)具有数据输入口、数据输出口、地址输入口、地址扫描口，双端口并口RAM(19)的数据输入口、地址输入口连接在单片机(510)上；单片机(510)连接有用于规定幅值的第一8位并口模数转换器(24)、第二8位并口模数转换器(26)，第一8位并口模数转换器(24)的数据口、第二8位并口模数转换器(26)的数据口均与单片机(510)连接，第一8位并口模数转换器(24)的REF口、第二8位并口模数转换器(26)的REF口与基准模块(25)的输出连接。

7.根据权利要求6所述的一种低压电能质量检测系统，其特征在于：单片机(510)还连接有用于控制输出波形的第三8位并口模数转换器(20)、第四8位并口模数转换器(22)，第三8位并口模数转换器(20)、第四8位并口模数转换器(22)均通过双端口并口RAM(19)的数据输出口连接到单片机(510)。

8.根据权利要求7所述的一种低压电能质量检测系统，其特征在于：第一8位并口模数转换器(24)、第二8位并口模数转换器(26)的输出口分别与第一运放阵列(23)连接，第一运放阵列(23)的输出端分别与第三8位并口模数转换器(20)、第四8位并口模数转换器(22)的REF口连接，第三8位并口模数转换器(20)、第四8位并口模数转换器(22)的输出端分别与第二运放阵列(21)连接，第二运放阵列(21)的输出端与谐波发生器(52)连接。

9.根据权利要求1或2或4或5或7或8所述的一种低压电能质量检测系统，其特征在于：无功模拟源(32)设有无功发生器(6)，无功发生器(6)包括用于储能和滤除高频开关纹波电流的第一电抗器(61)、采用三相全控桥拓扑形式提供无功补偿信号的PWM变流器(62)、第二驱动电路(64)，第一电抗器(61)通过第三变压器(37)与供电电网(4)连接，PWM变流器(62)的交流侧与第一电抗器(61)连接，PWM变流器(62)的直流侧与储能电容(63)连接，PWM变流器(62)通过第二驱动电路(64)连接到中央控制器(15)。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种检测系统，尤其涉及一种低压电能质量检测系统。

背景技术

近年来，随着电网技术的飞速发展，多元化用电需求的持续增加，间歇式分布式能源的大量接入，导致用户侧设备的复杂性越来越高，电能质量成为当代社会用电厂家所关心的主要问题，为了提高电能质量，企业会在电网中使用电能补偿设备，因此对电能补偿设备补偿特性的检验显得尤为重要。由于供电电网存在诸多电能质量问题，极易出现电压暂降、闪变、频率波动、谐波干扰、瞬时过载等异常运行现象，并且电能质量检测系统设备在长时间运行过程中难免出现元器件老化、失效、受到恶劣环境的干扰，导致系统设备故障率上升、测量准确度下降，或者产生无效异常数据，系统设备整体可靠性降低，从而使得三相不平衡问题、电网谐波问题也变得日益严重。目前，现有的低压电能质量检测系统主要存在的缺点在于：一方面，由于缺乏有效的功率因数补偿机制或功率因数补偿设置不合理，容易产生欠补偿现象以及过补偿现象，使得系统设备不能起到应有的功能，毁坏用电设备，甚至危及系统设备和其他用电设施安全，大大降低了系统设备的使用寿命；另一方面，由于三相谐波源及无功补偿设计不合理，接入电网系统的非线性负荷、冲击性负荷容易产生电压波动闪变、电压凹陷凸升以及严重的三相不平衡等问题，不能确保控制逻辑的准确性和可靠性，难以实现谐波次数和幅值的精确控制，使得低压电能质量检测系统设备容易出现非正常运行状态，甚至导致系统发生故障、火灾等安全隐患而不能及时报警；此外还存在设计繁杂、并联扩容能力较差、运行稳定性较低、数据测试准确性较低以及接线繁琐且操作复杂、运行过程不安全等诸多问题。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种低压电能质量检测系统，该低压电能质量检测系统由电网模拟源、三相谐波源、无功模拟源、监控系统组成，通过电网模拟源实现了模拟供电电网的正常异常特性并检验了被测样品对供电电网的适应能力；通过三相谐波源和无功模拟源实现了模拟供电电网上存在的电能质量问题，以检验被测样品对电能质量的补偿能力；通过监控系统实现了对系统的安全监控；并通过PWM控制器对三相谐波发生模块同时输出多种频率叠加的谐波电压进行控制，达到了PWM整流和逆变的独立控制，进一步确保了控制逻辑的准确性和可靠性，实现了谐波次数和幅值的精确控制，降低了系统运行过程中的安全隐患。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决：

一种低压电能质量检测系统，包括用于对供电电网的正常异常特性进行模拟并检验被测样品对供电电网的适应能力的电网模拟源、用于输出谐波电压的三相谐波源、用于提供无功补偿信号的无功模拟源、用于对系统进行监控的监控系统、对系统进行控制的中央控制器、与中央控制器连接的上位机，电网模拟源与供电电网连接，被测样品通过第一变压器与电网模拟源连接，三相谐波源、无功模拟源之间通过第三变压器与被测样品并联连接，电网模拟源、三相谐波源、无功模拟源、第一变压器、被测样品、上位机分别通过中央控制器与监控系统连接。通过电网模拟源实现了模拟供电电网的正常异常特性并检验了被测样品对供电电网的适应能力；通过三相谐波源和无功模拟源实现了模拟供电电网上存在的电能质量问题，以检验被测样品对电能质量的补偿能力；通过监控系统实现了对系统的安全监控。

作为优选，电网模拟源连接有对电网模拟源进行电流采样的电流检测模块、对电网模拟源进行电压采样的电压检测模块，电流检测模块、电压检测模块通过功率因数补偿电路分别连接在中央控制器上。通过功率因数补偿电路的设置，使得功率因数能达到0.95，谐波电流含量低于3％FS，对供电电网的干扰较小；通过功率因数补偿电路对被测样品进行动态功率因数补偿，使得能检验被测样品对供电电网的适应能力，实现了对供电电网的正常异常特性的检测。

作为优选，功率因数补偿电路包括互相连接的稳压电源、功率因数补偿主电路、PWM脉冲调制与驱动控制电路、相位电流电压检测与比较电路，稳压电源为电路供电，功率因数补偿主电路包括第一滤波电感、第二滤波电感、第一滤波电容器、第二滤波电容器、第三滤波电容器、充放电电容器、吸收电容器、耦合电容器、第二变压器、电流检测电阻、第一电压检测电阻、第二电压检测电阻、第一功率开关元件、第二功率开关元件，第一滤波电感的一端与交流电的输入端L连接，第一滤波电感的另一端与充放电电容器、第一电压检测电阻、电流检测电阻的一端连接，充放电电容器的另一端与第二变压器的初级绕组N1的一端连接，第二变压器的初级绕组N1的另一端与并联的第一功率开关元件和第二功率开关元件连接，第一功率开关元件的阴极和第二功率开关元件的阳极连接到交流电的公共端N，第一功率开关元件和第二功率开关元件的阴极与驱动极分别连接到PWM脉冲调制与驱动控制电路的第一驱动电路和隔离驱动电路；第一滤波电容器的一端连接在交流电的输入端L，第一滤波电容器的另一端与交流电的公共端N连接；第二滤波电容器的一端与第一滤波电感连接，第二滤波电容器的另一端连接在交流电的公共端N上；第一电压检测电阻的另一端分别与相位电流电压检测与比较电路的电压检测电路、第二电压检测电阻的一端连接，第二电压检测电阻的另一端连接到交流电的公共端N；电流检测电阻的另一端通过第二滤波电感连接到交流电的输出端LM；吸收电容器与第二变压器的次级绕组N2并联，吸收电容器的一端与交流电的输出端LM连接，吸收电容器的另一端与耦合电容器的一端连接，耦合电容器的另一端连接到交流电的公共端N；第三滤波电容器、被测样品的一端分别与交流电的输出端LM连接，第三滤波电容器、被测样品的另一端分别连接到交流电的公共端N。其中，功率因数补偿电路工作时，在功率因数补偿主电路的输入端L和公共端N输入交流电AC，交流电AC通过第一滤波电容器、第一滤波电感、第二滤波电容器供给给充放电电容器、第二变压器的初级绕组N1、第一功率开关元件、第二功率开关元件组成的电路，再通过电流检测电阻，经过第二滤波电感和第三滤波电容器滤波之后，供给被测样品；

具体地，相位电流电压检测与比较电路的电压检测电路经由功率因数补偿主电路内的第一电压检测电阻和第二电压检测电阻分压之后，对被测样品的端电压进行检测；电流检测电路通过电流检测电阻检测流经被测样品的电流，再将检测到的电压与电流波形处理之后，传输至电流与电压比较电路进行比较，通过控制电压控制PWM脉冲调制与驱动控制电路中的PWM脉冲调制电路控制驱动电路和隔离驱动电路，分别对第一功率开关元件和第二功率开关元件进行开关控制；相位检测电路对电压检测电路检测到的电压波形处理之后，传输至PWM脉冲调制与驱动控制电路中的相位与自动功率因数控制电路，由相位与自动功率因数控制电路通过PWM脉冲调制电路、第一驱动电路和隔离驱动电路控制第一功率开关元件和第二功率开关元件的通断顺序，由第二变压器的初级绕组N1在0-π\/2周期内对充放电电容器进行脉冲式充电，在3π\/2-2π周期内对充放电电容器进行脉冲式放电；在π\/2-π周期内对充放电电容器进行脉冲式放电，在π-3\/2π周期内对充放电电容器进行脉冲式充电；当功率因数低于1时，相位电流电压检测与比较电路中的电流与电压比较电路输出定值电压控制PWM脉冲调制与驱动控制电路中的PWM脉冲调制电路，通过第一驱动电路和隔离驱动电路分别控制第一功率开关元件和第二功率开关元件的导通和关断时间，进而控制第二变压器的初级绕组N1和充放电电容器的通断时间；在交流电0-π\/2和π-3\/2π周期内脉冲式通断时，第一功率开关元件和第二功率开关元件通过调节PWM脉冲宽度即通断时间，来调节充放电电容器的充电量；在交流电π\/2-π和3\/2π-2π周期内脉冲通断时，第一功率开关元件和第二功率开关元件通过调节PWM通断时间，来调节充放电电容器的放电量；调节补偿充放电电容器的充放电量等效于调节了补偿充放电电容器的电容值，进而实现了动态补偿；当第一功率开关元件和第二功率开关元件分别导通时，电流经过第一滤波电感、充放电电容器和第二变压器的初级绕组N1时，在第一滤波电感内存储了电能，当关断瞬间，存储在第一滤波电感内的电能经第二滤波电感和第三滤波电容器滤波之后释放出来，对被测样品进行功率因数校正；另一方面，存储在第二变压器中的电能通过次级绕组N2、吸收电容器和耦合电容器释放出来，再次对被测样品的功率因数进行校正。

作为优选，三相谐波源包括检测模块、用于输出谐波电压的谐波发生器、用于对谐波发生器输出的谐波电压进行电压频率及幅值进行控制的PWM控制器，谐波发生器与PWM控制器连接，PWM控制器与上位机连接；谐波发生器包括第一通信模块、继电器输出模块、模拟量输出模块、三相谐波发生模块，检测模块的输入端与供电电网连接，检测模块的输出端与上位机连接，上位机通过第一通信模块分别与继电器输出模块的输入端和模拟量输出模块的输入端连接，继电器输出模块的输出端和模拟量输出模块的输出端分别与三相谐波发生模块连接，三相谐波发生模块与供电电网连接；三相谐波源用于输出谐波电压，三相谐波源能输出三相谐波2至50次的高次谐波，可实现多台并联运行，具备并联扩容的能力，并且具有抗干扰能力强、运行稳定性高、数据测试准确可靠、运行速度快、工作效率高、接线简单且操作便捷、运行过程安全等诸多优点。

本实用新型专利中，被测样品通过第三变压器连接在谐波发生器上，第三变压器对谐波发生器输出的谐波电压进行电压变换并传递电能，提高了三相谐波源在检验被测样品对电能质量的补偿能力过程中的适应性。

作为优选，三相谐波发生模块包括结构完全相同的A相谐波发生模块、B相谐波发生模块、C相谐波发生模块，A相谐波发生模块、B相谐波发生模块、C相谐波发生模块均设有三相谐波发生电路，三相谐波发生电路包括状态监测器、交流接触器、继电器、单调消谐电路、高通消谐电路、反并联晶闸管，状态监测器的输入端通过断路器与供电电网连接，状态监测器的输出端通过交流接触器与继电器触点的一端连接，继电器触点的另一端与单调消谐电路或高通消谐电路的一端连接，单调消谐电路或高通消谐电路的另一端与反并联晶闸管的一端连接，各支路的反并联晶闸管的另一端连接在一起，反并联晶闸管的触发信号输入端与模拟量输出模块连接，继电器的线圈与继电器输出模块连接，状态监测器的通信端口与第一通信模块连接。状态监测器主要用于实现各个支路的状态监测、互锁功能和过零信号的检测，保证继电器和交流接触器的正确吸合和无涌流投切。

本实用新型专利中，单调消谐电路包括串联连接的第一电阻、第一电抗器、第一电容器。

本实用新型专利中，高通消谐电路包括第二电阻、第二电抗器、第二电容器、第三电容器，第三电容器与第二电阻串联之后再与第二电抗器并联形成并联支路，并联支路再与第二电容器串联。

本实用新型专利中，三相谐波发生模块设有依次连接的前滤波器、谐波功率模块、后滤波器，谐波功率模块包括用于建立稳定的直流电压的PWM整流器、直流侧储能电容、用于生成给定的电压信号的PWM逆变器，PWM整流器、直流侧储能电容、PWM逆变器依次连接，前滤波器的输出端与PWM整流器的输入端连接，PWM逆变器的输出端与后滤波器连接，PWM控制器的输出端分别与PWM整流器、PWM逆变器连接；其中，通过上位机对三相电流波形界面、状态监测显示界面及谐波产生次数设置界面进行设置、显示；采用由前滤波器、谐波功率模块、后滤波器组合形成的三相谐波发生模块，通过PWM控制器对三相谐波发生模块同时输出多种频率叠加的谐波电压进行控制，达到了PWM整流和逆变的独立控制，确保了控制逻辑的准确性和可靠性，实现了谐波次数和幅值的精确控制。

具体地，前滤波器和后滤波器均采用RLC滤波方式，其中，前滤波器和后滤波器均包括互相连接的滤波电感、滤波电阻、滤波电容，滤波电感串联连接在PWM整流器上，滤波电阻与滤波电容串联连接之后再并联连接在PWM整流器上。

作为优选，PWM控制器采用单片机，单片机设有双端口并口RAM，双端口并口RAM具有数据输入口、数据输出口、地址输入口、地址扫描口，双端口并口RAM的数据输入口、地址输入口连接在单片机上；

作为优选，单片机连接有用于规定幅值的第一8位并口模数转换器、第二8位并口模数转换器，第一8位并口模数转换器的数据口、第二8位并口模数转换器的数据口均与单片机连接，第一8位并口模数转换器的REF口、第二8位并口模数转换器的REF口与基准模块的输出连接；

作为优选，单片机还连接有用于控制输出波形的第三8位并口模数转换器、第四8位并口模数转换器，第三8位并口模数转换器、第四8位并口模数转换器均通过双端口并口RAM的数据输出口连接到单片机；

作为优选，第一8位并口模数转换器、第二8位并口模数转换器的输出口分别与第一运放阵列连接，第一运放阵列的输出端分别与第三8位并口模数转换器、第四8位并口模数转换器的REF口连接，第三8位并口模数转换器、第四8位并口模数转换器的输出端分别与第二运放阵列连接，第二运放阵列的输出端与谐波发生器连接。

本实用新型专利中，单片机将波形数据通过数据输入口及地址输入口写入双端口并口RAM内，建立波形表格，写入的地址不同即可实现移相。单片机分别将幅值信号的高8位、低8位传送给第一8位并口模数转换器和第二8位并口模数转换器，第一8位并口模数转换器和第二8位并口模数转换器通过基准模块计算输出电压，传递给第一运放阵列，第一运放阵列通过比例累加，将输出值传递给第三8位并口模数转换器和第四8位并口模数转换器的REF口，从而规定输出波形的幅值。

本实用新型专利中，单片机将输出的波形数据写入双端口并口RAM，将每一时刻点的数据写入第三8位并口模数转换器和第四8位并口模数转换器，第三8位并口模数转换器和第四8位并口模数转换器通过自身的REF口的基准电压，计算输出电压，传送给第二运放阵列，从而输出需要的波形相位。

本实用新型专利中，检测模块包括电流互感器、模数转换器，电流互感器的输入端与供电电网连接，电流互感器的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与上位机连接。

作为优选，无功模拟源设有无功发生器，无功发生器包括用于储能和滤除高频开关纹波电流的第一电抗器、采用三相全控桥拓扑形式提供无功补偿信号的PWM变流器、第二驱动电路，第一电抗器通过第三变压器与供电电网连接，PWM变流器的交流侧与第一电抗器连接，PWM变流器的直流侧与储能电容连接，PWM变流器通过第二驱动电路连接到中央控制器；三相谐波源、无功模拟源之间通过第三变压器与被测样品并联连接的设置，第三变压器对谐波发生器输出的谐波电压进行电压变换并传递电能，提高了三相谐波源在检验被测样品对电能质量的补偿能力过程中的适应性；PWM变流器由绝缘栅双极晶体管构成，通过电压空间矢量调制技术驱动绝缘栅双极晶体管产生补偿电流波形，储能电容储存由绝缘栅双极晶体管产生的直流能量；第二驱动电路接收到中央控制器发出的控制信号，驱动PWM变流器的半导体功率器件，并且还兼顾对半导体功率器件的保护功能；无功模拟源既能补偿无功、调节三相不平衡、谐波抑制，避免了互相干扰问题，又能灵活在线配置无功功率，有效地实现了无功功率的合理补偿，为安装在极其有限的空间中的系统设备提供了安全保障。

本实用新型专利中，谐波发生器设在谐波源柜内，单片机设在谐波控制柜内，第一变压器、第三变压器分别设在各一个变压器柜内，电网模拟源、谐波源柜、谐波控制柜、无功模拟源、变压器柜均设在被测样品旁边，被测样品设在测试架上，测试架设在墙面上，测试架设有接线架，接线架由支撑架支撑在天花板下方，支撑架固定设在墙面或天花板上，接线架设有线槽，电缆线埋设在线槽中，电网模拟源、谐波源柜、谐波控制柜、无功模拟源、变压器柜、被测样品均通过电缆线与供电电网连接。由支撑架、接线架、测试架组合形成的安装结构，既为系统设备的安装及布线提供了较高的稳固性、牢靠性和平衡能力，又使得系统设计紧凑且具有较高的安全性，并且充分的利用了有限的测试空间。

本实用新型专利中，监控系统包括用于检测三相谐波源的谐波并将检测到的谐波值传输至中央控制器的电能质量分析仪、用于检测系统设备的温度信号的温度传感器、用于检测系统设备的烟雾信号的烟雾传感器、用于对系统的工作状态进行监控的时间监控模块、用于对系统进行报警的报警模块，报警模块与上位机连接，电能质量分析仪、温度传感器、烟雾传感器、时间监控模块、报警模块均与中央控制器连接；报警模块包括用于当中央控制器接收到的电流值和\/或电压值超出阈值时发出报警信息进行报警的电流电压报警模块、用于当中央控制器接收到的时间值超出阈值时发出报警信息进行报警的时间报警模块、用于当中央控制器接收到的温度值超出阈值时发出报警信息进行报警的温度报警模块、用于当中央控制器接收到的烟雾浓度超出阈值时发出报警信息进行报警的烟雾报警模块、用于当中央控制器接收到的谐波值超出阈值时发出报警信息进行报警的谐波报警模块，电流电压报警模块、时间报警模块、温度报警模块、烟雾报警模块、谐波报警模块均与中央控制器连接。

本实用新型专利中，监控系统还包括第二通信模块，第二通信模块分别与中央控制器、报警模块连接，通过第二通信模块将报警信息传输至上位机。

本实用新型专利中，监控系统还包括与中央控制器连接的数据存储模块，通过数据存储模块对报警信息进行存储，数据存储模块也能存储低压电能质量检测数据。

本实用新型专利中，数据存储模块包括互相连接的数据库服务器和磁盘阵列，数据库服务器与中央控制器连接，中央控制器通过数据库服务器将报警信息存储到磁盘阵列，上位机从磁盘阵列中读取报警信息。通过由数据库服务器和磁盘阵列组合形成的数据存储模块与上述监控系统的技术方案相结合，提高了电能质量检测系统的可靠性，从而提高了电能质量数据的完整性和准确性，并能根据监控需求设置不同的监控功能，利用存储在数据库服务器的数据建立评估体系，根据数据质量的优劣反推低压电能质量检测系统的可靠性，从而实现对低压电能质量检测系统进行远程可靠性的评估，也可对系统可靠性进行诊断与分析，并通过可靠性评估的历史变化趋势对系统进行相应的检修和维护。

本实用新型专利中，无功模拟源设有RS485接口，无功发生器通过RS485接口与中央控制器连接。

本实用新型专利中，第一变压器、第三变压器分别通过RS485接口与中央控制器连接。

本实用新型由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：采用由电网模拟源、三相谐波源、无功模拟源、监控系统组成的低压电能质量检测系统，通过电网模拟源实现了模拟供电电网的正常异常特性并检验了被测样品对供电电网的适应能力；通过三相谐波源和无功模拟源实现了模拟供电电网上存在的电能质量问题，以检验被测样品对电能质量的补偿能力；通过监控系统实现了对系统的安全监控；又通过功率因数补偿电路对被测样品进行动态功率因数补偿，使得能检验被测样品对供电电网的适应能力，实现了对供电电网的正常异常特性的检测，并通过PWM控制器对三相谐波发生模块同时输出多种频率叠加的谐波电压进行控制，达到了PWM整流和逆变的独立控制，进一步确保了控制逻辑的准确性和可靠性，实现了谐波次数和幅值的精确控制，降低了系统运行过程中的安全隐患；该系统具有抗干扰能力强、运行稳定性高、数据测试准确可靠、运行速度快、工作效率高、接线简单且操作便捷、运行过程安全等诸多优点。

附图说明

图1为本实用新型的低压电能质量检测系统实施例的原理框图。

图2为本实用新型的功率因数补偿电路实施例的电路原理图。

图3为本实用新型的无功发生器实施例的原理框图。

图4为本实用新型的由第一电抗器与PWM变流器组成的无功发生器实施例的电路原理图。

图5为本实用新型的三相谐波源对被测样品进行检测实施例的原理框图。

图6为本实用新型的三相谐波源实施例的电路原理框图。

图7为本实用新型的三相谐波发生电路实施例的电路原理图。

图8为本实用新型的三相谐波发生模块主回路实施例的电路原理图。

图9为本实用新型的PWM控制器采用单片机实施例的原理框图。

图10为本实用新型的谐波源柜、谐波控制柜、被测样品安装实施例的结构示意图。

图11为本实用新型的PWM控制器实施例的d轴电流闭环反馈控制框图。

图12为采用前馈解耦算法对图11进行前馈解耦之后的d轴电流闭环反馈控制框图。

图13为将图12简化之后的d轴电流闭环反馈控制框图。

图14为本实用新型已解耦的d轴电流内环控制框图。

图15为将图14简化之后的d轴电流内环控制框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步详细描述。

一种低压电能质量检测系统，如图1-10所示，包括用于对供电电网4的正常异常特性进行模拟并检验被测样品对供电电网4的适应能力的电网模拟源3、用于输出谐波电压的三相谐波源5、用于提供无功补偿信号的无功模拟源32、用于对系统进行监控的监控系统、对系统进行控制的中央控制器15、与中央控制器15连接的上位机13，电网模拟源3与供电电网4连接，被测样品1通过第一变压器2与电网模拟源3连接，三相谐波源5、无功模拟源32之间通过第三变压器37与被测样品1并联连接，电网模拟源3、三相谐波源5、无功模拟源32、第一变压器2、被测样品1、上位机13分别通过中央控制器15与监控系统连接。

本实施例中，电网模拟源连接有对电网模拟源3进行电流采样的电流检测模块35、对电网模拟源3进行电压采样的电压检测模块36，电流检测模块35、电压检测模块36通过功率因数补偿电路34分别连接在中央控制器15上。

本实施例中，功率因数补偿电路34包括互相连接的稳压电源344、功率因数补偿主电路341、PWM脉冲调制与驱动控制电路343、相位电流电压检测与比较电路342，稳压电源344为电路供电，功率因数补偿主电路341包括第一滤波电感34109、第二滤波电感34101、第一滤波电容器34110、第二滤波电容器34111、第三滤波电容器34112、充放电电容器34107、吸收电容器34113、耦合电容器34114、第二变压器34106、电流检测电阻34102、第一电压检测电阻34103、第二电压检测电阻34104、第一功率开关元件34108、第二功率开关元件34105，第一滤波电感34109的一端与交流电的输入端L连接，第一滤波电感34109的另一端与充放电电容器34107、第一电压检测电阻34103、电流检测电阻34102的一端连接，充放电电容器34107的另一端与第二变压器34106的初级绕组N1的一端连接，第二变压器34106的初级绕组N1的另一端与并联的第一功率开关元件34108和第二功率开关元件34105连接，第一功率开关元件34108的阴极和第二功率开关元件34105的阳极连接到交流电的公共端N，第一功率开关元件34108和第二功率开关元件34105的阴极与驱动极分别连接到PWM脉冲调制与驱动控制电路343的第一驱动电路3434和隔离驱动电路3432；第一滤波电容器34110的一端连接在交流电的输入端L，第一滤波电容器34110的另一端与交流电的公共端N连接；第二滤波电容器34111的一端与第一滤波电感34109连接，第二滤波电容器34111的另一端连接在交流电的公共端N上；第一电压检测电阻34103的另一端分别与相位电流电压检测与比较电路342的电压检测电路3423、第二电压检测电阻34104的一端连接，第二电压检测电阻34104的另一端连接到交流电的公共端N；电流检测电阻34102的另一端通过第二滤波电感34101连接到交流电的输出端LM；吸收电容器34113与第二变压器34106的次级绕组N2并联，吸收电容器34113的一端与交流电的输出端LM连接，吸收电容器34113的另一端与耦合电容器34114的一端连接，耦合电容器34114的另一端连接到交流电的公共端N；第三滤波电容器34112、被测样品1的一端分别与交流电的输出端LM连接，第三滤波电容器34112、被测样品1的另一端分别连接到交流电的公共端N。其中，功率因数补偿电路工作时，在功率因数补偿主电路的输入端L和公共端N输入交流电AC，交流电AC通过第一滤波电容器、第一滤波电感、第二滤波电容器供给给充放电电容器、第二变压器的初级绕组N1、第一功率开关元件、第二功率开关元件组成的电路，再通过电流检测电阻，经过第二滤波电感和第三滤波电容器滤波之后，供给被测样品；

本实施例中，相位电流电压检测与比较电路的电压检测电路3423经由功率因数补偿主电路内的第一电压检测电阻和第二电压检测电阻分压之后，对被测样品的端电压进行检测；电流检测电路3421通过电流检测电阻检测流经被测样品的电流，再将检测到的电压与电流波形处理之后，传输至电流与电压比较电路3422进行比较，通过控制电压控制PWM脉冲调制与驱动控制电路中的PWM脉冲调制电路3433控制第一驱动电路3434和隔离驱动电路3432，分别对第一功率开关元件34108和第二功率开关元件34105进行开关控制；相位检测电路3424对电压检测电路3423检测到的电压波形处理之后，传输至PWM脉冲调制与驱动控制电路中的相位与自动功率因数控制电路3431，由相位与自动功率因数控制电路3431通过PWM脉冲调制电路3433、第一驱动电路3434和隔离驱动电路3432控制第一功率开关元件34108和第二功率开关元件34105的通断顺序，由第二变压器的初级绕组N1在0-π\/2周期内对充放电电容器进行脉冲式充电，在3π\/2-2π周期内对充放电电容器进行脉冲式放电；在π\/2-π周期内对充放电电容器进行脉冲式放电，在π-3\/2π周期内对充放电电容器进行脉冲式充电；当功率因数低于1时，相位电流电压检测与比较电路中的电流与电压比较电路输出定值电压控制PWM脉冲调制与驱动控制电路中的PWM脉冲调制电路，通过第一驱动电路和隔离驱动电路分别控制第一功率开关元件和第二功率开关元件的导通和关断时间，进而控制第二变压器的初级绕组N1和充放电电容器的通断时间；在交流电0-π\/2和π-3\/2π周期内脉冲式通断时，第一功率开关元件和第二功率开关元件通过调节PWM脉冲宽度即通断时间，来调节充放电电容器的充电量；在交流电π\/2-π和3\/2π-2π周期内脉冲通断时，第一功率开关元件和第二功率开关元件通过调节PWM通断时间，来调节充放电电容器的放电量；调节补偿充放电电容器的充放电量等效于调节了补偿充放电电容器的电容值，进而实现了动态补偿；当第一功率开关元件和第二功率开关元件分别导通时，电流经过第一滤波电感、充放电电容器和第二变压器的初级绕组N1时，在第一滤波电感内存储了电能，当关断瞬间，存储在第一滤波电感内的电能经第二滤波电感和第三滤波电容器滤波之后释放出来，对被测样品进行功率因数校正；另一方面，存储在第二变压器中的电能通过次级绕组N2、吸收电容器和耦合电容器释放出来，再次对被测样品的功率因数进行校正。

本实施例中，三相谐波源5包括检测模块53、用于输出谐波电压的谐波发生器52、用于对谐波发生器52输出的谐波电压进行电压频率及幅值进行控制的PWM控制器51，谐波发生器52与PWM控制器51连接，PWM控制器51与上位机13连接；谐波发生器52包括第一通信模块524、继电器输出模块522、模拟量输出模块523、三相谐波发生模块521，检测模块53的输入端与供电电网4连接，检测模块53的输出端与上位机13连接，上位机13通过第一通信模块524分别与继电器输出模块522的输入端和模拟量输出模块523的输入端连接，继电器输出模块522的输出端和模拟量输出模块523的输出端分别与三相谐波发生模块521连接，三相谐波发生模块521与供电电网4连接。

本实施例中，三相谐波发生模块521包括结构完全相同的A相谐波发生模块5211、B相谐波发生模块5212、C相谐波发生模块5213，A相谐波发生模块、B相谐波发生模块、C相谐波发生模块均设有三相谐波发生电路5210，三相谐波发生电路包括状态监测器52102、交流接触器52103、继电器52104、单调消谐电路52105、高通消谐电路52107、反并联晶闸管52106，状态监测器的输入端通过断路器52101与供电电网连接，状态监测器的输出端通过交流接触器与继电器触点的一端连接，继电器触点的另一端与单调消谐电路或高通消谐电路的一端连接，单调消谐电路或高通消谐电路的另一端与反并联晶闸管的一端连接，各支路的反并联晶闸管的另一端连接在一起，反并联晶闸管的触发信号输入端与模拟量输出模块连接，继电器的线圈与继电器输出模块连接，状态监测器的通信端口与第一通信模块连接。状态监测器主要用于实现各个支路的状态监测、互锁功能和过零信号的检测，保证继电器和交流接触器的正确吸合和无涌流投切。

本实施例中，单调消谐电路52105包括串联连接的第一电阻521053、第二电抗器521052、第一电容器521051。

本实施例中，高通消谐电路52107包括第二电阻521073、第三电抗器521071、第二电容器521072、第三电容器521074，第三电容器与第二电阻串联之后再与第三电抗器并联形成并联支路，并联支路再与第二电容器串联。

本实施例中，三相谐波发生模块521设有依次连接的前滤波器16、谐波功率模块17、后滤波器18，谐波功率模块17包括用于建立稳定的直流电压的PWM整流器171、直流侧储能电容、用于生成给定的电压信号的PWM逆变器173，PWM整流器171、直流侧储能电容172、PWM逆变器173依次连接，前滤波器16的输出端与PWM整流器171的输入端连接，PWM逆变器173的输出端与后滤波器18连接，PWM控制器51的输出端分别与PWM整流器171、PWM逆变器173连接。其中，通过上位机对三相电流波形界面、状态监测显示界面及谐波产生次数设置界面进行设置、显示；采用由前滤波器、谐波功率模块、后滤波器组合形成的三相谐波发生模块，通过PWM控制器对三相谐波发生模块同时输出多种频率叠加的谐波电压进行控制，达到了PWM整流和逆变的独立控制，确保了控制逻辑的准确性和可靠性，实现了谐波次数和幅值的精确控制。

本实施例中，前滤波器和后滤波器均采用RLC滤波方式，其中，前滤波器和后滤波器均包括互相连接的滤波电感、滤波电阻、滤波电容，滤波电感串联连接在PWM整流器上，滤波电阻与滤波电容串联连接之后再并联连接在PWM整流器上。

本实施例中，PWM控制器51采用三相解耦算法模拟供电电网三相平衡或不平衡的正常、异常特性，三相解耦算法包括如下具体内容：

PWM控制器51输入电流由下列公式(A)提供：

公式(A)表明d、q轴电流相互耦合，对公式(A)进行拉普拉斯变换并整理得到下列公式(B)：

以i_{1d<\/sub>作为被控对象、U_{1d<\/sub>作为PWM控制器51的输出，由公式(B)可得到如图11所示的d轴电流闭环反馈控制框图，由d轴电流闭环反馈控制框图推导得到电流闭环控制器输出U_{1d<\/sub>的计算公式(C)为：}}}

其中，d轴电流和q轴电流之间具有对称性，d、q轴电流除了受到控制变量U_{1d<\/sub>、U_{1q<\/sub>的影响外，还受到网侧电压U_{2d<\/sub>、U_{2q<\/sub>的扰动影响，d、q轴电流相互耦合给PWM控制器51的设计造成了一定的困难，对公式(A)进行拉普拉斯变换有效地降低了此困难对系统的影响；由图11可知，d轴电流不仅与电流给定有关，而且还受到q轴电流和供电电网电压d轴分量干扰的影响，因此，采用前馈解耦算法消除耦合的q轴电流和供电电网电压d轴分量干扰的影响，采用前馈解耦算法的d轴电流内环闭环控制框图如图12所示，由d轴电流内环闭环控制框图推导得到通过前馈解耦算法计算之后的闭环控制器输出U_{1d<\/sub>的计算公式(D)为：}}}}}

其中，将图12简化得到图13，从图13中可以看出采用前馈解耦算法消除q轴耦合电流和供电电网电压的扰动之后，电流内环被控对象可以简化成一个简单的一阶惯性环节；同时，由于引入电网扰动电压作为前馈补偿，大大提高了系统的抗干扰能力。

具体地，选择电流控制器C(s)作为PI控制器，C(s)的传递函数如函数(E)所示：

其中，设计图

一种低压电能质量检测系统论文和设计

一种低压电能质量检测系统论文和设计-楼英超

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

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