0 引言

    電流信號檢測在電機(jī)控制器、變頻器、DC/DC變換器、電源、過程控制和電池管理系統(tǒng)等各種檢測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，涉及傳統(tǒng)工業(yè)、新能源發(fā)電、醫(yī)療設(shè)備和自動(dòng)化等各個(gè)領(lǐng)域^[1]。例如，在并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域，精準(zhǔn)的電流信號檢測可以大大提高并網(wǎng)電流質(zhì)量，有效降低新能源發(fā)電對電網(wǎng)的諧波污染^[2]，確保電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分析的準(zhǔn)確性^[3]；在電機(jī)控制領(lǐng)域中，電流大小以及頻率的準(zhǔn)確性在很大程度上決定電機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)度。文獻(xiàn)[4]分析了電流采樣誤差對推挽變換器的影響，文獻(xiàn)[5]指出電流采樣誤差對永磁同步電機(jī)控制具有較大影響，文獻(xiàn)[6]詳細(xì)分析了頻率偏差給電表功率測量帶來的影響，文獻(xiàn)[7-8]指出了電流信號檢測在有源電力濾波器中的重要作用，文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種高壓電源以及小電流檢測電路。

    高精度電流檢測裝置至關(guān)重要，可以提供電流信號的頻率以及幅值等信息，為實(shí)現(xiàn)過程控制的高精度發(fā)展提供重要的信號源支撐^[10-12]。本文詳細(xì)分析了并網(wǎng)變換器控制過程中，頻率檢測誤差給基于二階廣義積分器的各次諧波正負(fù)序分離帶來的影響，并設(shè)計(jì)了一個(gè)新的電流信號頻率檢測裝置。復(fù)雜的電路電子元器會(huì)使得電路適應(yīng)能力和抗干擾能力變差^[13]，所以該檢測裝置盡可能簡化硬件電路，提高其檢測精度與穩(wěn)定性。

1 頻率檢測對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響分析

    在并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域，頻率在整個(gè)并網(wǎng)環(huán)節(jié)起著極其重要的作用^[14]。本文以并網(wǎng)發(fā)電控制領(lǐng)域中用到的二階廣義積分器(SOGI)^[15]諧波檢測濾除為例，分析頻率在并網(wǎng)過程中的重要影響。在電壓不平衡或者畸變情況下，并網(wǎng)控制經(jīng)常涉及正負(fù)序分離，而正負(fù)序的分離需要正交信號發(fā)生器，其實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖1所示。根據(jù)圖1可得，二階廣義積分器傳遞函數(shù)如式(1)所示，n為諧波次數(shù)。

    根據(jù)圖1可以得：

其中，v′為二階廣義積分器對信號v的跟蹤，qv′為v′的正交信號，ω₀為基波頻率，k為該諧振頻率對應(yīng)的增益，ε_v為誤差量。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，得出多個(gè)不同頻率SOGI并聯(lián)運(yùn)行的交叉反饋網(wǎng)絡(luò)方法，如圖2所示。

    根據(jù)式(2)、式(3)可得，第i次諧波通道SOGI-i以及其正交信號的傳遞函數(shù)表達(dá)式A_i(s)、B_i(s)如式(4)、式(5)所示。以5次諧波通道為例，畫出頻率檢測誤差與該通道增益波特圖。通過圖3可以看出，當(dāng)檢測得到頻率為250 Hz時(shí)，A_i(s)、B_i(s)的幅值增益均不變，A_i(s)的相位偏移為0°，B_i(s)的相位偏移為90°。隨著檢測頻率偏差的增大，檢測得到的幅值越來越小。這對鎖相環(huán)以及諧波處理等重要的并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)帶來嚴(yán)重影響。

其中，A_i(s)、A_j(s)分別是SOGI-QSG-i與SOGI-QSG-j的傳遞函數(shù)。

    以基波通道、5次諧波通道和7次諧波通道為例，畫出其波特圖，如圖4所示。可以看出，在基波頻率以及5次和7次諧波頻率處，其他頻率諧波在此處增益基本為0，但是隨著檢測頻率誤差的不斷增大，各次諧波增益逐漸開始減小，其他次諧波含量逐漸增大。這會(huì)對并網(wǎng)控制帶來較大威脅。頻率檢測誤差帶來的諧波檢測在仿真板塊給出。

2 電流信號檢測原理及系統(tǒng)概述

    精準(zhǔn)的電流頻率計(jì)檢測可以大大提高控制精度。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)電流頻率信號檢測裝置，該裝置所采用的電流互感器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。骨架為錳芯，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，理想狀態(tài)(即無漏磁條件)下，有以下公式：

式中，i₁為原邊繞組電流，i₂為副邊繞組電流即輸出電流，n₁為初級線圈匝數(shù)，n₂為次級線圈匝數(shù)。

    得到副邊的電流信號經(jīng)過放大電路，再經(jīng)過電壓提升電路、AD采樣電路，最終進(jìn)入處理器，經(jīng)過一些列算法處理，得到信號頻率。具體流程圖如圖6所示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

    硬件電路的合理設(shè)計(jì)為信號的測量提供可靠的支撐。電流信號的傳輸過程越簡單，衰減越小，信號的精準(zhǔn)度也就越高。為此，本設(shè)計(jì)在不影響檢測精度的前提下，盡可能簡化硬件電路，在較為簡單的電路條件下，精準(zhǔn)檢測信號信息。

3.1 電流互感器設(shè)計(jì)

    電流互感器為整個(gè)檢測裝置的基礎(chǔ)部分，負(fù)責(zé)最原始信號的采集，互感器的制作工藝以及材料的選擇都會(huì)直接影響磁通的大小，對電流信號的準(zhǔn)確測量產(chǎn)生直接影響。為此，設(shè)計(jì)中采用導(dǎo)磁性較好的鐵錳合金?；ジ衅鞯闹谱魅鐖D7所示。

3.2 電壓跟隨器電路設(shè)計(jì)

    為提高電壓信號的穩(wěn)定性，防止其衰減造成檢測精度下降，電路中加入電壓跟隨器。電壓跟隨器的輸出信號幾乎與輸入信號一致，并且其高輸入與低輸出阻抗可以有效地將前后級進(jìn)行隔離，防止相互影響。本設(shè)計(jì)采用具有較高精度、穩(wěn)壓效果較好的LM358AD進(jìn)行跟隨器制作，具體原理如圖8所示。

3.3 電壓偏置電路

    本設(shè)計(jì)采用STM32F407作為處理器。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗，供電系統(tǒng)參考了文獻(xiàn)[17-18]所提出的電源電路設(shè)計(jì)方法。由于采樣模塊輸入電壓范圍是0～3 V，信號進(jìn)入芯片前，需進(jìn)行抬升處理。為此本設(shè)計(jì)采用了基于OPA4343的電壓偏置電路，具體設(shè)計(jì)圖如圖9所示，該偏置電路可將-5 V～+5 V電壓轉(zhuǎn)化為0～3 V。

3.4 A/D采樣電路

    經(jīng)過電壓偏置電路后，信號抬升為正值，在采樣電路中，一般設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循低功耗、高精度的要求。為此在采樣電路的設(shè)計(jì)中采樣ADS8364作為A/D轉(zhuǎn)換的核心，該芯片轉(zhuǎn)換精度可達(dá)16 bit，信號轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)250 kHz，滿足高精度信號檢測標(biāo)準(zhǔn)。具體電路圖如圖10所示。

3.5 軟件算法設(shè)計(jì)

    信號經(jīng)過采樣以及芯片外圍電路進(jìn)入控制芯片。進(jìn)入芯片的信號可能是正弦信號，也可能夾雜其他頻率諧波。為有效分離各次諧波以及盡可能得到信號的幅值以及頻率信息，本設(shè)計(jì)的軟件核心采用快速傅里葉變換（FFT）。具體程序流程圖如圖11所示。

4 仿真及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

    為驗(yàn)證本文提出的頻率影響理論的正確性，在MATLAB/Simulink中搭建基于SOGI的濾波電路。仿真中，基波相電壓有效值為220 V，加入0.1 pu的5次和7次諧波分量，基波增益k=，5次、7次諧波增益分別為/5和/7，電壓為三相對稱電壓。諧波分離通道設(shè)定基準(zhǔn)頻率為各整數(shù)次諧波。假設(shè)檢測到頻率誤差為2%，圖12為5次諧波電壓正序分量，圖13為5次諧波電壓負(fù)序分量?？梢钥闯觯m然誤差只有2%，但是諧波電壓正序分量幅值不再恒定，負(fù)序分量不在恒為0。并且，幅值最大誤差接近10%。這會(huì)引起諧波補(bǔ)償精準(zhǔn)度下降、基波電壓負(fù)序分量增大、鎖相精度下降等一系列問題。

    當(dāng)檢測頻率誤差變?yōu)?.1%時(shí)，5次諧波通道電壓波形如圖14所示?？梢悦黠@看出電壓幅值變化很小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足并網(wǎng)控制要求。

    為驗(yàn)證本檢測裝置的可行性與精準(zhǔn)度，對不同頻率信號進(jìn)行了多組測量，負(fù)載電阻為5 Ω。為保證原始信號與測量結(jié)果對比，用信號發(fā)生器發(fā)出不同頻率信號，功率放大器對信號進(jìn)行放大，測量經(jīng)過電阻的電流大小。具體測量結(jié)果如表1所示。測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行四舍五入，以最大誤差進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)2 000 Hz測得實(shí)際結(jié)果為1 999.5 Hz，此時(shí)頻率誤差為0.025%。

5 結(jié)論

    本文以電壓諧波分離為例，詳細(xì)講解了基于SOGI的諧波電壓分離原理，并分析了頻率檢測誤差給諧波分離帶來的影響。分析表明，某一頻率通道分離得到的諧波峰值的波動(dòng)量會(huì)隨著檢測頻率檢測誤差的增大而增大，負(fù)序通道中負(fù)序電壓也會(huì)隨著檢測誤差的增大而增大，并通過MATLAB進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文中頻率對諧波分離理論分析的正確性。最后設(shè)計(jì)了電流信號檢測裝置，并通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證了中低頻情況下該裝置的高精度頻率檢測特性。

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作者信息:

韓雪龍1，侯銀銀2，顧能華1，韓雙霞1

(1.衢州學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，浙江 衢州324000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司衢州供電公司，浙江 衢州324000)