基于hht的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于它包括信號采集與預處理電路單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路單元、主控單元、SRAM靜態(tài)隨機存儲器單元、CPLD可編程邏輯單元、雙端口RAM單元、通信單元、微控制單元、顯示單元和輸入單元；其工作方法：電流信號采集、轉(zhuǎn)換、過濾、處理、分頻及判斷；其優(yōu)越性在于：①硬件裝置簡單、實用；②測量精度高；③實時性好；④系統(tǒng)的兼容性強；⑤提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。
【專利說明】基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)及方法
(一)【技術(shù)領域】:
[0001]本發(fā)明涉及光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測，屬于光伏發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量檢測控制
領域，尤其是一種基于HHT (Hilbert-Huang transform-希爾伯特-黃變換)的光伏系
統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)及方法。
(二)【背景技術(shù)】:
[0002]并網(wǎng)光伏系統(tǒng)作為一種分散式發(fā)電系統(tǒng)，以及光伏發(fā)電本身的一些特點，使得并網(wǎng)光伏系統(tǒng)對傳統(tǒng)的集中供電系統(tǒng)的電網(wǎng)會產(chǎn)生一些不良的影響，如孤島效應、無功平衡、諧波污染等；諧波污染是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠運行必須解決的一個問題，光伏系統(tǒng)中的諧波主要是在光伏并網(wǎng)逆變的逆變過程中產(chǎn)生的，它會使功率因素惡化、電壓波形畸變、增加電磁干擾，對電網(wǎng)造成危害；并且當光伏逆變器輕載運行時，逆變器輸出的諧波含量會明顯增大，在20%額定出力以下時，電流諧波總畸變率(THD)會超過5%，因此對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵裝置并網(wǎng)逆變器輸出電流的諧波進行快速、準確的測量是很有必要的。
[0003]電力諧波檢測的方法有很多種，目前主要有濾波法、傅里葉變換、小波變換、瞬時無功功率理論、正交變換法和人工智能法等。其中快速傅里葉變換(Fast FourierTransform，簡稱FFT)，是當前電力系統(tǒng)中檢測諧波最常用的方法；在實際電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)頻率是在工頻附近波動的，這就很難保證對信號采樣的同步性，即很難保證采樣頻率與信號頻率成整數(shù)倍關(guān)系，這就會出現(xiàn)頻譜泄露問題。
(三)
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)及方法，它可以客服上述【背景技術(shù)】中的不足，是一種可以實現(xiàn)電流信號同步、快速、準確、實時檢測的系統(tǒng)，且運算速度快，精度高。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于它包括信號采集與預處理電路單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路單元、主控單元、SRAM靜態(tài)隨機存儲器單元、CPLD可編程邏輯單元、雙端口 RAM單元、通信單元、微控制單元、顯示單元和輸入單元；其中，所述信號采集與預處理電路單元的輸入端接收光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器輸出端信號，其輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路單元的輸入端連接；所述主控單元的輸入端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路單元的輸出端連接，其輸出端與CPLD可編程邏輯單元的輸入端連接，且與雙端口 RAM單元和SRAM靜態(tài)隨機存儲器單元呈雙相連接；所述雙端口 RAM單元與微控制單元和CPLD可編程邏輯單元呈雙向連接；所述微控制單元的輸入端連接鍵盤輸入單元，其輸出端與顯示單元的輸入端連接，同時所述微控制單元還與通信單元呈雙向連接；所述通信單元的與并網(wǎng)開關(guān)呈雙向連接。
[0006]所述主控單元是TMS320LF2407A DSP芯片。
[0007]所述SRAM靜態(tài)隨機存儲器單元是采用CMOS工藝的RT&CMOS SRAM 146818芯片。
[0008]所述通信單元是RS485結(jié)構(gòu)。[0009]所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元為MAX502芯片。
[0010]所述微控制單元是H3C的MG9000系列MCU微控制器結(jié)構(gòu)。
[0011]所述顯示單元是LED輸出顯示屏，分辨率是800*400。
[0012]所述輸入單元是鍵盤輸入單元，為標準工控機鍵盤。
[0013]所述信號采集與預處理電路單元采用霍爾效應型電流傳感器結(jié)構(gòu)，它是由電阻RU電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電容器Cl、穩(wěn)壓管Z1、穩(wěn)壓管Z2，運算放大器Al、運算放大器A2組成；所述運算放大器Al負向輸入端經(jīng)電阻R2與其輸出端連接，且還通過電阻Rl與電流傳感器連接，其正向輸入端通過電阻R3接地，且運算放大器Al的負向輸入端還通過電阻R5與由電阻R4和電阻R6構(gòu)成的補償電壓電路的中間點連接，所述運算放大器Al的輸出端通過電阻R7與運算放大器A2的正向輸入端相連；所述運算放大器A2負向輸入端通過電阻RlO與其輸出端相連，同時通過電阻R8接地；所述運算放大器A2通過電阻RlO與穩(wěn)壓管Zl和穩(wěn)壓管Z2組成的均壓電路的中點相連接；電容器Cl與電阻Rll相互并聯(lián)，同時并聯(lián)于穩(wěn)壓管Z2兩端，且一端與電阻R9連接，另一端接地；所述均壓中點電壓作為輸出模擬電壓信號經(jīng)電阻Rl2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接。
[0014]一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)的工作方法，其特征在于它包括以下步驟:
[0015]①信號采集與預處理電路單元采集光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電流作為檢測電流，經(jīng)過由霍爾效應型電流傳感器組成的信號采集與預處理電路對信號電流進行預處理，過濾工頻非諧波電流，對諧波電流進行初步處理，同時將電流信號轉(zhuǎn)換產(chǎn)生成電壓模擬信號；
[0016]②將步驟①得到的電壓模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成的原始數(shù)字電壓信號x(t)；
[0017]③利用主控單元DSP快速數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢，在DSP中編寫Hilbert-Huang變換算法作為DSP對輸入諧波電流的處理算法，運用Hilbert-Huang變換方法對原始電壓信號進行分頻檢測，將轉(zhuǎn)換過來的電壓信號x(t)分解成不同頻率的波形，求取諧波相應的瞬時幅值ai和瞬時頻率Φ i，分解出其中的諧波成分、對諧波綜畸變指數(shù)THD、諧波電流頻率、諧波電流的幅值、暫態(tài)振蕩、暫態(tài)脈沖等，從而得到輸出電流電能質(zhì)量的參數(shù)；
[0018]④主控單元DSP通過雙端口 RAM與微控制單元相連，利用微控制單元將檢測電流檢測的信息通過LED輸出顯示屏顯示出來，該諧波檢測系統(tǒng)對光伏逆變器的輸出電流進行實時跟蹤觀測，微控制單元通過RS485通信單元與并網(wǎng)開關(guān)進行實時通信，當諧波THD小于1%，幅頻相位與外部電網(wǎng)相差小于5%時，給并網(wǎng)開關(guān)發(fā)出信號，作為光伏并網(wǎng)判據(jù)之一，決定是否并網(wǎng)。
[0019]所述步驟④中檢測電流檢測的信息包括三相諧波電流ihaihbih。電流大小、相位幅值、各次諧波分量組成百分比和諧波綜畸變指數(shù)THD。
[0020]本發(fā)明的工作原理:(1)信號采集與預處理電路單元設計:采用霍爾效應型電流傳感器結(jié)構(gòu)(見圖2)，傳感器串接于并網(wǎng)逆變器與并網(wǎng)隔離變壓器之間；本設計中選用的傳感器為Allegro生產(chǎn)的ACS712ELCTR-05B-T，該霍爾傳感器可以測量帶寬為80kHz的電流，它能在初級和次級間提供2.1kV的隔離。其輸出靈敏度為180mv/A，內(nèi)部偏置電壓為
2.5V ;為了使電流檢測電路輸出的信號滿足控制器電壓范圍，在電流傳感器的輸出部分加上了 3.235V的補償電壓，然后通過同相放大器進行放大，控制器的ADC引腳將會獲得1.65V的補償；電流信號采集與預處理電路，來自傳感器的檢測信號，在用互感器檢測三相電流時，經(jīng)過Rl=IOOK輸入至單位增益差分放大器的反相引腳，由R4=l.8K、R6=3.3K組成分壓電路，該電路中點電壓為3.235V作為補償電壓施加于放大器0Ρ07-1同相引腳，相當于在電流傳感器的輸出部分加上了 3.235V的補償電壓，然后經(jīng)過電阻R7=l.69K通過同相放大器0P07-2，0P07-2作用是將R2兩端的電壓放大1.5倍，因此R4:R5=2:1，信號被饋送到ADC的模擬通道電流信號，使阻抗變大，提高其輸出能力。R9和Cl構(gòu)成一個簡單的濾波電路。同時穩(wěn)壓管VZl和VZ2構(gòu)成穩(wěn)壓電路,是輸出模擬信號得到1.65V的電壓補償,模擬信號的輸出信號范圍為0-5V，保護DSP的A/D采集通道不會出現(xiàn)過電壓，確保A/D轉(zhuǎn)換不會因為輸入電壓超量程而損壞。因此，可以進行有效的測量。檢測終端首先將光伏逆變器輸出電流轉(zhuǎn)換為標稱值為5V的電壓，實現(xiàn)對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的電流信號的采集和預處理。
[0021](2)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設計:由電流信號采集和預處理電路采集的電壓信號，進行高通濾波，過濾工頻非諧波分量，信號經(jīng)MAX502 A/D轉(zhuǎn)換單元進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入失調(diào)電壓:〈± ImV(未調(diào)整)，輸入失調(diào)溫漂:±5μ V/°C，增益誤差:〈0.07%(未調(diào)整)，確保電壓模擬信號變換成數(shù)字信號X (t)，并存入數(shù)據(jù)存儲器，以備調(diào)取信號。
[0022](3)所述主控單元設計:采用TMS320LF2407A DSP，采集數(shù)字電壓信號x (t)，采集頻率為2500Hz，由于DSP具有很強的數(shù)字處理計算能力，經(jīng)過DSP對輸入的信號進行運算處理，利用基于Hilbert-Huang變換的方法對信號分解為一系列的本征模函數(shù)，得到本征模函數(shù)近似單頻率成分的信號。
[0023]使用全鍵盤通過MCU微控制單元，向DSP中編寫本發(fā)明核心的基于Hilbert-Huang變換的電流檢測方法，存入所 述的存儲單元閃存芯片，分解采集電壓信號X(t)。
[0024]該轉(zhuǎn)換方法的實現(xiàn)包括如下具體程序流程(見圖3):
[0025]通過經(jīng)驗模態(tài)分解(empirical mode decomposition, EMD)的方法，將信號分解為一系列的本征模函數(shù)(intrinsic mode function, IMF);得到本征模函數(shù)近似單頻率成分的信號:
[0026]步驟1:頻譜測量范圍是O~2500Hz，所以被測信號的最高頻率為



,500 H-
fh=50Hz*50=2500Hz,也就是本設備最高可以檢測到n == 50次諧波，找到DSP采集
到的電壓信號x(t)上的所有極大值點和極小值點，然后用三次樣條曲線把所有的極大值點連接起來，得到上包絡線；用同樣的方法把局部極小值點也連接起來，得到x(t)的下包絡線，上下包絡線應當分別涵蓋全部的極大值和極小值，計算出它們的平均值曲線Hl1U),用X (t)減去In1 (t)得:
[0027]h (t) =x (t) -Hi1 (t)
[0028]其中h(t)是原始電壓信號x(t)的第一部分諧波分量，但這只是蹄選過程的第一步，如果h(t)不滿足對MF的要求，仍需把作為原數(shù)字電壓信號信號X (t)繼續(xù)重復上面的步驟得出:
[0029]hn (t) =Ii1 (t) H1 (t)
[0030]這樣篩選k次，直到hlk變?yōu)橐粋€符合要求的本征模函數(shù)，即[0031 ] hlk (t) =Ii1 (η) (t) -mlk (t)[0032]如此就可以從原電壓信號x(t)中分解得到第一個本征模函數(shù)分量，表示一個諧波頻率函數(shù)C1 (t)，記作:
[0033]C1(t)=hlk(t)
[0034]步驟2:把分解的第一個諧波頻率函數(shù)C1 (t)從原電壓信號x(t)中分離出去，得到第一階剩余信號A (t)
[0035]r1 (t) =x (t) -C1 (t)
[0036]ri(t)稱為趨勢項，把A (t)作為新的原信號，重復步驟(1)。對后面的A (t)進行相同的篩選，可求得:
【權(quán)利要求】
1.一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于它包括信號采集與預處理電路單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路單元、主控單元、SRAM靜態(tài)隨機存儲器單元、CPLD可編程邏輯單元、雙端口 RAM單元、通信單元、微控制單元、顯示單元和輸入單元；其中，所述信號采集與預處理電路單元的輸入端接收光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器輸出端信號，其輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路單元的輸入端連接；所述主控單元的輸入端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路單元的輸出端連接，其輸出端與CPLD可編程邏輯單元的輸入端連接，且與雙端口 RAM單元和SRAM靜態(tài)隨機存儲器單元呈雙相連接；所述雙端口 RAM單元與微控制單元和CPLD可編程邏輯單元呈雙向連接；所述微控制單元的輸入端連接鍵盤輸入單元，其輸出端與顯示單元的輸入端連接，同時所述微控制單元還與通信單元呈雙向連接；所述通信單元的與并網(wǎng)開關(guān)呈雙向連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于所述主控單元是TMS320LF2407A DSP芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于所述SRAM靜態(tài)隨機存儲器單元是采用CMOS工藝的RT&CMOS SRAM 146818芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于所述通信單元是RS485結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路單元為MAX502芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于所述微控制單元是H3C的MG9000系列MCU微控制器結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于所述顯示單元是LED輸出顯示屏，分辨率是800*400 ;所述輸入單元是鍵盤輸入單元,為標準工控機鍵盤。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于所述信號采集與預處理電路單元采用霍爾效應型電流傳感器結(jié)構(gòu)，它是由電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電容器Cl、穩(wěn)壓管Zl、穩(wěn)壓管Z2，運算放大器Al和運算放大器A2組成；所述運算放大器Al負向輸入端經(jīng)電阻R2與其輸出端連接，且還通過電阻Rl與電流傳感器連接，其正向輸入端通過電阻R3接地，且運算放大器Al的負向輸入端還通過電阻R5與由電阻R4和電阻R6構(gòu)成的補償電壓電路的中間點連接，所述運算放大器Al的輸出端通過電阻R7與運算放大器A2的正向輸入端相連；所述運算放大器A2負向輸入端通過電阻RlO與其輸出端相連，同時通過電阻R8接地；所述運算放大器A2通過電阻RlO與穩(wěn)壓管Zl和穩(wěn)壓管Z2組成的均壓電路的中點相連接；電容器Cl與電阻Rll相互并聯(lián)，同時并聯(lián)于穩(wěn)壓管Z2兩端，且一端與電阻R9連接，另一端接地；所述均壓中點電壓作為輸出模擬電壓信號經(jīng)電阻R12模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接。
9.一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)的工作方法，其特征在于它包括以下步驟: ①信號采集與預處理電路單元采集光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電流作為檢測電流，經(jīng)過由霍爾效應型電流傳感器組成的信號采集與預處理電路對信號電流進行預處理，過濾工頻非諧波電流，對諧波電流進行初步處理，同時將電流信號轉(zhuǎn)換產(chǎn)生成電壓模擬信號；②將步驟①得到的電壓模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成的原始數(shù)字電壓信號x(t); ③利用主控單元DSP快速數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢，在DSP中編寫Hilbert-Huang變換算法作為DSP對輸入諧波電流的處理算法，運用Hilbert-Huang變換方法對原始電壓信號進行分頻檢測，將轉(zhuǎn)換過來的電壓信號x(t)分解成不同頻率的波形，求取諧波相應的瞬時幅值％和瞬時頻率Φ i，分解出其中的諧波成分、對諧波綜畸變指數(shù)THD、諧波電流頻率、諧波電流的幅值、暫態(tài)振蕩、暫態(tài)脈沖等，從而得到輸出電流電能質(zhì)量的參數(shù)； ④主控單元DSP通過雙端口RAM與微控制單元相連，利用微控制單元將檢測電流檢測的信息通過LED輸出顯示屏顯示出來，該諧波檢測系統(tǒng)對光伏逆變器的輸出電流進行實時跟蹤觀測，微控制單元通過RS485通信單元與并網(wǎng)開關(guān)進行實時通信，當諧波THD小于1%，幅頻相位與外部電網(wǎng)相差小于5%時，給并網(wǎng)開關(guān)發(fā)出信號，作為光伏并網(wǎng)判據(jù)之一，決定是否并網(wǎng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述一種基于HHT的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于所述步驟④中檢測電流檢測的信息包括三相諧波電流ihaihbih。電流大小、相位幅值、各次諧波分量組成百分比和諧波`綜畸變指數(shù)THD。
【文檔編號】G01R23/16GK103529294SQ201310446478
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】高明杰, 馬幼捷, 閔攀, 高峰, 王銀明, 徐 明, 王平, 趙希輝, 鄭宇清, 劉少宇, 吳濤 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)新源張家口風光儲示范電站有限公司