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?？梢钥闯?，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?，雖然誤差只有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量會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,。

參考文獻(xiàn)

[1] 和劭延,，吳春會，田建君.電流傳感器技術(shù)綜述[J].電氣傳動,，2018,，48(1)：65-75.

[2] YANG X，LIU H,，WANG Y,，et al.A giant magneto resistive(GMR) effect based current sensor with a toroidal magnetic core as flux concentrator and closed-loop configuration[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2013,，24(3)：1-5.

[3] LIN X,，XUE J，XU J.Algorithm selection and non-syn chronous sample error correction of phase measurement in power network[C].International Conference on Mechatronics and Automation.IEEE,，2007：3823-3827.

[4] 陳騫,，鄭瓊林，李艷,，等.漏感對非隔離高效推挽變換器的影響[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),，2014，29(4)：46-53.

[5] 牛里,，楊明,，王庚，等.基于無差拍控制的永磁同步電機(jī)魯棒電流控制算法研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),，2013,，33(15)：78-85.

[6] WU W，MU X,，XU Q,，et al.Effect of frequency offset on power measurement error in digital input electricity meters[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement,，2018,，67(3)：559-568.

[7] 王皓，羅安,，徐千鳴,，等.有源電力濾波器采樣濾波電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)及魯棒控制[J].電力系統(tǒng)自動化，2016,，40(20)：107-113.

[8] 王平,，李剛健，張海寧,，等.改進(jìn)廣義積分器在三相基波正序有功電流檢測中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),，2016，40(10)：3199-3205.

[9] 郭顯鑫,，盧旭,，部英男,，等.原子鐘鈦泵高壓電源及小電流檢測電路設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2017,，38(7)：1606-1615.

[10] 王澤宇,，來新泉.增益可調(diào)通用高精度負(fù)載電流檢測電路[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016,，44(9)：6-10.

[11] DALLAGO E,，PASSONI M，SASSONE G.Lossless current sensing in low-voltage high-current DC/DC modular supplies[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,，2002,，47(6)：1249-1252.

[12] WANG Y，WANG C,，ZENG W,，et al.Multifactorial prediction errors analysis and a feedback self-correction on model predictive control for the three-phase inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2019,，66(5)：3647-3654.

[13] 楊明,，劉杰，梁軒瑞,，等.一種有源功率因數(shù)校正電流畸變抑制控制技術(shù)[J].電力系統(tǒng)自動化,，2014，38(3)：30-35.

[14] WANG Y,，LIU H,，HAN X，et al.Frequency-adaptive grid-virtual-flux synchronization by multiple second-order generalized integrators under distorted grid conditions[J].Turkish Journal of Electrical Engineering & Computer Sciences,，2015,，23(6)：1930-1945.

[15] RODIRGUEZ P，LUNA A,，CANDELA I,，et al.Grid synch-ronization of power converters using multiple second order generalized integrators[C].Industrial Electronics，2008：755-760.

[16] RODRI X,，GUEZ P,，LUNA A，et al.Multiresonant frequency-locked loop for grid synchronization of power converters under distorted grid conditions[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,，2011,，58(1)：127-138.

[17] 王晨輝，吳悅,，楊凱.基于STM32的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2016，42(1)：51-53.

[18] 卞楠,，馬聰.基于CPLD的光伏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2016,，42(2)：68-70.

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)