基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统及方法.pdf

一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统，其特征在于它包括信号采集与预处理电路单元、模数转换电路单元、主控单元、SRAM静态随机存储器单元、CPLD可编程逻辑单元、双端口RAM单元、通信单元、微控制单元、显示单元和输入单元；其工作方法：电流信号采集、转换、过滤、处理、分频及判断；其优越性在于：①硬件装置简单、实用；②测量精度高；③实时性好；④系统的兼容性强；⑤提高电网电能质量。

权利要求书
1.  一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统，其特征在于它包括信号采集与预处理电路单元、模数转换电路单元、主控单元、SRAM静态随机存储器单元、CPLD可编程逻辑单元、双端口RAM单元、通信单元、微控制单元、显示单元和输入单元；其中，所述信号采集与预处理电路单元的输入端接收光伏系统并网逆变器输出端信号，其输出端与模数转换电路单元的输入端连接；所述主控单元的输入端与模数转换电路单元的输出端连接，其输出端与CPLD可编程逻辑单元的输入端连接，且与双端口RAM单元和SRAM静态随机存储器单元呈双相连接；所述双端口RAM单元与微控制单元和CPLD可编程逻辑单元呈双向连接；所述微控制单元的输入端连接键盘输入单元，其输出端与显示单元的输入端连接，同时所述微控制单元还与通信单元呈双向连接；所述通信单元的与并网开关呈双向连接。

2.  根据权利要求1所述一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统，其特征在于所述主控单元是TMS320LF2407A DSP芯片。

3.  根据权利要求1所述一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统，其特征在于所述SRAM静态随机存储器单元是采用CMOS工艺的RT&CMOS SRAM 146818芯片。

4.  根据权利要求1所述一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统，其特征在于所述通信单元是RS485结构。

5.  根据权利要求1所述一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统，其特征在于所述模数转换电路单元为MAX502芯片。

6.  根据权利要求1所述一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统，其特征在于所述微控制单元是H3C的MG9000系列MCU微控制器结构。

7.  根据权利要求1所述一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统，其特征在于所述显示单元是LED输出显示屏，分辨率是800*400；所述输入单元是键盘输入单元，为标准工控机键盘。

8.  根据权利要求1所述一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统，其特征在于所述信号采集与预处理电路单元采用霍尔效应 型电流传感器结构，它是由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容器C1、稳压管Z1、稳压管Z2，运算放大器A1和运算放大器A2组成；所述运算放大器A1负向输入端经电阻R2与其输出端连接，且还通过电阻R1与电流传感器连接，其正向输入端通过电阻R3接地，且运算放大器A1的负向输入端还通过电阻R5与由电阻R4和电阻R6构成的补偿电压电路的中间点连接，所述运算放大器A1的输出端通过电阻R7与运算放大器A2的正向输入端相连；所述运算放大器A2负向输入端通过电阻R10与其输出端相连，同时通过电阻R8接地；所述运算放大器A2通过电阻R10与稳压管Z1和稳压管Z2组成的均压电路的中点相连接；电容器C1与电阻R11相互并联，同时并联于稳压管Z2两端，且一端与电阻R9连接，另一端接地；所述均压中点电压作为输出模拟电压信号经电阻R12模数转换电路的输入端连接。

9.  一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
①信号采集与预处理电路单元采集光伏并网逆变器的输出电流作为检测电流，经过由霍尔效应型电流传感器组成的信号采集与预处理电路对信号电流进行预处理，过滤工频非谐波电流，对谐波电流进行初步处理，同时将电流信号转换产生成电压模拟信号；
②将步骤①得到的电压模拟信号经过模数转换单元转换成的原始数字电压信号x(t)；
③利用主控单元DSP快速数据处理的优势，在DSP中编写Hilbert-Huang变换算法作为DSP对输入谐波电流的处理算法，运用Hilbert-Huang变换方法对原始电压信号进行分频检测，将转换过来的电压信号x(t)分解成不同频率的波形，求取谐波相应的瞬时幅值ai和瞬时频率φi，分解出其中的谐波成分、对谐波综畸变指数THD、谐波电流频率、谐波电流的幅值、暂态振荡、暂态脉冲等，从而得到输出电流电能质量的参数；
④主控单元DSP通过双端口RAM与微控制单元相连，利用微控制单元将检测电流检测的信息通过LED输出显示屏显示出来，该谐波检测系统对光伏逆变器的输出电流进行实时跟踪观测，微控制单元通过 RS485通信单元与并网开关进行实时通信，当谐波THD小于1%，幅频相位与外部电网相差小于5%时，给并网开关发出信号，作为光伏并网判据之一，决定是否并网。

10.  根据权利要求9所述一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统，其特征在于所述步骤④中检测电流检测的信息包括三相谐波电流ihaihbihc电流大小、相位幅值、各次谐波分量组成百分比和谐波综畸变指数THD。

说明书基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统及方法
（一）技术领域：
本发明涉及光伏系统并网逆变器谐波检测，属于光伏发电并网电能质量检测控制领域，尤其是一种基于HHT（Hilbert-Huang transform——希尔伯特-黄变换）的光伏系统并网逆变器谐波检测系统及方法。
（二）背景技术：
并网光伏系统作为一种分散式发电系统，以及光伏发电本身的一些特点，使得并网光伏系统对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如孤岛效应、无功平衡、谐波污染等；谐波污染是光伏并网系统安全可靠运行必须解决的一个问题，光伏系统中的谐波主要是在光伏并网逆变的逆变过程中产生的，它会使功率因素恶化、电压波形畸变、增加电磁干扰，对电网造成危害；并且当光伏逆变器轻载运行时，逆变器输出的谐波含量会明显增大，在20%额定出力以下时，电流谐波总畸变率（THD）会超过5%，因此对光伏并网系统关键装置并网逆变器输出电流的谐波进行快速、准确的测量是很有必要的。
电力谐波检测的方法有很多种，目前主要有滤波法、傅里叶变换、小波变换、瞬时无功功率理论、正交变换法和人工智能法等。其中快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，简称FFT），是当前电力系统中检测谐波最常用的方法；在实际电力系统中，系统频率是在工频附近波动的，这就很难保证对信号采样的同步性，即很难保证采样频率与信号频率成整数倍关系，这就会出现频谱泄露问题。
（三）发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统及方法，它可以客服上述背景技术中的不足，是一种可以实现电流信号同步、快速、准确、实时检测的系统，且运算速度快，精度高。
本发明的技术方案：一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统，其特征在于它包括信号采集与预处理电路单元、模数转换电路单元、主控单元、SRAM静态随机存储器单元、CPLD可编程逻辑 单元、双端口RAM单元、通信单元、微控制单元、显示单元和输入单元；其中，所述信号采集与预处理电路单元的输入端接收光伏系统并网逆变器输出端信号，其输出端与模数转换电路单元的输入端连接；所述主控单元的输入端与模数转换电路单元的输出端连接，其输出端与CPLD可编程逻辑单元的输入端连接，且与双端口RAM单元和SRAM静态随机存储器单元呈双相连接；所述双端口RAM单元与微控制单元和CPLD可编程逻辑单元呈双向连接；所述微控制单元的输入端连接键盘输入单元，其输出端与显示单元的输入端连接，同时所述微控制单元还与通信单元呈双向连接；所述通信单元的与并网开关呈双向连接。
所述主控单元是TMS320LF2407A DSP芯片。
所述SRAM静态随机存储器单元是采用CMOS工艺的RT&CMOS SRAM 146818芯片。
所述通信单元是RS485结构。
所述模数转换单元为MAX502芯片。
所述微控制单元是H3C的MG9000系列MCU微控制器结构。
所述显示单元是LED输出显示屏，分辨率是800*400。
所述输入单元是键盘输入单元，为标准工控机键盘。
所述信号采集与预处理电路单元采用霍尔效应型电流传感器结构，它是由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容器C1、稳压管Z1、稳压管Z2，运算放大器A1、运算放大器A2组成；所述运算放大器A1负向输入端经电阻R2与其输出端连接，且还通过电阻R1与电流传感器连接，其正向输入端通过电阻R3接地，且运算放大器A1的负向输入端还通过电阻R5与由电阻R4和电阻R6构成的补偿电压电路的中间点连接，所述运算放大器A1的输出端通过电阻R7与运算放大器A2的正向输入端相连；所述运算放大器A2负向输入端通过电阻R10与其输出端相连，同时通过电阻R8接地；所述运算放大器A2通过电阻R10与稳压管Z1和稳压管Z2组成的均压电路的中点相连接；电容器C1与电阻R11相互并联，同时并联于稳压管Z2两端，且一端与电阻R9连接，另一端接地；所述均压中点电压作为输出模拟电 压信号经电阻R12模数转换电路的输入端连接。
一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
①信号采集与预处理电路单元采集光伏并网逆变器的输出电流作为检测电流，经过由霍尔效应型电流传感器组成的信号采集与预处理电路对信号电流进行预处理，过滤工频非谐波电流，对谐波电流进行初步处理，同时将电流信号转换产生成电压模拟信号；
②将步骤①得到的电压模拟信号经过模数转换单元转换成的原始数字电压信号x(t)；
③利用主控单元DSP快速数据处理的优势，在DSP中编写Hilbert-Huang变换算法作为DSP对输入谐波电流的处理算法，运用Hilbert-Huang变换方法对原始电压信号进行分频检测，将转换过来的电压信号x(t)分解成不同频率的波形，求取谐波相应的瞬时幅值ai和瞬时频率φi，分解出其中的谐波成分、对谐波综畸变指数THD、谐波电流频率、谐波电流的幅值、暂态振荡、暂态脉冲等，从而得到输出电流电能质量的参数；
④主控单元DSP通过双端口RAM与微控制单元相连，利用微控制单元将检测电流检测的信息通过LED输出显示屏显示出来，该谐波检测系统对光伏逆变器的输出电流进行实时跟踪观测，微控制单元通过RS485通信单元与并网开关进行实时通信，当谐波THD小于1%，幅频相位与外部电网相差小于5%时，给并网开关发出信号，作为光伏并网判据之一，决定是否并网。
所述步骤④中检测电流检测的信息包括三相谐波电流ihaihbihc电流大小、相位幅值、各次谐波分量组成百分比和谐波综畸变指数THD。
本发明的工作原理：（1）信号采集与预处理电路单元设计：采用霍尔效应型电流传感器结构（见图2），传感器串接于并网逆变器与并网隔离变压器之间；本设计中选用的传感器为Allegro生产的ACS712ELCTR-05B-T，该霍尔传感器可以测量带宽为80kHz的电流，它能在初级和次级间提供2.1kV的隔离。其输出灵敏度为180mv/A，内部偏置电压为2.5V；为了使电流检测电路输出的信号满足控制器电压范围，在电流传感器的输出部分加上了3.235V的补偿电压，然后通 过同相放大器进行放大，控制器的ADC引脚将会获得1.65V的补偿；电流信号采集与预处理电路,来自传感器的检测信号,在用互感器检测三相电流时，经过R1=100K输入至单位增益差分放大器的反相引脚,由R4=1.8K、R6=3.3K组成分压电路，该电路中点电压为3.235V作为补偿电压施加于放大器OPO7-1同相引脚,相当于在电流传感器的输出部分加上了3.235V的补偿电压，然后经过电阻R7=1.69K通过同相放大器OPO7-2，OPO7-2作用是将R2两端的电压放大1.5倍，因此R4：R5=2：1，信号被馈送到ADC的模拟通道电流信号，使阻抗变大，提高其输出能力。R9和C1构成一个简单的滤波电路。同时稳压管VZ1和VZ2构成稳压电路，是输出模拟信号得到1.65V的电压补偿，模拟信号的输出信号范围为0-5V，保护DSP的A/D采集通道不会出现过电压，确保A/D转换不会因为输入电压超量程而损坏。因此，可以进行有效的测量。检测终端首先将光伏逆变器输出电流转换为标称值为5V的电压，实现对光伏并网系统中的电流信号的采集和预处理。
（2）模数转换电路的设计：由电流信号采集和预处理电路采集的电压信号，进行高通滤波，过滤工频非谐波分量，信号经MAX502 A/D转换单元进行模数转换，输入失调电压：<±1mV(未调整)，输入失调温漂：±5μV/℃，增益误差：<0.07%(未调整)，确保电压模拟信号变换成数字信号x(t)，并存入数据存储器，以备调取信号。
（3）所述主控单元设计：采用TMS320LF2407A DSP，采集数字电压信号x(t),采集频率为2500Hz,由于DSP具有很强的数字处理计算能力,经过DSP对输入的信号进行运算处理,利用基于Hilbert-Huang变换的方法对信号分解为一系列的本征模函数，得到本征模函数近似单频率成分的信号。
使用全键盘通过MCU微控制单元，向DSP中编写本发明核心的基于Hilbert-Huang变换的电流检测方法，存入所述的存储单元闪存芯片，分解采集电压信号x(t)。
该转换方法的实现包括如下具体程序流程（见图3）：
通过经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)的方法,将信号分解为一系列的本征模函数(intrinsic mode function,IMF);得到本征模函数近似单频率成分的信号：
步骤1：频谱测量范围是0～2500Hz，所以被测信号的最高频率为fh=50Hz*50=2500Hz，也就是本设备最高可以检测到次谐波，找到DSP采集到的电压信号x(t)上的所有极大值点和极小值点,然后用三次样条曲线把所有的极大值点连接起来,得到上包络线;用同样的方法把局部极小值点也连接起来,得到x(t)的下包络线,上下包络线应当分别涵盖全部的极大值和极小值,计算出它们的平均值曲线m1(t),用x(t)减去m1(t)得:
h(t)=x(t)-m1(t)
其中h(t)是原始电压信号x(t)的第一部分谐波分量，但这只是蹄选过程的第一步,如果h(t)不满足对IMF的要求,仍需把作为原数字电压信号信号x（t）继续重复上面的步骤得出:
h11(t)=h1(t)-m1(t)
这样筛选k次,直到h1k变为一个符合要求的本征模函数，即
h1k(t)=h1(k-1)(t)-m1k(t)
如此就可以从原电压信号x(t)中分解得到第一个本征模函数分量,表示一个谐波频率函数c1(t),记作:
c1(t)=h1k(t)
步骤2：把分解的第一个谐波频率函数c1(t)从原电压信号x(t)中分离出去，得到第一阶剩余信号r1(t)
r1(t)=x(t)-c1(t)
ri(t)称为趋势项，把r1(t)作为新的原信号,重复步骤(1)。对后面的ri(t)进行相同的筛选,可求得:
r(t)-c2(t)=r2(t)...rn-1(t)-cn(t)=rn(t)]]>
当rn(t)中得不能分解出本征模函数分量（也就是不能再分解出单 次谐波频率ci(t)是）,而成为一个单调函数时,整个分解过程结束,最后那个变化简单的剩余序列称为趋势项rn(t)，可得到：
x(t)=Σi=1nci(t)+rn(t)]]>
最后电压信号x(t)可分解成n个具瞬时频率意义的固有模态函数与一个余量的和，rn(t)称为残余函数，这个瞬时频率就是各次谐波频率，代表信号的平均趋势。
步骤3：对输入电压信号x(t)由经验模态分解分解得到的本征模函数分量ci(t)作Hilbert变换得到各次谐波的幅值函数和相位函数（ci(t)其实表示的是各次谐波分量）。
ci^=1π&Integral;-∞+∞ci(τ)t-τdτ]]>
构造解析信号
zi(t)=ci(t)+jci^(t)=ai(t)ejφi(t)]]>
单次谐波幅值函数为
ai(t)=ci2(t)+c^i2(t)]]>
单次谐波相位函数为
φi(t)=arctanc^i(t)ci(t)]]>
单次谐波瞬时频率为
fi(t)=12πwi(t)=12πdφi(t)dt]]>
通过经验模态的分解步骤,该分解方法的实质是要把含有多频率成分的信号,分解成为若干个单频率成分信号。
（4）在对暂态振荡信号和谐波信号分析时,经验模态分解有时不能实现正确筛分,所得分解结果失去意义,对分析方法进行改进,对暂 态振荡信号分析发生模态混叠,采用叠加高频强信号的方法改善模态混叠问题;
运用DSP对本征模函数的各次频率的幅值函数相位函数进行分析，提取出谐波分量，得到单频率信号后我们获取电流谐波的相关参数，对THD、谐波电流频率、谐波电流的幅值、暂态振荡、暂态脉冲等，通过所述双端口RAM将相关信息输出到所述为处理单元MCU进行人机界面的处理。
（5）所述微处理单元MCU设计：除上述通过连接键盘对DSP程序进行编辑的功能，还能将所述双输出端口RAM输出的数据转换成能显示的三相谐波电流ihaihbihc，各次谐波分量组成，谐波综畸变（THD），将参数用LED显示屏显示，实现对电流、频率等参数进行实时检测和对其进行谐波分析。同时判断当谐波THD小于1%，幅频相位与外部电网相差小于5%时，通过所述通信单元RS485与并网开关实现通信，作为并网开关闭合实现光伏发电并网的判据之一。DSP单元主要完成电流数字信号的采集及对其进行Hilbert-Huang变换的工作。
本发明的优越性在于：①硬件装置简单、实用；②通过基于HHT变换谐波检测方法实现高测量精度；③实时性好，执行速度快使得指令周期缩短到25ns（40MHz）；④系统的兼容性强，RS485为数据交换提供了可靠的通讯手段；⑤该系统实现了对电网谐波分量的实时监测，通过谐波分析确定逆变器是否满足并网条件，分析电力系统实际运行状况，提高电网电能质量。
（四）附图说明：
图1为本发明所涉基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统的整体结构框图。
图2为本发明所涉基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统中的信号采集与预处理电路单元的电路示意图。
图3为本发明所涉基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统工作方法中的HHT算法程序流程图。
（五）具体实施方式：
实施例：一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统（见 图1），其特征在于它包括信号采集与预处理电路单元、模数转换电路单元、主控单元、SRAM静态随机存储器单元、CPLD可编程逻辑单元、双端口RAM单元、通信单元、微控制单元、显示单元和输入单元；其中，所述信号采集与预处理电路单元的输入端接收光伏系统并网逆变器输出端信号，其输出端与模数转换电路单元的输入端连接；所述主控单元的输入端与模数转换电路单元的输出端连接，其输出端与CPLD可编程逻辑单元的输入端连接，且与双端口RAM单元和SRAM静态随机存储器单元呈双相连接；所述双端口RAM单元与微控制单元和CPLD可编程逻辑单元呈双向连接；所述微控制单元的输入端连接键盘输入单元，其输出端与显示单元的输入端连接，同时所述微控制单元还与通信单元呈双向连接；所述通信单元的与并网开关呈双向连接。
所述主控单元是TMS320LF2407A DSP芯片。
所述SRAM静态随机存储器单元是采用CMOS工艺的RT&CMOS SRAM 146818芯片。
所述通信单元是RS485结构。
所述模数转换单元为MAX502。
所述微控制单元是H3C的MG9000系列MCU微控制器结构。
所述显示单元是LED输出显示屏，分辨率是800*400。
所述输入单元是键盘输入单元，为标准工控机键盘。
所述信号采集与预处理电路单元（见图2）采用霍尔效应型电流传感器结构，它是由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容器C1、稳压管Z1、稳压管Z2，运算放大器A1、运算放大器A2组成；所述运算放大器A1负向输入端经电阻R2与其输出端连接，且还通过电阻R1与电流传感器连接，其正向输入端通过电阻R3接地，且运算放大器A1的负向输入端还通过电阻R5与由电阻R4和电阻R6构成的补偿电压电路的中间点连接，所述运算放大器A1的输出端通过电阻R7与运算放大器A2的正向输入端相连；所述运算放大器A2负向输入端通过电阻R10与其输出端相连，同时通过电阻R8接地；所述运算放大器A2通过电阻R10与稳压管Z1和稳压管Z2组成的均压电路的 中点相连接；电容器C1与电阻R11相互并联，同时并联于稳压管Z2两端，且一端与电阻R9连接，另一端接地；所述均压中点电压作为输出模拟电压信号经电阻R12模数转换电路的输入端连接。
一种基于HHT的光伏系统并网逆变器谐波检测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
①信号采集与预处理电路单元采集光伏并网逆变器的输出电流作为检测电流，经过由霍尔效应型电流传感器组成的信号采集与预处理电路对信号电流进行预处理，过滤工频非谐波电流，对谐波电流进行初步处理，同时将电流信号转换产生成电压模拟信号；
②将步骤①得到的电压模拟信号经过模数转换单元转换成的原始数字电压信号x(t)；
③利用主控单元DSP快速数据处理的优势，在DSP中编写Hilbert-Huang变换算法作为DSP对输入谐波电流的处理算法，运用Hilbert-Huang变换方法对原始电压信号进行分频检测，将转换过来的电压信号x(t)分解成不同频率的波形，求取谐波相应的瞬时幅值ai和瞬时频率φi，分解出其中的谐波成分、对谐波综畸变指数THD、谐波电流频率、谐波电流的幅值、暂态振荡、暂态脉冲等，从而得到输出电流电能质量的参数；
④主控单元DSP通过双端口RAM与微控制单元相连，利用微控制单元将检测电流检测的信息通过LED输出显示屏显示出来，该谐波检测系统对光伏逆变器的输出电流进行实时跟踪观测，微控制单元通过RS485通信单元与并网开关进行实时通信，当谐波THD小于1%，幅频相位与外部电网相差小于5%时，给并网开关发出信号，作为光伏并网判据之一，决定是否并网。
所述步骤④中检测电流检测的信息包括三相谐波电流ihaihbihc电流大小、相位幅值、各次谐波分量组成百分比和谐波综畸变指数THD。