基于LabVIEW的虚拟仪器谐波分析及测试方法

曹 莹， 徐秀芬， 侯永强， 帕尔哈提·阿布都克里木

( 1. 东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 中国石油新疆油田分公司 实验检测研究院，新疆 克拉玛依 834000 )

0 引言

变频调速技术及其产品被广泛应用于电力、机械、石油化工等重点耗能领域，变频器在工作时易产生谐波而严重降低系统的电能质量，进而影响正常的生产运行。因此，对变频调速系统开展谐波测试和评价成为能源领域、重点耗能行业研究的热点[1-4]。

目前，有关谐波测试与分析评价主要依据相关标准，国际上主要参考IEC61000、IEEE519等，中国主要依据GB/T 14549—1993、GB/T 17626—2012，其中，石油天然气行业主要依据SY/T 6834—2017[5-6]。SY/T 6834—2017将变频器、电动机及其拖动负载界定为变频调速拖动系统，给出7项节能评价指标及其计算方法，其中4项指标(变频器输入侧功率因数、变频器效率、谐波电压限值/电流允许值)与变频器谐波相关，仅针对变频器输入侧谐波；实际上，变频器谐波不仅作用于输入侧(电网侧)，也作用于输出侧，进而对与其相连的电动机、拖动负载的性能等产生影响。鉴于现场操作条件及工况要求，现行标准中的谐波测试、计算与评价方法并不完全适用。

目前，有关谐波测试与评价研究主要聚焦于谐波检测与分析方面[7]，包括对谐波检测过程中的谐波分量提取方法研究。文献[8-10]主要基于传统FFT变换，提出改进S变换、全相位谱细化校正、FFT和DWT组合等改进方式。文献[11-13]从加窗、插值等角度提出防止泄露和提高分量提取准确性的方法，如迭代加窗、各种改进插值方法的组合等。这些改进方法主要侧重于提高谐波检测结果的准确性，考虑技术可行性及工程实际应用推广，需要综合实际工况、测试条件及准确度等因素。另外，工程上常用的谐波及电能质量测试/分析仪器主要有HIOKI3196/3390、Fluke Norma4000/5000等，在满足测试和分析要求的前提下，Norma5000精度更高、性能更好，但是对测试条件要求高、操作复杂、成本高。因此，现有的谐波分析与测试方法存在一定局限性，评价指标无法全面、合理反映谐波对系统的影响，且无明确的谐波影响分析方法。

为全面合理地反映和评价谐波对变频调速拖动系统的影响，根据现场实际工况要求，笔者对现行标准给出的谐波分析评价方法进行改进，从整体上考虑变频调速拖动系统，综合变频器输入、输出侧，研究表征谐波对系统性能影响的评价指标及其计算方法。以LabVIEW软件程序开发为基础，结合数据采集模块，构造谐波测试虚拟仪器，代替Norma5000等传统测试仪器，准确测试和计算变频器输入、输出侧的各项谐波指标，以解决现场普遍存在的谐波测试成本高、操作复杂及测试分析结果不准确等问题。搭建基于LabVIEW的谐波测试与分析实验平台，分析谐波对系统性能的影响规律，确定合理的谐波指标和系统参数运行范围。

1 谐波测试及评价方法

变频调速系统的谐波测试与评价研究主要包括谐波分析与评价方法、谐波测试仪器。其中，谐波测试及评价方法主要依据国际、中国标准(见表1)，常用的电能及谐波测试仪器应用见表2。

表1 谐波测试及评价相关标准分析

表2 常用的电能及谐波测试仪器应用

2 谐波指标分析

2.1 指标体系

基于谐波测试和评价等标准的汇总分析，结合油气田生产特点及现场测试工况要求等，确定变频调速拖动系统的谐波评价指标体系，包括两大类9项指标。其中，变频器输入侧3项、输出侧6项，谐波评价指标体系及计算方法见表3。

表3 谐波评价指标体系及计算方法

评价指标体系中的各指标之间并非完全独立，而是相辅相成的，各项指标从不同角度和层面反映谐波对变频调速拖动系统的影响。不仅能够直观反映谐波的影响程度，还可以反映变频设备及整体系统配置合理与否。根据评价指标体系，结合现有谐波分析方法、电能质量分析及测试仪器、信号处理及谐波分量提取方法，确定9项指标的计算方法(见表3)。

2.2 计算方法

2.2.1 变频器输入侧

谐波电压总畸变率、谐波电流总畸变率、三相电压不平衡度分别为

(1)

(2)

(3)

式中：UIh为输入侧各次谐波电压有效值；UI1为输入侧基波电压有效值；h为谐波次数，取为2,3,…，40；IIh为输入侧各次谐波电流有效值；II1为输入侧基波电流有效值；VIab、VIbc、VIca分别为输入侧线电压有效值；VIavg为输入侧三相线电压平均值。

2.2.2 变频器输出侧

谐波电压总畸变率、谐波电流总畸变率、三相电压不平衡度分别为

(4)

(5)

(6)

式中：UOh为输出侧各次谐波电压有效值；UO1为输出侧基波电压有效值；IOh为输出侧各次谐波电流有效值；IO1为输出侧基波电流有效值；VOab、VObc、VOca分别为输出侧线电压有效值；VOavg为输出侧三相线电压平均值。

供电电压谐波因数、电流谐波因数分别为

(7)

(8)

式中：n为谐波次数，对于三相交流电动机，不含3及3的倍数，k=13；Udn为电动机端n次谐波电压有效值与额定电压UN之比；Idn为电动机端n次谐波电流有效值与额定电流IN之比。

谐波电流允许值是指各次谐波对应的最大允许电流。通过各次谐波电流有效值与谐波电流允许值之比，可以判断相应(奇/偶次)次数谐波的电流是否满足限值要求。

3 谐波测试方法

3.1 虚拟仪器

谐波测试虚拟仪器是采用LabVIEW软件程序开发的，可以完成传统谐波测试仪器(如Norma5000)内置的信号处理、谐波分析模块及算法，同时外置数据采集卡，实现对测试前端的电信号数据的采集与传输，构成一套完整的谐波测试虚拟仪器。采用虚拟仪器与传统仪器进行谐波测试与分析结果见表4。

表4 虚拟仪器与传统仪器谐波测试与分析结果

由表4可知，采用传统测试方法中HIOKI3169、3390等测试仪器，对变频器谐波的测试分析结果准确性相对较低，实际指导意义差。采用Norma5000测试仪器的测试及分析结果准确度高，但是操作复杂性和测试成本高。采用基于LabVIEW虚拟仪器的测试方法不仅能够精准测试和计算变频器输入、输出侧的各项谐波指标，且能够通过谐波分析得到输入/输出端的全波、基波功率，为变频调速装置、系统能耗及能效水平分析提供基础数据。

3.2 测试方法

若要分析谐波对变频调速拖动系统整体及各组成部分(变频器、电动机、生产机械)的影响，则需要对变频器输入、输出侧及执行机构进行同步测试。

对于某类变频调速拖动系统，进行谐波测试与评价：

(1)测试项目及测点布置。根据负载类型，确定各项测试参数，变频器输入侧的测点位于变频器控制柜，变频器输出侧测点为电动机输入侧，拖动负载输入侧为电动机输出侧(输出轴扭矩测试)。

(2)基础参数测试。在系统稳定工况条件下，对各参数进行同步测试。

(3)数据采集与信号处理。通过外置数据采集卡，实现与前端测试数据信号的通信与传输，基于LabVIEW的谐波信号处理与分析程序模块，进行谐波分量提取，虚拟仪器设置的谐波分量有效提取次数为2～40次[18-19]。

(4)谐波指标计算与评价。在谐波分量提取基础上，采用谐波指标计算方法，得到各项谐波指标结果，为谐波的影响性分析提供基础数据。

4 实验结果

4.1 实验台及参数设置

以电动机为模拟负载，采用油田常用的PWM变频器，搭建基于虚拟仪器的变频调速拖动系统实验台(见图1)，基本参数见表5。

图1 基于虚拟仪器的变频调速拖动系统实验台Fig.1 Experiment platform of variable frequency system based on virtual instrument for harmonic testing

表5 实验基本参数

实验设置50种工况，选择其中的2种工况进行可行性验证，汇总文中测试方法与Norma5000测试的电参数结果(见表6)。由表6可知，采用文中测试方法与Norma5000测试结果基本一致，平均相对误差为0.69%，验证文中测试方法的可行性和准确性。变频器输入、输出侧谐波分量的提取结果见图2。由图2可知，谐波分量的提取结果主要显示谐波次数为2～40次，在电源频率及其倍数附近，验证谐波分量提取的有效性和准确性。

表6 电参数测试结果

4.2 测试结果

根据实验基本参数，采用基于虚拟仪器的谐波测试与评价方法进行50种工况应用，包括5种频率、分别对应10种负载变化的谐波指标测试计算。变频器输入、输出侧8项谐波评价指标计算结果见表7。文中测试方法还可以计算变频器效率，结合电动机效率的测试结果，得到变频调速拖动装置效率。

表7 变频器输入/输出端谐波指标测试计算结果(部分)

4.3 谐波指标影响分析

根据各项谐波指标计算结果，分析谐波对变频调速系统中设备(变频器、电动机)及变频调速装置的性能影响。

4.3.1 频率

5种频率下，变频器、电动机及变频调速装置的效率随频率的变化关系曲线见图3。由图3可知，(1)同一频率下，设备效率在额定负载状态下为最佳状态，随模拟负载的增加，变频器、电动机负载率也随之越接近于额定状态，效率呈增加趋势；电动机在负载超过最佳状态时，效率略有下降。(2)不同频率下，设备效率有所不同。随频率的降低，高次谐波成分的电流波形中的电流含量相对增加，导致变频器和电动机损耗(主要为铜损和铁损)随之增加，因此设备效率随频率的降低而呈逐渐减小趋势。

图3 频率对变频系统性能的影响Fig.3 The frequency influence on the performance of frequency system

4.3.2 谐波

谐波对变频调速系统性能的影响主要体现在各项谐波指标与设备效率之间的变化关系。以电压总畸变率、电流总畸变率指标为例，分析谐波对变频系统性能的影响效果。

(1)电压总畸变率。变频器输入/输出侧电压总畸变率与变频器、电动机效率的变化关系曲线见图4。由图4可知，变频器输入、输出侧的变化规律基本一致，对设备性能的影响结果也基本一致，即电压总畸变率越大，设备及变频调速装置的运行效率越高。对于40 Hz以上工况，输入侧的影响占比较大，电压总畸变率不能过高，一般控制在6%以内，以减少谐波对设备性能及系统运行稳定性的影响。因此，在变频系统运行时，可在允许范围内尽量提高电压总畸变率，同时考虑电流总畸变率的影响。

图4 电压总畸变率对系统设备性能的影响Fig.4 The VTHD influence on the performance of equipment in frequency system

(2)电流总畸变率。变频器输入/输出侧电流总畸变率与变频器、电动机效率的变化关系曲线见图5。由图5可知，变频器输入、输出侧的变化规律基本一致，对设备性能的影响效果也基本一致，即电流畸变率越大，设备及变频调速装置的运行效率越低，且输入侧的电流总畸变率远高于输出侧的，起主要作用。因此，要想保证变频系统良好的运行状态，需要控制输入侧具有较小的电流总畸变率(一般为70%～80%)，以减少对变频系统运行的影响。

图5 电流总畸变率对系统设备性能的影响Fig.5 The ITHD influence on the performance of equipment in frequency system

文中谐波评价指标体系能够全面、合理反映谐波对变频系统及设备性能的影响，提出的基于虚拟仪器的谐波测试方法能够替代成本高、操作复杂的Norma5000测试与分析，且精度和结果满足要求。谐波电流允许值的分析与评价主要依据GB/T 14549—1993，适用性和指导性较差。因此，若想实现系统的节能高效运行，保证系统的电能质量，则需要进行数据统计与分析，确定各项谐波评价指标的限值，以抑制谐波对变频系统的不良影响，实现电能高效率传输与转换。

5 结论

(1)根据变频调速系统工程应用、谐波测试与评价分析，基于虚拟仪器的谐波测试与分析方法，建立涵盖变频器输入侧、输出侧两大类、9项指标的谐波评价指标体系，确定各项指标的计算方法。

(2)通过LabVIEW软件与数据采集模块结合形成谐波测试虚拟仪器，搭建基于虚拟仪器的谐波测试分析实验台，测试及评价方法合理可行。在保证谐波测试与分析准确度基础上，降低谐波测试成本，提高测试效率，操作易实现。

(3)频率对变频调速装置中设备运行效率影响相对较小，在工频50 Hz附近运行效率最高。输入侧电压、电流畸变率影响较大，为了保证较好的电能传输质量，应保证输入侧电压总畸变率在6%以内，电流总畸变率在70%～80%范围。