大功率工业整流系统能效测试新方法与工程实践
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇大功率工业整流系统能效测试新方法与工程实践范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
收稿日期：20131019
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51377001）
作者简介：张晓虎（1978-），男，山东莱芜人，湖南大学博士研究生
通讯联系人，Email：
摘要：针对目前国内外并没有大功率整流系统的各部件损耗及效率的实时监测仪器或平台的现状，提出了一种基于光纤以太网通信的大功率整流系统能效测试新方法，并与传统的能效测试方法的同步测量机理、能效分析方法进行了综合比较.给出了一种直流大电流间接反演算法，并通过仿真和实验验证了算法的正确性和工程实用性.最后结合工程实践，对能效测试新方法的具体实施过程进行了详细的阐述.工程实例表明该能效测试方法可以有效实现工业整流系统各供电装备与系统的效率核算，并为提高其装备效率及系统节能提供必要的依据.
关键词：系统节能；能效监测；光纤以太网；多通道数据同步采集；直流大电流间接反演
中图分类号：TM930.1 文献标识码：A
A New Method of Energy Efficiency Measurement and Engineering
Practice of Large Power Industrial Rectifier System
ZHANG Xiaohu1，2， LUO Longfu 1， LI Yong1， ZHOU Ke1
（1.College of Electrical and Information Engineering，Hunan Univ，Changsha，Hunan410082 ，China；
2. Dept of Electrical Engineering，Hunan Univ of Arts and Science， Changde，Hunan415000，China）
Abstract：Up to now there has been no special monitoring equipment or platform for the energy efficiency measurement of large power rectifier system. For this reason， a new method of energy efficiency measurement of large power rectifier system based on the fiber optic Ethernet communication was presented. In order to prove the advantages of the new method， this paper made a comprehensive and comparative study of the measuring principles， and the analytical method of energy efficiency. The method of indirect inversion of heavy direct current proves to be correct and can be well applied in practical projects through simulation and experiments. Finally， by combining with engineering practice， the specific implementation process of the new analytical method of energy efficiency was described. The project case indicates that the efficiency analytic method can correctly calculate the efficiency of the powersupply system of the industrial rectifier system， and can provide a proof of improving the efficiency of the equipments and saving the energy of the system.
Key words： energy saving； energy efficiency measurement； fiber optic ethernet； multichannel synchronous data acquisition； indirect inversion of heavy direct current
目前大功率整流机组在电化学、冶金及轨道交通等领域取得了广泛应用，随着社会对节能减排和清洁能源呼声的日益高涨，这些高能耗领域的企业对整流机组的效率和电能质量也更加关切，加上考虑到经济运行，企业对整流机组及各部件的损耗及效率和电能质量测试需求也日趋强烈[1-3].但是，目前国内外并没有大功率整流系统的各部件损耗实时监测平台.传统的大功率整流系统能效测试方法通常采用多台电能质量分析仪对整流机组进行一段时间的数据录波，并通过复杂的人工计算获得能效测试结果，因此该方法易产生人为误差且不能实现大功率整流系统的实时在线监测与能效分析.本文针对以上问题，提出了一种基于光纤以太网通信的大功率工业整流系统能效测试新方法，并结合工程实例对能效测试方法的监测原理及实施过程进行了详细的阐述.结果表明该能效分析系统可以有效实现工业整流系统各供电装备与系统的效率核算，实现整流变压器及整流器的损耗与效率研究，从而为提高装备效率及系统节能提供必要的依据.
1大功率工业整流系统拓扑
新型12脉波整流系统拓扑结构如图1所示，主要由3部分构成[4-6]：含有载调压的新型整流变压器及其配套全调谐感应滤波装置、三相全波晶闸管可控整流器、具有低电压大电流特性的直流工业负荷.与常规整流系统相比，其添加了一个滤波绕组及其感应滤波装置，可在接近谐波源处进行谐波抑制与无功功率补偿，对于测量方案本身没有本质区别.阀侧接线如图2所示，采用同相逆并联的阀侧绕组在整流柜输入处一分为二，通过12根铜排分别与4个整流桥相连接，每根母排流过全波电流.能效测试系统通过对交流网侧、滤波侧、低压阀侧及直流侧4个测量点进行数据监测，计算整流系统各部件的损耗及效率.图1中标出了各测量点的位置，图2中标出了阀侧采集终端的配置方案.
2算法分析
2.1直流大电流间接反演与计算新方法
在化工、冶金等行业中应用的变流系统容量越来越大，其中直流电流也在不断增大，直流大电流的准确测量一直以来都是尚未有效解决的技术难题[7]；目前测量直流大电流采用最多的为霍尔互感器，工作原理是将电流信号转化为磁场测量，进而测量磁密或磁通、磁势等方法来测量电流，但整流环境具有强腐蚀性和电磁干扰、谐波污染严重以及直流电流大等特点，其测量精度一般不能满足要求[8-10].针对上述直流测量方案的缺陷，本文提出了一种基于阀侧电流叠加反推算法的直流大电流间接反演与计算新方法，该方法已经申请并获得了国家发明专利“一种基于交流检测的直流大电流间接测量的方法及装置”（专利号：ZL201010578601.2）.该反推算法的原理可简单描述如下：
忽略换相过程和直流侧电流脉动情况可推导交流侧电流及其基波和各次谐波与直流电流的关系表达式如下：
ia=23πId（sin ωt-15sin 5ωt-17sin 7ωt+
111sin 11ωt+113sin 13ωt-…）=
23πIdsin ωt+23πId∑ω（-1）k1nsin nωt=
2I1sin ωt+∑ω（-1）k2Insin nωt.
I1=6πId，
In=6nπId. （n=6k±1，k=1，2，3，…） （1）
式（1）表征了换流器直流电流与交流电流的变换关系.以上的分析可体现两方面的特征：①交流信号经过换流器非线性调制后转化为具有一定谐波频率的直流电流；②直流信号及谐波信号势必引起交流侧产生基波及谐波电流.
忽略了换向过程、直流侧脉动及晶闸管阻容等条件，是为了减小换流器直流电流与交流电流的变换关系推导的复杂性，这肯定会在一定程度上影响其变换关系推导的准确性；但该部分推导的主要目的只是为了表征交直流电流之间具有较为严格的对应关系，为后面给出的基于阀侧交流电流叠加反推直流电流算法的设想提供理论支持与依据，而并不作为交流反推直流的直接公式；本文将以此为理论分析基础，来阐述直流大电流间接反演算法的原理.
反演算法的原理是通过高精度交流电流互感器和测量终端对阀侧三相正半波多路电流信号进行同步采样处理，通过阀侧正半波电流的叠加处理即可实现直流电流的反演与推算，图3给出了交流电流到直流电流的反演示意图.阀侧叠加反演直流电流算法过程如下.
1）利用图2所示测量终端同步采集阀侧绕组接出的所有交流电流信号，形成n个具有s个采样点的电流序列[i1[s]i2[s]…in[s]] （n为阀侧绕组接出的电流信号个数，其数值与阀侧绕组的接线方式有关；s为采样点个数），然后对in[s]数值进行判断，若in[s]0，则保持in[s]数值不变.
2）对步骤（1）重新获得的电流序列in[s]进行叠加计算，求得推算的直流电流序列id[s]：
id[s]=∑12n=1in[s]. （2）
2.2大功率工业整流系统能效分析算法
本节以图2所示低压阀侧绕接线方式的12脉波整流系统为例来介绍能效分析算法.
2.2.1整流系统各测量点有功功率的计算
对于交流网侧和滤波侧，采用的是三相四线制测量方法，引入的电压信号为相电压，根据式（3）可得交流网侧和滤波侧有功功率PG和PF.US和IS分别为相电压和电流采样序列.
P=1M∑M-1S=0USIS. （3）
对于低压阀侧，采用的是三相三线制测量方法，引入的电压信号为线电压，需进行线电压到相电压的转换，根据式（4）可计算其4个桥的三相总有功功率PV1，PV2，PV3和PV4，则阀侧总功率PV=PV1+PV2+PV3+PV4. U12S，U23S和U31S为线电压采样序列.
P1=1M∑M-1S=0（U12S-U31S3）I1S，
P2=1M∑M-1S=0（U23S-U12S3）I2S，
P3=1M∑M-1S=0（U31S-U23S3）I3S.（4）
本文采用2种方式计算直流侧平均功率：一种方式为根据直流霍尔互感器实际测量的直流电流计算直流侧平均功率Pd，kW；另一种方式为根据本文第2.1节给出的基于阀侧交流电流叠加反推直流电流算法计算直流电流平均值来计算直流侧平均功率Ptd，kW.两种计算方式下最终获得的能效分析结果将在本文第5.4节能效测试结果分析中给出.
2.2.2整流系统各部件损耗的计算
整流机组总损耗即系统总损耗，主要包括：变压器损耗PT和整流器损耗PR，分别为：
PT=PG-（PV1+PV2+PV3+PV4）-PF，
PR=（PV1+PV2+PV3+PV4）-Ptd，
PZ=PT+PR.（5）
式中：PG为交流网侧输入有功功率；PF为滤波侧有功功率；Ptd为直流侧输入有功功率；PZ为系统总损耗.
2.2.3整流系统各部件效率的计算
整流系统各部件效率主要包括：变压器效率ηT，整流器效率ηR以及整流机组总效率η.计算表达式为：
ηT=PG-PTPG×100%，
ηR=Ptd（PV1+PV2+PV3+PV4）×100%；（6）
η=PG-PT-PRPG×100%. （7）
整流系统在实际工况下的运行效率，可按照下式推算其额定效率：
ηt=11+（1η-1）UdIdnUdnItd. （8）
式中：ηt为整流系统在额定工况下的推算效率，%；η为整流系统在实际工况下的运行效率，%；Ud为整流系统测定运行效率时的实际输出电压，V；Itd为整流系统测定运行效率时的实际输出电流，kA；Udn为整流系统的额定输出电压，V；Idn为整流系统的额定输出电流，kA.
能效分析平台可以从数据库中查询任一时间段内的网侧输入电能WG及直流侧输出电能Wd：
WG=∑ns=0PGsΔt，
Wd=∑ns=0PdsΔt.（9）
式中：PGs，Pds分别为数据库中存储的网侧和直流侧有功功率记录，kW；Δt为相邻两个有功功率数据记录存入数据库的时间间隔.
任一时间段内的系统电能效率ηq为：
ηq=WdWG×100%=∑ns=0PGs∑ns=0Pds×100%. （10）
3传统能效测试方法
根据12脉波工程实际安装及运行情况，介绍一种基于电能质量分析仪的工程现场能效测试方案，该方案能效测试系统拓扑结构如图4所示，采用6台日本HIOKI公司的电能质量分析仪（HIOKI3198）对交流网侧、滤波侧、低压阀侧及直流侧4个测量点进行同步数据采集.表1给出了现场测试配置表，包括测试仪器、互感器等.
其中，阀侧绕组接线方式与图2相同，图2中阀侧终端1～4为4台电能质量分析仪（HIOKI3198）.电能质量分析仪（HIOKI3198）具备三相电压及电流6个交流通道和1个直流通道，如图4所示，直流侧直流电压及电流信号的采集分别由阀侧的2台电能质量分析仪的直流通道完成.
1）同步数据采集方法.将6台仪器对时后，设定所有仪器在同一时间采样，定时事件触发电能质量分析仪同步录波一段时间（分钟、小时、天，可选）；电能质量分析仪采样的数据可以保存为CSV文件，供能效分析算法调用.
2）能效分析方法.将6台电能质量分析仪（HIOKI3198）同步采集的数据全部保存为CSV数据文件，然后将数据代入第2节能效分析算法中，计算大功率整流系统各部件损耗及效率.
4基于光纤以太网的能效测试新方法
图5给出了基于光纤以太网通信的大功率工业整流系统能效测试系统拓扑结构图.系统采用3层B/S模型，分为终端设备层、光纤以太网通信层和主站监测层3个部分.终端设备层分别在交流网侧、低压阀侧、滤波侧、直流侧4个测量点安装自主设计的数据采集终端，实现各个测量点的数据同步采集及上传；通信前置机实现终端设备层与主站监测层的数据交互，并将采集的数据进行算法分析后存入数据库服务器，供大功率工业整流系统能效分析平台分析调用，Web服务器则完成数据库服务器与监测计算机的交互.
4.1同步数据采集机理
如图5所示，监测系统设置网测采集终端为主采集终端，其他均为从采集终端，同步测量机理可简单描述如下：首先通信前置机向主采集终端发送同步采集命令，主采集终端收到命令后向所有从采集终端发送同步脉冲（低脉冲），同步脉冲的下降沿触发各采集终端外部中断进行同步数据采集；采样固定周期数据后，采样数据依次通过串口转光纤电路、光纤转串口电路以及串口转TCP/IP转换器（即光纤以太网通信线路），最后经由以太网交换机上传到通信前置机；通信前置机对采样数据算法分析后存入数据库服务器，供上位机能效分析平台分析调用；接着通信前置机再次向主采集终端发送采集命令，重复以上过程.各采集终端利用光纤发射器HFBR1414和光纤接收器HFBR2412设计了串行口的TXD发送端和RXD接收端的TTL电平与光纤信号转换电路以及光纤信号转串口电路，无需购置市场上的串口转光纤设备；既提高了采集终端的集成度，又减小了系统的硬件成本；且对于采集终端而言其通信使用的是串行口通信，而对于后台PC机则使用的是TCP/IP通信，既减轻了采集终端的通信电路复杂度，又提高了与后台PC机间的通信稳定性.
4.2能效分析方法
基于光纤以太网通信的大功率工业整流系统能效分析方法的功能实现主要由通信前置机软件和大功率整流系统能效分析平台软件实现，可简单描述如下：
1）首先由通信前置机软件实现对所有测量点同步采样数据的能效分析计算，计算结果保存到数据库中.
2）然后进入大功率整流系统能效分析平台，选择要监测的整流机组，在能效分析平台界面上实现该整流机组的能效测试结果的图表显示及分析.
4.3能效测试方法比较
1）同步采集方法比较.传统方法：采用所有仪器对时后，定时触发同步数据采集.由于无法实现准确对时，同步性能较差.
新方法：采用光纤同步触发信号，触发各采集终端外部中断进行同步采集，同步性能较好.
2）能效分析方法比较.传统方法：所有仪器均产生CSV文件，需要对逐个文件进行能效算法处理后，再综合到一起才能获得最终能效测试结果.整个过程处理复杂且均需人工操作，容易产生人为失误且费时费力.更值得注意的是该方法只能实现某段时间的能效分析，不能实时在线监测.
新方法：由通信前置机软件实现各测量点数据的同步采集及能效算法分析，并将计算结果存入数据库中，最后由大功率整流系统能效分析平台调用图表显示分析.整个过程从数据采集到分析处理完全由监测系统软件自动完成，并且监测系统可以实现大功率整流系统的长期实时在线监测.
5工程验证
某电解锰整流系统实际项目，其额定直流输出600 V，17.5 kA.系统电气接线如图6所示，单机组为等效12脉波（Y和Δ绕组共铁心），采用同相逆并联的结构形式，阀侧输出4个联结组，通过12根铜排分别与4个整流桥相连接，每套机组均配置了11次和13次单调谐滤波器，以作功补和滤波.图6中标出了3，4号整流机组能效分析系统测量点.
5.1基于光纤以太网的能效测试系统施工方案
本文主要介绍低压阀侧及直流侧施工过程，如图7所示，在整流柜侧面安放电气屏蔽柜1个，内装阀侧采集终端4台，直流侧采集终端1台.
阀侧信号引入.1）电压：在阀侧12个铜排上安装金属钩直接引线将电压信号接入采集柜接线端子排（铜排间线电压引入终端调理电路）.2）电流：阀侧铜排上套装12个刚性开口罗氏线圈互感器，其积分器输出信号接入采集柜接线端子排.
直流侧信号引入.1）电压：直接从直流铜排引线接入采集柜接线端子排.2）电流：直流铜排装有直流霍尔互感器（变比为20 kA∶5 V），其积分器输出接入采集柜接线端子排.
5.2新方法同步性能测试与分析
采样通道间延时是衡量系统同步性能的重要指标[11].通道间延时可通过以下公式计算：
Ti0=θi2πf0， 0≤θi
Tj0=θj2πf0， 0≤θj
式中：θi和θj分别为2个不同的采集通道i和j对应的初始时刻Ti0和Tj0各自的初始相位.则两个通道间的通道延时Tij为：
Tij=Ti0-Tj0=θi-θj2πf0.（12）
考虑不同通道数据计算的信号频率差异，取频率为两者均值，则式（12）变为：
Tij=Ti0-Tj0=θi-θjπfi0+πfj0. （13）
为了测试同步采集系统的同步性能，测试实验为所有采集板的三相电压及电流通道引入相同的交流标准源信号进行同步性能测试，表2给出了网侧电压及电流通道1与滤波侧所有电压及电流通道的同步性能测试结果，结果表明该同步采集方法完全符合能效分析系统的同步性能要求.
5.3直流大电流间接反演仿真验证
本文针对该电解锰整流系统建立了仿真模型.图8给出了相应的直流电流仿真波形及由阀侧交流电流叠加推算的直流电流波形.由图8可见，阀侧电流的正半波进行叠加推算出的直流电流波形与实际直流脉动波形基本重合.
表3给出了本方法推算值与仿真值对比，由表3可见，直流电流推算值与仿真值十分接近，误差为0.053%～0.086%.
为了保证阀测交流电流数据采集的精度，选择了高精度刚性开口罗氏线圈互感器（型号：TLGK），其出厂在国家高电压计量站进行了校准，其中出厂编号为1301022的互感器（校准证书编号：201310083）校准检定结果如表4所示.
5.4能效测试结果分析
表5给出了3，4号整流机组的能效测量结果，从表5中可以看出：
1） 3号和4号整流机组的实测直流电流值与利用阀侧交流电流叠加反推算法求得的直流电流大小差值分别为67.36 A和62.67 A，进一步证明了阀侧交流电流叠加反推算法的可靠性及准确性，考虑到直流霍尔互感器的测量精度较低，实际测量值一般偏低，只能作为参考，这里主要以推算的直流电流计算的直流功率来计算整流系统各部件的损耗及效率；
2） 两套机组的变压器效率均在98%以上，实测整流器效率及推算整流器效率也均在99%以上，作为参考的实测整流机组总效率也在97%以上，根据推算直流电流算得的整流机组总效率更是在98%以上，有效地证明了该新型直流供电系统的高效性.
6结论
1）给出了大功率工业整流系统的拓扑结构、能效测试内容以及能效分析算法；
2）给出了一种基于阀侧交流电流叠加反推直流电流的直流大电流间接反演与计算方法，并通过仿真验证了此方法的正确性；
3）介绍了基于电能质量分析仪的传统能效测试方法以及基于光纤以太网通信的能效测试新方法，并对2种能效测试方法进行了综合比较；
4）结合工程实践，对基于光纤以太网的大功率工业整流系统能效测试新方法的监测机理、整体设计方案以及具体施工方法进行了详细的阐述.结果表明该能效测试新方法可以有效实现工业整流系统各供电装备与系统的效率核算，实现整流变压器及整流器的损耗与效率研究，从而为提高装备效率及系统节能提供必要的依据.
参考文献
[1]RODRIGUEZ J R， PONTT J， SILVA C， et al. Large current rectifiers： state of the art and future trends[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2005，52（3）： 738-746.
[2]LUO L F，LI Y，NAKAMURA K，et al. Harmonic characteristics of new hvdc transmission system based on new converter transformer[C]//Third International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies， 2008： 1868 -1872.
[3]宁志毫，罗隆福，李勇，等.基于感应滤波的大功率整流系统及综合节能设计[J].电工技术学报，2012，27（2）：223-228.
NING Zhihao， LUO Longfu， LI Yong，et al. Analysis and synthesis energy saving design of large power rectifier systerm based on inductive filtering technology[J].Transactions of China Electrotechnical Society， 2012，27（2）：223-228.（In Chinese）
[4]宁志毫，罗隆福，李勇，等. 混合型多重化工业整流系统数学模型及动态控制模式研究[J]. 电网技术，2012，36（10）：222-228.
NING Zhihao，LUO Longfu，LI Yong，et al.Study on mathematical model and dynamic control method of hybrid multipulse industrial rectifier system[J]. Power System Technology，2012，36（10）：222-228. （In Chinese）
[5]宁志毫，罗隆福，李勇，等.大功率整流系统谐波功率特性及其对电能计量的影响和节能分析[J]. 电工技术学报，2012，27（11）：248-255.
NING Zhihao，LUO Longfu，LI Yong，et al.Analysis of energy saving and harmonic power characteristics and its effects on electric energy measurement in high power rectifier system[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27（11）：248-255.（In Chinese）
[6]宁志毫，罗隆福，许加柱，等.变压器铁心谐波磁通抑制技术及其在工业整流中的应用[J]. 湖南大学学报：自然科学版，2011，38（12）：34-39.
NING Zhihao，LUO Longfu，XU Jiazhu，et al. Harmonic magnetic flux suppression technology of transformer core and its application in the industrial rectifier system [J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2011， 38（12）：34-39. （In Chinese）
[7]SIEBERT A，TROEDSON A，EBNER S.AC to DC power conversion now and in the future[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2002，38（4）：934-940.
[8]赵清姣，张贵新，罗承沐，等.直流电子式电流互感器中的一种谐波测量新方法[J].高电压技术，2009，35（7）：1776-1779.
ZHAO Qingjiao，ZHANG Guixin，LUO Chengmu，et al.New method for measuring harmonics of ECT for DC [J]. High Voltage Engineerin，2009，35（7）：1776-1779. （In Chinese）
[9]徐雁，朱凯，张艳，等. 直流光电电流互感器运行及分析[J].电力系统自动化，2008，32（13）：97-100.
XU Yan，ZHU Kai，ZHANG Yan， et al.Operation and analysis of direct current opticalelectronic current transformer[J].Automation of Electric Power Systems， 2008，32（13）：97-100. （In Chinese）
[10]张自驰，张国钢，耿英三，等.磁传感器阵列测量大电流实验系统[J].电力系统自动化，2007，31（18）：77-81.
ZHANG Zichi，ZHANG Guogang，DI Yingsan，et al. A high current measurement experimental system using magnetic sensor arrays[J].Automation of Electric Power Systems，2007，31（18）：77-81. （In Chinese）
[11]潘卉青，田书林， 叶，等. 高速并行采样中时间非均匀性测试与校准方法[J]. 计量学报，2010，31（4）：354-358.
PAN Huiqing，TIAN Shulin， YE Peng，et al. An evaluation and calibration method for sampling time uniformity of highspeed parallel sampling systems[J]. Acta Metrologica Sinica，2010，31（4）：354-358. （In Chinese）