調(diào)頻式諧振特高壓試驗(yàn)電源電壓及頻率的控制方法

陳宏斌

摘要：隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，交流特高壓電網(wǎng)逐漸成熟，大大提升了我國電網(wǎng)的輸送能力。整個(gè)調(diào)頻式諧振特高壓試驗(yàn)電源裝置對(duì)特高壓交流電氣設(shè)備的試驗(yàn)有著不可或缺的重要意義。裝置由不可控整流電路、H橋逆變電路、升壓變壓器及串聯(lián)諧振電路組成。筆者從事多年的特高壓試驗(yàn)工作，對(duì)于高壓試驗(yàn)電源電壓和頻率的控制方法比較有研究。對(duì)于需要器件產(chǎn)生特高壓試驗(yàn)所需要的正弦信號(hào)，可以采用大功率開關(guān)器件絕緣體雙極晶體管代替，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)數(shù)目少。本文就對(duì)調(diào)頻式諧振特高壓試驗(yàn)電源電壓和頻率的控制方法做出討論分析。

關(guān)鍵詞：調(diào)頻式諧振 特高壓試驗(yàn)電源電壓 頻率 控制方法

1 概述

隨著我國電網(wǎng)的不斷發(fā)展，很多高壓輸變電設(shè)備，如斷路器、氣體絕緣組合電器（GIS）等，廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域行業(yè)的電網(wǎng)中。通常來講，工程項(xiàng)目竣工完成驗(yàn)收交付使用前，都需要對(duì)項(xiàng)目工程高壓電器設(shè)備進(jìn)行交流耐壓測(cè)試。一方面，可以保證建筑工程用戶的正常用電需求；另一方面，便于維護(hù)電網(wǎng)，提高用電的安全性。IEC新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：110kV及其以上的電壓變電器，在安裝投入使用時(shí)，必須進(jìn)行特高壓電源局部放電試驗(yàn)，但是由于這是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的、不可調(diào)頻率的電源裝置，導(dǎo)致啟動(dòng)電流較大，裝置繁多且笨重，操作、運(yùn)輸、安裝以及維護(hù)都非常不方便。因此，引入可調(diào)頻式諧振特高壓試驗(yàn)電源對(duì)其進(jìn)行電壓和頻率的檢測(cè)是必然的選擇，其試驗(yàn)范圍大，頻率高，耐壓特性好。本文就對(duì)此裝置做出簡(jiǎn)單的分析討論。

2 調(diào)頻式諧振特高壓試驗(yàn)電源的概述

調(diào)頻式諧振特高壓試驗(yàn)電源（UHV-FTRTPS）是目前我國在電壓和頻率控制中廣泛使用的一種裝置，其優(yōu)點(diǎn)是電源輸入量小，耐壓性好，重量輕、體積小，工作效率比較高，試驗(yàn)領(lǐng)域以及范圍非常廣，試品被擊穿后能自動(dòng)脫諧保護(hù)等，能滿足特高壓等級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，具有高度的準(zhǔn)確性和可靠性，非常值得研究和開發(fā)。近年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)和科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，電力電子器件也逐漸發(fā)展起來，如絕緣柵雙體晶體管IGBT技術(shù)已成功應(yīng)用在變換器、整流器、逆變器等方面，取得了非常好的效果。

新型調(diào)頻式諧振特高壓試驗(yàn)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由三相不可控電路、檢測(cè)單元、數(shù)字信號(hào)處理器、輸出濾波器、串聯(lián)諧振電路、H橋逆變電路等組成。如圖1。本文采用大功率IGBT組成的電路產(chǎn)生正弦信號(hào)，通過升壓電壓器和高壓串聯(lián)諧振電路放大后，達(dá)到超高壓甚至特高壓的電壓等級(jí)。利用該裝置的數(shù)學(xué)模型，對(duì)電壓調(diào)節(jié)和頻率的控制做出討論，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)壓、調(diào)頻工作。

3 調(diào)頻式諧振特高壓試驗(yàn)電源調(diào)壓、調(diào)頻控制器設(shè)計(jì)

3.1 電壓自調(diào)整PI控制

在調(diào)頻式諧振特高壓試驗(yàn)電源對(duì)其電壓試驗(yàn)檢測(cè)中，由于被測(cè)試品本身就存在很多不確定的因素（多樣性、中間勵(lì)磁升壓變壓器的渦流），使得該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不能精確化，存在一定的誤差；另一方面，調(diào)頻式諧振特高壓裝置在試驗(yàn)中輸出的電壓期望值往往是變化的，可能會(huì)不利于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。過去的PI調(diào)節(jié)器，比例和積分系數(shù)都不能根據(jù)自身的特點(diǎn)和需求，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)整，往往控制的效果不能讓人滿意。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，采用自調(diào)整PI控制器，可以在線實(shí)時(shí)對(duì)PI控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到最理想的控制狀態(tài)。如圖2中。

3.2 PI鎖相調(diào)頻自動(dòng)控制

如圖2中，比例積分鎖相自動(dòng)調(diào)頻，圖中被測(cè)試品兩端電壓Uc和逆變器電壓Uo通過電壓傳感器的測(cè)量后傳送到DSP控制器MAX125采集單元，轉(zhuǎn)換電路變成方波信號(hào)，通過對(duì)異或邏輯的比較，得出Uc和Uo的相位差，將相位差平均化為直流電壓Uf，再經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)，由亞控振蕩器（VCO）得到諧振頻率ωo的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)。PI控制器不僅控制著校正的速度和精度，還對(duì)噪聲和高頻分量有著抑制作用。

3.3 電壓及頻率總體控制策略

調(diào)頻式諧振特高壓試驗(yàn)電源系統(tǒng)帶有L、C串聯(lián)諧振電路，微小的頻率波動(dòng)會(huì)使諧振點(diǎn)附近的Uc有很大的變化。在該裝置系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，通常首先會(huì)對(duì)該裝置的頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，當(dāng)頻率調(diào)整到某個(gè)位置，剛好達(dá)到諧振點(diǎn)時(shí)，就開始調(diào)節(jié)電壓，同時(shí)使電壓達(dá)到試驗(yàn)所需的設(shè)定值。若諧振參數(shù)有所變化，可以根據(jù)電路的實(shí)際特點(diǎn)和需求，按照上述重新進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至達(dá)到需要的效果。一般來說，系統(tǒng)輸出的頻率比較小，其范圍在30-300Hz之間變化，因此若想較好地滿足PWM的調(diào)節(jié)，采用較小的載波比即可。整個(gè)控制器由PI鎖相自動(dòng)調(diào)頻內(nèi)環(huán)和電壓Uc自動(dòng)調(diào)整PI外環(huán)組成，諧振頻率為ωo的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，其輸出信號(hào)處理后得到調(diào)制比M，然后經(jīng)過頻率正弦信號(hào)和調(diào)制比相乘，得出PWM控制信號(hào)，使之驅(qū)動(dòng)IGBT，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)壓、調(diào)頻。

4 調(diào)頻式諧振特高壓電源裝置的試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)特高壓交流耐壓試驗(yàn)所需要的電壓等級(jí)，可以設(shè)置頻率調(diào)節(jié)范圍為30-300Hz，逆變器輸出電壓調(diào)節(jié)范圍是0-400V。IGBT中間勵(lì)磁升壓變壓器E為單項(xiàng)油浸自冷式，使3個(gè)獨(dú)立的高壓側(cè)繞阻串聯(lián)、并聯(lián)使用。如圖3，采用傳統(tǒng)的PI控制與本文論述的新型PI控制方法進(jìn)行比較，通過輸出電壓和頻率的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，表1調(diào)頻方法波形畸變大，不光滑；表2畸變小，波形光滑。

5 結(jié)束語

從上述可知，文章采用大功率開關(guān)IGBT對(duì)調(diào)頻式諧振特高壓電源的電壓和頻率控制方法進(jìn)行了研究，同時(shí)提出了電壓調(diào)整PI控制策略和比例積分鎖相自動(dòng)調(diào)頻策略，可以看出，此試驗(yàn)電源容量大、試驗(yàn)范圍廣、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，比較適合變電站及建筑施工現(xiàn)場(chǎng)使用。在此試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們還應(yīng)該不斷地研究，不斷地優(yōu)化完善此裝置，滿足特高壓試驗(yàn)的最高要求，促進(jìn)我國電力事業(yè)快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐先勇.調(diào)頻式諧振特高壓試驗(yàn)電源的研制及應(yīng)用[D].湖南大學(xué)，2010.

[2]徐先勇，羅安，方璐，楊曉，潘華，雷文輝.基于DSP控制的新型調(diào)頻諧振式UHVAC試驗(yàn)電源[J].高電壓技術(shù)，2009，03：457-463.

[3]徐先勇，羅安，方璐，涂春鳴，榮飛，王少杰.調(diào)頻式諧振特高壓試驗(yàn)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，07：125-133+156.

[4]方璐，徐先勇，羅安，方厚輝，李琪，吳敬兵.調(diào)頻式諧振特高壓試驗(yàn)電源最優(yōu)PWM波形分析與實(shí)現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，03：15-21.