新型調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源的相關(guān)參數(shù)設(shè)計

王碩 董艷明 王偉

摘 要：隨著特高壓電網(wǎng)的發(fā)展，特高壓交流試驗電源逐漸成為進行輸電技術(shù)試驗研究的重要課題。在電力電子技術(shù)發(fā)展的大背景下，現(xiàn)階段我國相關(guān)研究人員已經(jīng)實現(xiàn)了對傳統(tǒng)特高壓試驗電源的整體拓撲結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)頻率特性的優(yōu)化設(shè)計，提出了一種新型的調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源設(shè)計方案。本文對其中的相關(guān)參數(shù)設(shè)計進行了重點研究和探討，以期對實現(xiàn)其工程的有效應(yīng)用有一定的借鑒和參考價值。

關(guān)鍵詞：參數(shù)設(shè)計；調(diào)頻式諧振；試驗電源；交流特高壓

調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源（UHV-FTRTPS）的主要優(yōu)點在于耐壓特性好、電源輸入容量小、效率高等，除了能進行現(xiàn)場實驗之外，還能在工廠以及實驗室等進行應(yīng)用，可謂有著巨大的應(yīng)用和研究價值。傳統(tǒng)意義上的調(diào)頻串聯(lián)諧振式高壓試驗電源為保證額定容量的實現(xiàn)，多采用的是模擬器件產(chǎn)生正弦波的形式以實現(xiàn)多級功率的放大，但往往需要較高的成本，且結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜。在現(xiàn)階段電力電子器件發(fā)展的背景下，大功率開關(guān)器件等方面的工藝技術(shù)及發(fā)展應(yīng)用也有了更為廣泛的研究，但在調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源的相關(guān)研究卻鮮有涉及。因此，本文對其相關(guān)參數(shù)設(shè)計進行研究，將有著重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 新型調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源整體結(jié)構(gòu)

新型調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源的主要組成部分包括輸入濾波器、升壓變壓器、H橋逆變電路以及串聯(lián)諧振電路、輸入濾波器等部件組成，形成一個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（見圖1）。

如上圖所示，L2表示的是試驗回路諧振電感，RL為其等效內(nèi)阻；T表示的是中間勵磁升壓變壓器；C2、C3分別表示的是分壓電壓器高壓、低壓臂電容。在這一結(jié)構(gòu)體系中，采用基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊中的脈寬調(diào)制（PWM）逆變器，大功率正弦波的產(chǎn)生部分應(yīng)用的是電壓型H橋逆變器，充電應(yīng)用三相不可控整流電路。為保證濾波效果的增強，采用的是LC輸入濾波器。在此基礎(chǔ)下能有效防止電網(wǎng)中整流器諧波的進入，抑制干擾現(xiàn)象的發(fā)生。同時，為減少開關(guān)損耗，系統(tǒng)中應(yīng)用的是RCD緩沖電路，斷開關(guān)關(guān)斷時的過沖電壓進行抑制。這樣，就能實現(xiàn)在特定頻率下，保證各線路形成的串聯(lián)諧振電路處于諧振工作狀態(tài)，保證諧振電容兩端的電壓能夠輸出高達幾百萬伏，這也就能實現(xiàn)對特高壓變電設(shè)備是否合格進行檢驗的目的。

2 相關(guān)的參數(shù)設(shè)計

基于以上分析，本文采用以大功率IGBT來產(chǎn)生正弦波的方式，并利用升壓電壓器，將串聯(lián)的諧振電路進行放大，以保證電壓等級達到超高壓或特高壓。并在此基礎(chǔ)上，將輸出信號頻率的取值范圍定在30～300HZ。就整個電路來講，為保證各組成部分參數(shù)的合理性和科學(xué)性，還需要對其相關(guān)參數(shù)進行分析和優(yōu)化設(shè)計。具體來講，參數(shù)設(shè)計主要包括以下幾方面：

2.1 大功率H橋逆變器緩沖電路參數(shù)設(shè)計

由于IGBT的開關(guān)頻率較高，速度較快，容易產(chǎn)生較大的動態(tài)損耗。甚至?xí)斐蛇^電壓現(xiàn)象，對逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成不良的影響。因此，有必要采用開關(guān)輔助電路，即緩沖吸收電路，保證器件運行的安全性。如圖2所示，采用的是RCD緩沖電路。其中，LS表示的是其等效電感，DS為緩沖二極管，RS為緩沖電阻。

在此基礎(chǔ)上，對其參數(shù)進行相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計，主要表現(xiàn)在三方面：首先在電路關(guān)斷時，要保證產(chǎn)生的尖峰電壓最小。其次，保證緩沖電路的總損耗最小，其主要包括緩沖電容的儲能以及開關(guān)損耗等。此外，還需要在RCD緩沖電路的投資上進行考慮，保證其投資達到最小化。具體的校正算法可以通過遺傳方法進行求解。

2.2 輸出濾波器參數(shù)設(shè)計

在進行特高壓試驗時，要求電流信號要接近正弦波。但由于使用的是載波對正弦信號波進行調(diào)制，很容易造成波形的畸變，對自動跟蹤諧振點的頻率控制造成極大的麻煩。因此，采用LC濾波器，對其參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計包括以下幾方面：濾波器的初期投資較少，且保證了輸出的電壓信號諧波含量在試驗要求的最大允許值之下。此外，濾波器輸出的電流信號諧波含量也應(yīng)該在規(guī)定最大允許值的范圍內(nèi)。

2.3 高壓諧振電抗器參數(shù)設(shè)計

設(shè)置高壓諧振電抗器主要是將之與電容串聯(lián)，以實現(xiàn)變壓器輸出電壓在特定頻率下的信號放大，得以產(chǎn)生特高壓等級的電壓。其主要由四節(jié)單臺的高壓電抗器組成，可根據(jù)試驗的要求來進行技術(shù)參數(shù)的計算和設(shè)計。一般采用的是空芯線圈制作繞組，以實現(xiàn)電抗器損耗在最大程度上的減小。同時諧振電感的設(shè)計參數(shù)也需要滿足最大負載容值等。

2.4 中間勵磁升壓變壓器參數(shù)設(shè)計

在系統(tǒng)中設(shè)置中間勵磁變壓器的目的是為獲得更高的諧振電路電壓做準(zhǔn)備。在試驗中多為采用的是單相油浸自冷式勵磁變壓器，在高壓側(cè)設(shè)置三個相互獨立的容量繞組。在容量設(shè)計方面，由于實際中雜波問題的存在，因此一般采取的是增加系數(shù)的方式來實現(xiàn)變壓器容量的增加。在結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方面，為保證其參數(shù)設(shè)置的有效性，一般要采用優(yōu)質(zhì)銅箔實現(xiàn)平行繞制，保證繞組的平衡性。此外，還需要保證變壓器的絕緣性，提升其抗干擾能力，實現(xiàn)局部放電量的減少。

3 結(jié)束語

綜上所述，應(yīng)用IGBT結(jié)構(gòu)實現(xiàn)新型調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源的設(shè)計，為保證其設(shè)計的科學(xué)性和可行性，就需要對其中各組成部分的參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。在進行參數(shù)設(shè)計的谷草衡中，也需要考慮到整個系統(tǒng)設(shè)計的實際需求，在此基礎(chǔ)上進行參數(shù)具體方案的設(shè)計，才能達到較好的設(shè)計效果。

參考文獻

[1]盛君，張敏.變頻試驗電源在電機試驗中的應(yīng)用[J].變流技術(shù)與電力牽引，2007，（5）：57-6.

（作者單位：1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司錦州分部；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司技能培訓(xùn)中心）