調頻式諧振特高壓試驗電源電壓及頻率的控制方法

陳宏斌

摘要：隨著我國科學技術的不斷進步，交流特高壓電網逐漸成熟，大大提升了我國電網的輸送能力。整個調頻式諧振特高壓試驗電源裝置對特高壓交流電氣設備的試驗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、升壓變壓器及串聯諧振電路組成。筆者從事多年的特高壓試驗工作，對于高壓試驗電源電壓和頻率的控制方法比較有研究。對于需要器件產生特高壓試驗所需要的正弦信號，可以采用大功率開關器件絕緣體雙極晶體管代替，整個裝置結構簡單、維護數目少。本文就對調頻式諧振特高壓試驗電源電壓和頻率的控制方法做出討論分析。

關鍵詞：調頻式諧振 特高壓試驗電源電壓 頻率 控制方法

1 概述

隨著我國電網的不斷發展，很多高壓輸變電設備，如斷路器、氣體絕緣組合電器（GIS）等，廣泛地應用于各個領域行業的電網中。通常來講，工程項目竣工完成驗收交付使用前，都需要對項目工程高壓電器設備進行交流耐壓測試。一方面，可以保證建筑工程用戶的正常用電需求；另一方面，便于維護電網，提高用電的安全性。IEC新標準規定：110kV及其以上的電壓變電器，在安裝投入使用時，必須進行特高壓電源局部放電試驗，但是由于這是一個轉動的、不可調頻率的電源裝置，導致啟動電流較大，裝置繁多且笨重，操作、運輸、安裝以及維護都非常不方便。因此，引入可調頻式諧振特高壓試驗電源對其進行電壓和頻率的檢測是必然的選擇，其試驗范圍大，頻率高，耐壓特性好。本文就對此裝置做出簡單的分析討論。

2 調頻式諧振特高壓試驗電源的概述

調頻式諧振特高壓試驗電源（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，其優點是電源輸入量小，耐壓性好，重量輕、體積小，工作效率比較高，試驗領域以及范圍非常廣，試品被擊穿后能自動脫諧保護等，能滿足特高壓等級的現場試驗，具有高度的準確性和可靠性，非常值得研究和開發。近年來，隨著我國社會經濟的不斷增長和科學技術不斷進步，電力電子器件也逐漸發展起來，如絕緣柵雙體晶體管IGBT技術已成功應用在變換器、整流器、逆變器等方面，取得了非常好的效果。

新型調頻式諧振特高壓試驗電源系統結構主要由三相不可控電路、檢測單元、數字信號處理器、輸出濾波器、串聯諧振電路、H橋逆變電路等組成。如圖1。本文采用大功率IGBT組成的電路產生正弦信號，通過升壓電壓器和高壓串聯諧振電路放大后，達到超高壓甚至特高壓的電壓等級。利用該裝置的數學模型，對電壓調節和頻率的控制做出討論，從而實現整個系統的調壓、調頻工作。

3 調頻式諧振特高壓試驗電源調壓、調頻控制器設計

3.1 電壓自調整PI控制

在調頻式諧振特高壓試驗電源對其電壓試驗檢測中，由于被測試品本身就存在很多不確定的因素（多樣性、中間勵磁升壓變壓器的渦流），使得該數學模型進行計算時，不能精確化，存在一定的誤差；另一方面，調頻式諧振特高壓裝置在試驗中輸出的電壓期望值往往是變化的，可能會不利于實驗結果的準確性。過去的PI調節器，比例和積分系數都不能根據自身的特點和需求，進行實時在線調整，往往控制的效果不能讓人滿意。隨著科學技術的進步與發展，采用自調整PI控制器，可以在線實時對PI控制器參數進行調整，達到最理想的控制狀態。如圖2中。

3.2 PI鎖相調頻自動控制

如圖2中，比例積分鎖相自動調頻，圖中被測試品兩端電壓Uc和逆變器電壓Uo通過電壓傳感器的測量后傳送到DSP控制器MAX125采集單元，轉換電路變成方波信號，通過對異或邏輯的比較，得出Uc和Uo的相位差，將相位差平均化為直流電壓Uf，再經過PI控制器調節，由亞控振蕩器（VCO）得到諧振頻率ωo的標準正弦信號。PI控制器不僅控制著校正的速度和精度，還對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

調頻式諧振特高壓試驗電源系統帶有L、C串聯諧振電路，微小的頻率波動會使諧振點附近的Uc有很大的變化。在該裝置系統開始運行時，通常首先會對該裝置的頻率進行適當地調節，當頻率調整到某個位置，剛好達到諧振點時，就開始調節電壓，同時使電壓達到試驗所需的設定值。若諧振參數有所變化，可以根據電路的實際特點和需求，按照上述重新進行調節，直至達到需要的效果。一般來說，系統輸出的頻率比較小，其范圍在30-300Hz之間變化，因此若想較好地滿足PWM的調節，采用較小的載波比即可。整個控制器由PI鎖相自動調頻內環和電壓Uc自動調整PI外環組成，諧振頻率為ωo的標準正弦信號，其輸出信號處理后得到調制比M，然后經過頻率正弦信號和調制比相乘，得出PWM控制信號，使之驅動IGBT，從而實現整個系統的調壓、調頻。

4 調頻式諧振特高壓電源裝置的試驗結果

根據特高壓交流耐壓試驗所需要的電壓等級，可以設置頻率調節范圍為30-300Hz，逆變器輸出電壓調節范圍是0-400V。IGBT中間勵磁升壓變壓器E為單項油浸自冷式，使3個獨立的高壓側繞阻串聯、并聯使用。如圖3，采用傳統的PI控制與本文論述的新型PI控制方法進行比較，通過輸出電壓和頻率的對比，可以發現，表1調頻方法波形畸變大，不光滑；表2畸變小，波形光滑。

5 結束語

從上述可知，文章采用大功率開關IGBT對調頻式諧振特高壓電源的電壓和頻率控制方法進行了研究，同時提出了電壓調整PI控制策略和比例積分鎖相自動調頻策略，可以看出，此試驗電源容量大、試驗范圍廣、重量輕、體積小等優點，比較適合變電站及建筑施工現場使用。在此試驗的基礎上，我們還應該不斷地研究，不斷地優化完善此裝置，滿足特高壓試驗的最高要求，促進我國電力事業快速發展。

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