諧波試驗(yàn)用寬頻大電流發(fā)生裝置研究

許靈潔　陳　驍　郭　鵬　李航康　呂幾凡

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州　310014）

隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種新能源層出不窮，隨之而來(lái)的各種電力電子設(shè)備，比如大功率變頻器、逆變裝置，大功率DC-DC變換裝置等都會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)豐富的諧波，過(guò)高的諧波污染了正常的電網(wǎng)，給電能質(zhì)量帶來(lái)很大的負(fù)面影響。通常諧波電能研究都局限于二次電能，而直接研究一次的諧波成分除了高性能的寬頻傳感器外，還務(wù)必配備能輸出理想諧波成分的一次諧波電流，國(guó)內(nèi)通常的做法是用任意波發(fā)生器作為諧波信號(hào)源，配備線性功率放大器，推動(dòng)寬頻升流變壓器輸出所需的諧波大電流，這種方法缺點(diǎn)是，升流變壓器不能輸出直流電流，而且本身對(duì)高次諧波有衰減，需要對(duì)諧波信號(hào)源的輸出進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)[1-3]。國(guó)外Fluke公司的跨導(dǎo)放大器產(chǎn)品52120A具備輸出120A的能力，但是價(jià)格昂貴，不便推廣。本文介紹的這種電流源采用線性放大器疊加的方法，達(dá)到了 500A的輸出能力，并且從直流到50次諧波，均有良好的輸出特性。

1　諧波源裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理

簡(jiǎn)單的諧波大電流發(fā)生器可以由多個(gè)功率放大器組合而成，如圖1所示，Vi為輸入的諧波參考信號(hào)電壓，由于輸入為各種頻率的諧波信號(hào)，可以是單頻率的電壓也可以是復(fù)合的諧波信號(hào)，而功率放大器為了保持各次諧波的頻響特性和幅值特性一致，基本上不能通過(guò)電容進(jìn)行濾波，導(dǎo)致組合電路極易發(fā)生震蕩現(xiàn)象，而且難以消除。造成震蕩的原因主要是由于各放大器的頻響差異，要解決這個(gè)問(wèn)題，最好的方法是各放大器電源分離，獨(dú)立后的各放大器輸出可以任意組合，也無(wú)需限流電阻保護(hù)了。

圖1　簡(jiǎn)單組合型諧波電流發(fā)生器

本裝置從本質(zhì)上講是一種跨導(dǎo)放大器，而且是多組跨導(dǎo)放大器的組合，所以從結(jié)構(gòu)上看，可以分為嵌入式軟硬件系統(tǒng)、諧波信號(hào)源（又稱程控?cái)?shù)字信號(hào)源）、大功率跨導(dǎo)放大器、測(cè)試回路等部分，如圖2所示。

2　裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1　信號(hào)的隔離放大

本裝置采用了多個(gè)獨(dú)立跨導(dǎo)放大器組合的形式，所以不能共用一個(gè)諧波信號(hào)源，需要將諧波源經(jīng)過(guò)隔離后推動(dòng)各個(gè)跨導(dǎo)放大器，而這種隔離放大器不但需要完全的電氣隔離，而且要有很好的頻響和性能一致性，在模擬技術(shù)中，隔離放大器通常分為磁調(diào)制隔離放大器和近年來(lái)發(fā)展迅速的線性光隔離放大器。本文中裝置采用的是線性光耦HCNR201[4-7]，實(shí)現(xiàn)諧波模擬電壓信號(hào)與放大器之間的線性隔離。線性光耦隔離與普通光耦隔離相比，改變了普通光耦的單發(fā)單收模式，增加一個(gè)用于反饋的光電二極管并且增大了線性區(qū)域，如圖3所示。兩個(gè)光電二極管都是同樣特性的非線性，可通過(guò)反饋通路的非線性來(lái)抵消直通通路的非線性，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的線性傳遞。

圖2　新型的采用隨動(dòng)電源技術(shù)的諧波源

圖3　線性光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)

HCNR201是一種高精度線性光耦器件，直流非線性典型值為 0.01%，最大 0.05%，同時(shí)擁有高達(dá)1MHz的帶寬和-65×10-6的增益溫度系數(shù)，所以非常適合進(jìn)行高水平的信號(hào)隔離。

通過(guò)外接不同的分立器件，可以實(shí)現(xiàn)交直流電流和電壓的光電隔離轉(zhuǎn)換電路，應(yīng)用電路如圖4所示。HCNR201由高性能的 AlGaAs型發(fā)光二極管D1及兩個(gè)具有嚴(yán)格比例關(guān)系的光電二極管 PD1和PD2構(gòu)成。當(dāng)發(fā)光二極管中流過(guò)電流 If時(shí)，其所發(fā)出的光會(huì)在光電二極管中 PD1、PD2感應(yīng)出正比于LED 發(fā)光強(qiáng)度的光電流 IPD1、IPD2，其中 If、IPD1、IPD2滿足以下關(guān)系：

伺服電流增益：k1=IPD1/If

正向增益：k2=IPD2/If

式中，k1、k2分別為發(fā)光二極管PD1、PD2的電流傳輸比，k3為該光耦的傳輸增益，k3=IPD2/IPD1=k2/k1，其典型值為1。

圖 4為帶有交越失真補(bǔ)償?shù)木芙涣鞲綦x電路，運(yùn)放A1、A2分別負(fù)責(zé)正負(fù)半周的轉(zhuǎn)換，兩個(gè)運(yùn)放拼用一組工作電源，運(yùn)放 A3負(fù)責(zé)二次的合成輸出，該運(yùn)放獨(dú)立供電，C1、C2、C3為濾波電容，考慮到線路要求的頻響，3個(gè)電容的容量值都是幾十個(gè)pF的水平。

圖4　交流信號(hào)光隔離

假設(shè)正半周時(shí)，流過(guò) D7的電流為 If，流過(guò) R1的電流為I1，流過(guò)R5的電流為I3，有

同理，負(fù)半周時(shí)有

本裝置中選擇 R1=R2=100kΩ，R5=20kΩ，那么當(dāng)額定輸入電壓為 5V時(shí)，隔離放大器額定輸出為1V，至此，線路已完成交流信號(hào)的隔離兼衰減任務(wù)。

2.2　電源隨動(dòng)的線性放大器

1）OPA512簡(jiǎn)介

OPA512是由Burr-Brown公司生產(chǎn)的一款輸出功率大、低失真和耐持久的功率放大器，用于驅(qū)動(dòng)各種電阻和無(wú)功負(fù)載，其互補(bǔ)的A/B級(jí)輸出級(jí)為交越失真應(yīng)用提供了卓越的性能。發(fā)生故障時(shí)電流限制電路通過(guò)限流電阻為放大器和負(fù)載提供保護(hù)。OPA512的偏置輸出晶體管采用激光修整單片集成電路來(lái)設(shè)計(jì)，提供優(yōu)異的低電平信號(hào)保真度和高輸出電壓擺幅，提高了性能和可靠性。該混合集成電路采用密封TO-3封裝，所有電路與外殼電氣隔離，這樣可以直接安裝在底盤(pán)或散熱器上，而無(wú)需繁瑣的絕緣硬件，并提供最佳的熱傳遞。

圖5所示為OPA512的安全工作區(qū)特性曲線，當(dāng) OPA512工作在安全線性區(qū)時(shí)，輸出電流隨著輸入電壓呈線性關(guān)系；當(dāng) OPA512工作在截至區(qū)時(shí)，輸出電流是固定不變的。可以從圖中看到，如果要輸出10A的交流電流，在結(jié)溫85℃時(shí)，管子兩端的電壓就只能允許 5～6V，為了適應(yīng)不同的負(fù)載，本裝置將供電的直流電壓設(shè)計(jì)成與負(fù)載電壓隨動(dòng)的特性，這是本文要說(shuō)明的一大特點(diǎn)。

圖5　OPA512安全工作區(qū)特性曲線

2）隨動(dòng)電源工作原理

OPA512的隨動(dòng)電源控制電路主要由峰值電路單元、加法器單元、控制電壓為0～5V的12V可調(diào)開(kāi)關(guān)電源單元以及供電單元六部分組成，如圖6所示。每個(gè) OPA512配備一組正負(fù)電壓的隨動(dòng)電源，信號(hào)通過(guò)隔離單元的將輸入信號(hào)與輸出電流之間電源和地隔離開(kāi)來(lái)，從而使每個(gè) OPA512輸出電流都相互獨(dú)立，峰值電路單元的作用是求交流信號(hào)的輸出電壓峰值；通過(guò)加法器單元將 OPA512輸出信號(hào)的峰值和基準(zhǔn)值（當(dāng)OPA512輸出為0時(shí)，給其供電的起始電壓控制信號(hào)）相加產(chǎn)生獨(dú)立的0～5V控制信號(hào)，該控制信號(hào)控制可調(diào)開(kāi)關(guān)電源確保OPA512在大電流輸出情況下，對(duì)輸出負(fù)載有非常好的自適應(yīng)能力。電流源系統(tǒng)為了滿足疊加的要求，每個(gè)模塊的隔離前后所用運(yùn)放的電源均采用了互相隔離的傳統(tǒng)直流供電單元。

圖6　隨動(dòng)電源控制信號(hào)發(fā)生電路

假如輸出電流為IL，負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓降為U1，進(jìn)入隨動(dòng)控制電路后，第一級(jí)反相放大器輸出為，進(jìn)入峰值保持電路后有，接近直流波形，最后反相加法器輸出為

當(dāng)輸出電流很小或負(fù)載很小時(shí)，輸出電壓 U1接近為零，這時(shí)U4≈VR5/R4，隨著電流增大或者負(fù)載增大，輸出電壓U4也同步增大，將放大器工作電壓與輸出電壓差基本保持在 5～6V，使得放大器處于最佳工作狀態(tài)。

圖7所示為工作電源與輸出電壓隨動(dòng)的情況，一種情況為簡(jiǎn)單的隨動(dòng)模式，工作電壓隨著輸出電壓變化，開(kāi)關(guān)電源的控制信號(hào)屬于直流信號(hào)；另一種情況為理想隨動(dòng)模式，此時(shí)將開(kāi)關(guān)電源的正電源在信號(hào)負(fù)半周時(shí)處于最小的允許電壓，負(fù)電源在信號(hào)的正半周也處于最小的允許值上面，其余時(shí)間隨著波形提升各自的正負(fù)電壓，這種模式最大程度地降低了功率放大器的內(nèi)部損耗，使得器件效率達(dá)到最佳。

圖7　隨動(dòng)電源與信號(hào)波形圖

2.3　恒流源

恒流源的原理如圖8所示，首先輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離電源進(jìn)入OPA512同向輸入端，采樣電阻Rs一端接地，另一端接 OPA512的反向輸入端構(gòu)成交流反饋回路，取輸出電流時(shí)，一端接 OPA512輸出另一端接反向輸入端，此時(shí)有

圖8　恒流源原理圖

根據(jù)運(yùn)算放大器虛短原理：U-=U+，因此有

而當(dāng)電流 I增加時(shí)，反向輸入端電壓也需要響應(yīng)的增加，輸出電壓也會(huì)隨之增大，根據(jù) OPA512的工作特性，為了讓其工作在安全線性區(qū)，工作電壓與輸出電壓之差應(yīng)保持在恒定的區(qū)域，這樣OPA512才能輸出穩(wěn)定的電流，因此，工作電壓 Us也應(yīng)相應(yīng)的增加。

為了讓 OPA512工作在安全線性區(qū)，隨動(dòng)電源的控制電壓模塊輸出合適的控制電壓，運(yùn)放輸出電壓增加時(shí)工作電壓也會(huì)響應(yīng)的增加，保障差別在5～6V之間，從而保證了OPA512工作在安全線性區(qū)。

本裝置每個(gè)模塊的恒流源采樣電阻為0.1Ω，隔離放大器輸出到恒流源電壓1V時(shí)輸出10A電流，與輸出回路的電阻值無(wú)關(guān)。

2.4　基于FPGA的諧波信號(hào)發(fā)生器

諧波信號(hào)發(fā)生器本質(zhì)上講就是一個(gè)任意波發(fā)生器，將需要輸出的波形用數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確表達(dá)成時(shí)間量的函數(shù)，按時(shí)間輸出各點(diǎn)的瞬時(shí)值，形成一個(gè)ROM 表，通過(guò)串口的方式將產(chǎn)生的 ROM 表傳到FPGA內(nèi)部生成的串口控制器，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部ROM中。正常工作時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部生成的DA控制器，采用 SPI總線的方式將 ROM表中數(shù)據(jù)依次送往DA芯片，根據(jù) ROM表中的數(shù)據(jù)并參照穩(wěn)定的直流基準(zhǔn)，輸出符合預(yù)先設(shè)定的波形，原理結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9　諧波發(fā)生器工作原理圖

比如，要輸出一個(gè)基波與三、五次諧波，可以用函數(shù) y=A1sin(ωt+θ1)+A2sin(3ωt+θ2)+A3sin(5ωt+θ3)進(jìn)行描述，并按照等分的時(shí)間間隔算出各個(gè)瞬時(shí)值。

3　頻率響應(yīng)能力的試驗(yàn)與數(shù)據(jù)

1）測(cè)試數(shù)據(jù)分析

作為諧波測(cè)試用的寬頻恒流電流源，最主要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為恒流源的頻響特性曲線和穩(wěn)定性指標(biāo)。

選擇最基本的10A電流模塊做頻響試驗(yàn)，輸入電壓從直流到 10kHz，分析輸入輸出傳輸比對(duì)頻率的變化規(guī)律。

表1　基本電流模塊頻率響應(yīng)測(cè)試傳輸比數(shù)據(jù)

頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)分析：

（1）50Hz與直流傳輸比相比的頻響特性

20log（1.9458/1.9372）=0.03467dB

（2）2kHz與直流傳輸比相比的頻響特性

20log（1.9487/1.9372）=0.05141dB

（3）3kHz與直流傳輸比相比的頻響特性

20log（1.9532/1.9372）=0.07144dB

（4）5kHz與直流傳輸比相比的頻響特性

20log（1.9772/1.9372）=0.17752dB

可以看到，3kHz信號(hào)與直流相比傳輸比變化不到0.1dB，完全可以滿足60次以內(nèi)諧波的分析需求。

2）測(cè)試波形研究

圖10至圖15中實(shí)線波形為信號(hào)電壓波形，虛線波形為恒流源輸出電流的波形。

通過(guò)對(duì)單次諧波波形的測(cè)量，除了觀察波形質(zhì)量，也可用高精度萬(wàn)用表復(fù)核電流源的頻響特性。

通過(guò)觀察全頻譜的方波波形，可以看到電流源由良好的動(dòng)態(tài)特性，在方波上升沿和下降沿沒(méi)有看到明顯的過(guò)沖或變形過(guò)程，說(shuō)明電流源對(duì)高次諧波有較好的頻響特性。

圖10　50Hz基波信號(hào)的輸入輸出波形

圖11　2kHz單次頻率波的輸入輸出波形

圖12　全頻譜的方波輸入輸出波形

圖13　三、五、七次全奇次復(fù)合諧波的輸入輸出波形

圖14　二、四、六、八次全偶數(shù)次諧波的輸入輸出波形

圖15　從二到九次全諧波輸入輸出波形

圖16為諸暨東牽引站（電氣化鐵路）采集的某個(gè)互感器二次實(shí)際電流波形和成分，可以看見(jiàn)其成分接近2～9次全諧波的波形，如果用本裝置發(fā)生的諧波電流去研究牽引站的電流互感器諧波誤差將是非常有效的。

圖16　高鐵牽引站實(shí)際錄波波形

表2　錄波儀的諧波成分讀數(shù)

4　結(jié)論

諧波大電流發(fā)生裝置在高鐵牽引站等電流互感器諧波誤差特性研究[8]，寬頻電流特性研究以及電能質(zhì)量研究方面有著廣泛的用途[9-12]，很寬的頻響特性也可以被應(yīng)用在當(dāng)前的直流電能研究上，能夠在直流電流波形上疊加非常精準(zhǔn)的紋波波形，裝置中采用的隨動(dòng)電源新技術(shù)也可以被推廣到其他大功率線性放大器上，那必將更有效地發(fā)揮放大器的功率，降低放大器的內(nèi)部損耗，提高整個(gè)線路的工作效率。