智能型高压变频串联谐振试验电源设计

黄新波，程文飞，张周熊，石 杰，赵 阳

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048）

0 引言

为了预防电力装置运行中的绝缘故障，电力装置在投运前及运行中都需要进行严格的绝缘耐压试验。以往工频交流试验装置主要是高压试验变压器和电力变压器，体积和电源容量大，试验装置笨重，不能自动调频、调压，难以适应当今大电网、高电压、高自动化的发展趋势[1]。智能型高压变频串联谐振试验电源装置嵌入新型智能调频、调压算法，利用大功率开关器件绝缘栅双极晶体管（IGBT）代替以往的模拟器件逆变产生特高压试验所需的交流电压，同时利用LC串联谐振原理使输出电压等级可达高压、超高压级别。该装置使工频交流试验现场调试更加方便稳定，并且有效地保护了实验装置以及测试品。

1 耐压试验装置结构和原理

智能型高压变频串联谐振试验装置是一种用小容量低电压的电源获得高电压大容量的输出成套试验装置，该装置主要由变频电源主控器、励磁变压器、电抗器和电容分压器组成[2]。

试验装置整体结构如图1所示，变频电源主控器输出幅值为0～400 V、频率为30～300 Hz的连续可调交流电压信号[3]。该信号经过励磁变压器升压后传输给由电抗器和测试品电容串联组成的LC谐振回路。因为高压试验需要的电压等级较高，为了安全及操作方便，采用先调频后调压的策略，即先用智能矫正器（实现装置频率f的闭环控制和频率步长大小调节）智能寻找进入谐振状态的频率fn，使回路达到谐振状态，然后再调节谐振回路电容电压的有效值使之达到期望电压值，从而获得高电压大容量。图1中L1和L2是高压电抗器[4]，两者等效为谐振电抗L。Ch、Cl和Ct分别是电容分压器高压臂电容、低压臂电容和测试品等效电容，三者等效为谐振电容Ce。

图1 装置整体框架图Fig.1 Overall frame of device

谐振时，高压电抗器感抗等于谐振电容容抗，即XC=XL，测试品两端电压值达到UCt。

其中，U为励磁变压器二次侧输出电压；Q为谐振电路的品质因数。

2 智能型高压变频串联谐振试验电源主控器硬件设计

智能型高压变频串联谐振试验电源主控器的结构图如图2所示，其主要包括DSP运算控制电路（智能调频、调幅控制模块）、三相全桥不可控整流电路、Buck变换电路、逆变电路、数据显示及人机交互电路、保护电路以及通信电路[2]。

图2 装置箱体结构图Fig.2 Structure of device cabinet

本装置运用了TI公司的TMS320F28335处理芯片作为核心控制CPU，利用DSP高速运算的特性，集成DSP常用的外围电路，满足了智能型高压变频串联谐振试验装置高稳定性、高精确度的要求。DSP产生频率可调的SPWM波和占空比可调的PWM波后，经I／O口分别输送给逆变电路和功率调节电路[5]。外部存储器模块由DSP控制，主要用于存储试验的重要设置以及试验数据，使装置重启动之后无需重新设置；输入模块直接与DSP相连，用户可以通过直接对DSP输入命令来调节正弦波的频率；显示模块主要显示试验电压、频率等数据，并通过人机界面进行实验数据的相关设置[6]。

2.1 功率调节电路

功率调节（Buck变换器）模块的基本思路就是通过控制开关器件的开断，来调节流过开关器件的直流电压，从而达到功率调节的目的。智能型高压变频串联谐振试验电源装置的电源主回路主要有整流电路、直流传输电路、逆变电路以及负载电路。

智能型高压变频串联谐振试验电源采用三相不可控的整流电路；逆变电路模块输出频率可调的正弦波；直流传输电路采用直流斩波（Buck电路）方式进行功率调节，通过改变PWM波占空比的大小来调节直流输出电压。功率调节模块示意图如图3所示。

三相不可控整流模块得到的直流电压输入功率调节模块，由DSP生成的占空比可调的PWM波经IGBT驱动模块来控制斩波电路中IGBT的关断，这样就可以调节输送给逆变电路的电压幅值。

图3 功率调节模块示意图Fig.3 Schematic diagram of power modulation module

2.2 逆变电路

逆变电路是整个装置的核心部分，其稳定情况关系着整个装置的安全运行和试验数据的精度。从购买方便、技术成熟、设计简化、性能稳定等因素考虑，本文采用大功率IGBT作为开关器件。IGBT的驱动方法主要有以下 3 种[7]。

a.脉冲变压器驱动电路：一个小脉冲经过变压器后，经过一个过保护电阻开通IGBT的栅极。

b.光耦隔离驱动电路：将PWM波经过小延时的高速光耦后放大，从而驱动IGBT的栅极。

c.集成驱动模块：由成品的驱动模块驱动IGBT，可以提高装置的可靠性，该类芯片主要有富士的EXB 840、三菱的M57962L等。

智能型高压变频串联谐振试验电源运用集成驱动模块进行驱动，集成模块采用美国国际整流器公司的IR2110高压集成电路元件，外围电路简单，性能良好。逆变电路[8-9]如图4所示，图中U为Buck电路输出的电压，VD1和C2分别是自举二极管和自举电容，它们的选择都有严格的限制。交替开通和关断VT1、VT2、VT3、VT4就可以在逆变器的输出端获得交变的电压。IGBT的开断由DSP产生的SPWM波来控制，电压幅值取决于逆变器的输入端电压值，频率取决于 SPWM 波的频率[10]。

图4 串联谐振逆变电路Fig.4 Circuit of series resonance inverter

2.3 保护电路

在串联谐振电路中，比较难处理的故障是上下桥臂直通，其由负载短路或者开关器件因触发脉冲而误动作等诸多因素引起。上下桥臂直通短路后，回路的电流在短时间内会上升到很大的幅值，很快烧毁开关器件，因此必须附加各种保护电路。保护电路分为过压保护电路、过流保护电路、欠压保护电路和欠流保护电路等。

智能型高压变频串联谐振试验电源的过压保护措施有2种[6]：一种是外加吸收电路，另一种是针对逆变器输入端电压设计保护电路。当逆变器的输入端电压超过设定值时启动保护电路。本电源装置采用第2种过压保护方法，具体原理如图5所示。在逆变器输入端的滤波电容C两端，用电阻分压获得电压信号U2，与LM319负向输入端的基准电压信号Ub2相比较。当U2大于Ub2（即过电压）时，LM319输出高电平，使光耦的一次侧导通，二次侧输出低电平，经CD40106B反相后变成高电平的过电压信号U0。

图5 过电压保护电路Fig.5 Circuit of overvoltage protection

3 智能型高压变频串联谐振试验电源主控器软件设计

3.1 软件流程

智能型高压变频串联谐振试验电源的核心算法是SPWM波形生成算法和智能调频调压算法，装置的软件流程和保护中断流程如图6、7所示。结合图1可知，装置对逆变输出侧电压U0以及电容分压器电压UC采样，通过FFT运算得到U0和UC相位。当相位相差90°时，SPWM的频率等于谐振频率，此时外部电抗器与电容器产生谐振，电容分压UCh达到最大值，由于Cl较小，UCh≈UCt为励磁变压器输出电压的Q倍。

3.2 SPWM波形生成算法

本装置采用的是对称规则采样法生成SPWM波[11]，即通过设置 DSP 的 T1PR（以定时器 1 为例）生成三角波与正弦调制波Ursin ωt相交，由交点处决定SPWM波的脉宽[12]。对称规则采样法原理见图8。

假设三角载波的幅值Uc为单位量1，则正弦调制波的幅值Ur就是调制度m。图8中的三角波和正弦波均是经过向上平移单位量1得到的，与过横坐标轴得到的结果一致。利用底点采样，根据相似三角形原理，可得关系式如式（3）所示。

图6 软件流程Fig.6 Flowchart of software

图7 保护中断流程Fig.7 Flowchart of protection interrupt

图8 生成SPWM波形的规则采样法Fig.8 Regular sampling method of SPWM wave generation

其中，m为调制度，0≤m≤1；ω为正弦信号波角频率；δ为开通时刻脉冲宽度；Tc为三角波载波周期。因此可得开通时刻的脉冲宽度：

其中，N为载波比，2π／N为三角波周期Tc所对应的弧度，k为一个周期内采样计数值。

由以上分析得DSP的比较单元1的比较寄存器CMPR1的值为：

其中，Tt为EVA通用定时器1的时钟周期。

3.3 智能调频算法

相对于通过FFT计算相位差来实现调频的方法，智能调频主要通过智能矫正器的控制开关来实现[6]。智能矫正器的原理如图9所示。结合图1，通过实时监测UCh，并通过锁相环节计算出实时频率，把实时频率与频率设定值f0相比较得出其差值ef0。设定阈值P，当差值时，进入频率粗调环节，调节步长为1 Hz；当时，进入下一个微调环节。若分压UCh达到最大值，说明电路已经进入谐振，若没有达到最大值，则进入步长为0.1 Hz的微调环节。

图9 智能矫正器原理图Fig.9 Schematic diagram of intelligent corrector

3.4 智能调压算法

传统PI控制器简单易于实现，在控制领域得到了广泛的应用，但已不适用于智能型高压变频串联谐振试验电源装置，例如快速性和稳定性之间的矛盾尤为突出。因此本文提出模糊控制算法和最优非线性PI控制相结合的方法来增强装置的控制性能[6]。模糊最优非线性PI控制环节，实现模糊控制和最优控制等算法，提出的模糊最优调幅控制策略，在大偏差范围内采用模糊控制，以获得更好的瞬态性能；在小偏差范围内采用最优非线性PI控制。这样使本装置的调压算法兼顾快速性和稳定性。

4 实验数据分析

高压容性设备现场耐压试验应该优先选用工频试验[13]，而智能型高压变频串联谐振试验电源装置的频率调节范围是30～300 Hz。所以为了将试验频率尽可能限制在50 Hz左右且满足容值不同的容性设备，电抗器采用多台并联和串联的灵活连接方式。装置运行稳定，易于调节。具体组合方式见表1。

表中以额定电压10kV、横截面积300 mm2的XLPE电缆试验为例。由于电缆长度与容值成正比关系，所以根据不同的电缆长度选择不同组合方式的电抗器，这样保证了在试验频率尽可能接近工频的情况下，试验电流可以有明显的变化。

表1 XLPE电缆试验参数配置Tab.1 Parameter configuration for testing XLPE cable

110kV开关实验设备试验参数配置为：8台电抗器串联，从而使开关实验设备在工频附近谐振；感抗、额定电流和额定电压分别为1040 H、1 A、216kV，测试品电容为0.01 μF，试验频率为49 Hz，试验电流为0.6 A。220kV电力变压器中性点耐压试验参数配置为：7台电抗器串联，感抗、额定电流、额定电压分别为 910 H、1 A、189kV，变压器电容量为 0.03 μF，试验频率为30 Hz，试验电流为0.9 A。

5 结语

本高压变频串联谐振试验电源装置以DSP芯片作为核心控制电路。通过DSP芯片产生占空比可调的PWM波和频率可调的SPWM波分别控制功率调节模块和逆变模块，从而产生幅值和频率可调的交流电。该交流电经励磁变压器后传输给谐振电路，DSP对谐振时电路的电压、电流信号进行采集和处理，最后将得到的数据传送回研究中心。该装置由变频电源主控器、励磁变压器、电抗器和电容分压器等部分组成，它们便于拆卸、方便运输，解决了以往装置体积庞大、维护困难等问题。同时装置采用智能调频调压算法，缩短了调节时间、减小了超调量，使装置输出动态性能得到了提高。本装置既能满足现场试验，也能应用于工厂和实验室；既能适用于电缆设备，也能推广应用于GIS等其他容性设备[8-10]，因而具有重要意义。