调频式谐振特高压试验电源电压及频率的控制方法

陈宏斌

摘要：随着我国科学技术的不断进步，交流特高压电网逐渐成熟，大大提升了我国电网的输送能力。整个调频式谐振特高压试验电源装置对特高压交流电气设备的试验有着不可或缺的重要意义。装置由不可控整流电路、H桥逆变电路、升压变压器及串联谐振电路组成。笔者从事多年的特高压试验工作，对于高压试验电源电压和频率的控制方法比较有研究。对于需要器件产生特高压试验所需要的正弦信号，可以采用大功率开关器件绝缘体双极晶体管代替，整个装置结构简单、维护数目少。本文就对调频式谐振特高压试验电源电压和频率的控制方法做出讨论分析。

关键词：调频式谐振 特高压试验电源电压 频率 控制方法

1 概述

随着我国电网的不断发展，很多高压输变电设备，如断路器、气体绝缘组合电器（GIS）等，广泛地应用于各个领域行业的电网中。通常来讲，工程项目竣工完成验收交付使用前，都需要对项目工程高压电器设备进行交流耐压测试。一方面，可以保证建筑工程用户的正常用电需求；另一方面，便于维护电网，提高用电的安全性。IEC新标准规定：110kV及其以上的电压变电器，在安装投入使用时，必须进行特高压电源局部放电试验，但是由于这是一个转动的、不可调频率的电源装置，导致启动电流较大，装置繁多且笨重，操作、运输、安装以及维护都非常不方便。因此，引入可调频式谐振特高压试验电源对其进行电压和频率的检测是必然的选择，其试验范围大，频率高，耐压特性好。本文就对此装置做出简单的分析讨论。

2 调频式谐振特高压试验电源的概述

调频式谐振特高压试验电源（UHV-FTRTPS）是目前我国在电压和频率控制中广泛使用的一种装置，其优点是电源输入量小，耐压性好，重量轻、体积小，工作效率比较高，试验领域以及范围非常广，试品被击穿后能自动脱谐保护等，能满足特高压等级的现场试验，具有高度的准确性和可靠性，非常值得研究和开发。近年来，随着我国社会经济的不断增长和科学技术不断进步，电力电子器件也逐渐发展起来，如绝缘栅双体晶体管IGBT技术已成功应用在变换器、整流器、逆变器等方面，取得了非常好的效果。

新型调频式谐振特高压试验电源系统结构主要由三相不可控电路、检测单元、数字信号处理器、输出滤波器、串联谐振电路、H桥逆变电路等组成。如图1。本文采用大功率IGBT组成的电路产生正弦信号，通过升压电压器和高压串联谐振电路放大后，达到超高压甚至特高压的电压等级。利用该装置的数学模型，对电压调节和频率的控制做出讨论，从而实现整个系统的调压、调频工作。

3 调频式谐振特高压试验电源调压、调频控制器设计

3.1 电压自调整PI控制

在调频式谐振特高压试验电源对其电压试验检测中，由于被测试品本身就存在很多不确定的因素（多样性、中间励磁升压变压器的涡流），使得该数学模型进行计算时，不能精确化，存在一定的误差；另一方面，调频式谐振特高压装置在试验中输出的电压期望值往往是变化的，可能会不利于实验结果的准确性。过去的PI调节器，比例和积分系数都不能根据自身的特点和需求，进行实时在线调整，往往控制的效果不能让人满意。随着科学技术的进步与发展，采用自调整PI控制器，可以在线实时对PI控制器参数进行调整，达到最理想的控制状态。如图2中。

3.2 PI锁相调频自动控制

如图2中，比例积分锁相自动调频，图中被测试品两端电压Uc和逆变器电压Uo通过电压传感器的测量后传送到DSP控制器MAX125采集单元，转换电路变成方波信号，通过对异或逻辑的比较，得出Uc和Uo的相位差，将相位差平均化为直流电压Uf，再经过PI控制器调节，由亚控振荡器（VCO）得到谐振频率ωo的标准正弦信号。PI控制器不仅控制着校正的速度和精度，还对噪声和高频分量有着抑制作用。

3.3 电压及频率总体控制策略

调频式谐振特高压试验电源系统带有L、C串联谐振电路，微小的频率波动会使谐振点附近的Uc有很大的变化。在该装置系统开始运行时，通常首先会对该装置的频率进行适当地调节，当频率调整到某个位置，刚好达到谐振点时，就开始调节电压，同时使电压达到试验所需的设定值。若谐振参数有所变化，可以根据电路的实际特点和需求，按照上述重新进行调节，直至达到需要的效果。一般来说，系统输出的频率比较小，其范围在30-300Hz之间变化，因此若想较好地满足PWM的调节，采用较小的载波比即可。整个控制器由PI锁相自动调频内环和电压Uc自动调整PI外环组成，谐振频率为ωo的标准正弦信号，其输出信号处理后得到调制比M，然后经过频率正弦信号和调制比相乘，得出PWM控制信号，使之驱动IGBT，从而实现整个系统的调压、调频。

4 调频式谐振特高压电源装置的试验结果

根据特高压交流耐压试验所需要的电压等级，可以设置频率调节范围为30-300Hz，逆变器输出电压调节范围是0-400V。IGBT中间励磁升压变压器E为单项油浸自冷式，使3个独立的高压侧绕阻串联、并联使用。如图3，采用传统的PI控制与本文论述的新型PI控制方法进行比较，通过输出电压和频率的对比，可以发现，表1调频方法波形畸变大，不光滑；表2畸变小，波形光滑。

5 结束语

从上述可知，文章采用大功率开关IGBT对调频式谐振特高压电源的电压和频率控制方法进行了研究，同时提出了电压调整PI控制策略和比例积分锁相自动调频策略，可以看出，此试验电源容量大、试验范围广、重量轻、体积小等优点，比较适合变电站及建筑施工现场使用。在此试验的基础上，我们还应该不断地研究，不断地优化完善此装置，满足特高压试验的最高要求，促进我国电力事业快速发展。

参考文献：

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