谐波试验用宽频大电流发生装置研究

许灵洁　陈　骁　郭　鹏　李航康　吕几凡

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州　310014）

随着电网技术的发展，各种新能源层出不穷，随之而来的各种电力电子设备，比如大功率变频器、逆变装置，大功率DC-DC变换装置等都会给电网带来丰富的谐波，过高的谐波污染了正常的电网，给电能质量带来很大的负面影响。通常谐波电能研究都局限于二次电能，而直接研究一次的谐波成分除了高性能的宽频传感器外，还务必配备能输出理想谐波成分的一次谐波电流，国内通常的做法是用任意波发生器作为谐波信号源，配备线性功率放大器，推动宽频升流变压器输出所需的谐波大电流，这种方法缺点是，升流变压器不能输出直流电流，而且本身对高次谐波有衰减，需要对谐波信号源的输出进行反馈调节[1-3]。国外Fluke公司的跨导放大器产品52120A具备输出120A的能力，但是价格昂贵，不便推广。本文介绍的这种电流源采用线性放大器叠加的方法，达到了 500A的输出能力，并且从直流到50次谐波，均有良好的输出特性。

1　谐波源装置总体结构及工作原理

简单的谐波大电流发生器可以由多个功率放大器组合而成，如图1所示，Vi为输入的谐波参考信号电压，由于输入为各种频率的谐波信号，可以是单频率的电压也可以是复合的谐波信号，而功率放大器为了保持各次谐波的频响特性和幅值特性一致，基本上不能通过电容进行滤波，导致组合电路极易发生震荡现象，而且难以消除。造成震荡的原因主要是由于各放大器的频响差异，要解决这个问题，最好的方法是各放大器电源分离，独立后的各放大器输出可以任意组合，也无需限流电阻保护了。

图1　简单组合型谐波电流发生器

本装置从本质上讲是一种跨导放大器，而且是多组跨导放大器的组合，所以从结构上看，可以分为嵌入式软硬件系统、谐波信号源（又称程控数字信号源）、大功率跨导放大器、测试回路等部分，如图2所示。

2　装置的关键技术研究

2.1　信号的隔离放大

本装置采用了多个独立跨导放大器组合的形式，所以不能共用一个谐波信号源，需要将谐波源经过隔离后推动各个跨导放大器，而这种隔离放大器不但需要完全的电气隔离，而且要有很好的频响和性能一致性，在模拟技术中，隔离放大器通常分为磁调制隔离放大器和近年来发展迅速的线性光隔离放大器。本文中装置采用的是线性光耦HCNR201[4-7]，实现谐波模拟电压信号与放大器之间的线性隔离。线性光耦隔离与普通光耦隔离相比，改变了普通光耦的单发单收模式，增加一个用于反馈的光电二极管并且增大了线性区域，如图3所示。两个光电二极管都是同样特性的非线性，可通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而实现信号的线性传递。

图2　新型的采用随动电源技术的谐波源

图3　线性光耦内部结构

HCNR201是一种高精度线性光耦器件，直流非线性典型值为 0.01%，最大 0.05%，同时拥有高达1MHz的带宽和-65×10-6的增益温度系数，所以非常适合进行高水平的信号隔离。

通过外接不同的分立器件，可以实现交直流电流和电压的光电隔离转换电路，应用电路如图4所示。HCNR201由高性能的 AlGaAs型发光二极管D1及两个具有严格比例关系的光电二极管 PD1和PD2构成。当发光二极管中流过电流 If时，其所发出的光会在光电二极管中 PD1、PD2感应出正比于LED 发光强度的光电流 IPD1、IPD2，其中 If、IPD1、IPD2满足以下关系：

伺服电流增益：k1=IPD1/If

正向增益：k2=IPD2/If

式中，k1、k2分别为发光二极管PD1、PD2的电流传输比，k3为该光耦的传输增益，k3=IPD2/IPD1=k2/k1，其典型值为1。

图 4为带有交越失真补偿的精密交流隔离电路，运放A1、A2分别负责正负半周的转换，两个运放拼用一组工作电源，运放 A3负责二次的合成输出，该运放独立供电，C1、C2、C3为滤波电容，考虑到线路要求的频响，3个电容的容量值都是几十个pF的水平。

图4　交流信号光隔离

假设正半周时，流过 D7的电流为 If，流过 R1的电流为I1，流过R5的电流为I3，有

同理，负半周时有

本装置中选择 R1=R2=100kΩ，R5=20kΩ，那么当额定输入电压为 5V时，隔离放大器额定输出为1V，至此，线路已完成交流信号的隔离兼衰减任务。

2.2　电源随动的线性放大器

1）OPA512简介

OPA512是由Burr-Brown公司生产的一款输出功率大、低失真和耐持久的功率放大器，用于驱动各种电阻和无功负载，其互补的A/B级输出级为交越失真应用提供了卓越的性能。发生故障时电流限制电路通过限流电阻为放大器和负载提供保护。OPA512的偏置输出晶体管采用激光修整单片集成电路来设计，提供优异的低电平信号保真度和高输出电压摆幅，提高了性能和可靠性。该混合集成电路采用密封TO-3封装，所有电路与外壳电气隔离，这样可以直接安装在底盘或散热器上，而无需繁琐的绝缘硬件，并提供最佳的热传递。

图5所示为OPA512的安全工作区特性曲线，当 OPA512工作在安全线性区时，输出电流随着输入电压呈线性关系；当 OPA512工作在截至区时，输出电流是固定不变的。可以从图中看到，如果要输出10A的交流电流，在结温85℃时，管子两端的电压就只能允许 5～6V，为了适应不同的负载，本装置将供电的直流电压设计成与负载电压随动的特性，这是本文要说明的一大特点。

图5　OPA512安全工作区特性曲线

2）随动电源工作原理

OPA512的随动电源控制电路主要由峰值电路单元、加法器单元、控制电压为0～5V的12V可调开关电源单元以及供电单元六部分组成，如图6所示。每个 OPA512配备一组正负电压的随动电源，信号通过隔离单元的将输入信号与输出电流之间电源和地隔离开来，从而使每个 OPA512输出电流都相互独立，峰值电路单元的作用是求交流信号的输出电压峰值；通过加法器单元将 OPA512输出信号的峰值和基准值（当OPA512输出为0时，给其供电的起始电压控制信号）相加产生独立的0～5V控制信号，该控制信号控制可调开关电源确保OPA512在大电流输出情况下，对输出负载有非常好的自适应能力。电流源系统为了满足叠加的要求，每个模块的隔离前后所用运放的电源均采用了互相隔离的传统直流供电单元。

图6　随动电源控制信号发生电路

假如输出电流为IL，负载RL上产生的电压降为U1，进入随动控制电路后，第一级反相放大器输出为，进入峰值保持电路后有，接近直流波形，最后反相加法器输出为

当输出电流很小或负载很小时，输出电压 U1接近为零，这时U4≈VR5/R4，随着电流增大或者负载增大，输出电压U4也同步增大，将放大器工作电压与输出电压差基本保持在 5～6V，使得放大器处于最佳工作状态。

图7所示为工作电源与输出电压随动的情况，一种情况为简单的随动模式，工作电压随着输出电压变化，开关电源的控制信号属于直流信号；另一种情况为理想随动模式，此时将开关电源的正电源在信号负半周时处于最小的允许电压，负电源在信号的正半周也处于最小的允许值上面，其余时间随着波形提升各自的正负电压，这种模式最大程度地降低了功率放大器的内部损耗，使得器件效率达到最佳。

图7　随动电源与信号波形图

2.3　恒流源

恒流源的原理如图8所示，首先输入信号经过隔离电源进入OPA512同向输入端，采样电阻Rs一端接地，另一端接 OPA512的反向输入端构成交流反馈回路，取输出电流时，一端接 OPA512输出另一端接反向输入端，此时有

图8　恒流源原理图

根据运算放大器虚短原理：U-=U+，因此有

而当电流 I增加时，反向输入端电压也需要响应的增加，输出电压也会随之增大，根据 OPA512的工作特性，为了让其工作在安全线性区，工作电压与输出电压之差应保持在恒定的区域，这样OPA512才能输出稳定的电流，因此，工作电压 Us也应相应的增加。

为了让 OPA512工作在安全线性区，随动电源的控制电压模块输出合适的控制电压，运放输出电压增加时工作电压也会响应的增加，保障差别在5～6V之间，从而保证了OPA512工作在安全线性区。

本装置每个模块的恒流源采样电阻为0.1Ω，隔离放大器输出到恒流源电压1V时输出10A电流，与输出回路的电阻值无关。

2.4　基于FPGA的谐波信号发生器

谐波信号发生器本质上讲就是一个任意波发生器，将需要输出的波形用数学模型准确表达成时间量的函数，按时间输出各点的瞬时值，形成一个ROM 表，通过串口的方式将产生的 ROM 表传到FPGA内部生成的串口控制器，并将数据存储在内部ROM中。正常工作时，FPGA内部生成的DA控制器，采用 SPI总线的方式将 ROM表中数据依次送往DA芯片，根据 ROM表中的数据并参照稳定的直流基准，输出符合预先设定的波形，原理结构如图9所示。

图9　谐波发生器工作原理图

比如，要输出一个基波与三、五次谐波，可以用函数 y=A1sin(ωt+θ1)+A2sin(3ωt+θ2)+A3sin(5ωt+θ3)进行描述，并按照等分的时间间隔算出各个瞬时值。

3　频率响应能力的试验与数据

1）测试数据分析

作为谐波测试用的宽频恒流电流源，最主要的实验数据为恒流源的频响特性曲线和稳定性指标。

选择最基本的10A电流模块做频响试验，输入电压从直流到 10kHz，分析输入输出传输比对频率的变化规律。

表1　基本电流模块频率响应测试传输比数据

频率响应数据分析：

（1）50Hz与直流传输比相比的频响特性

20log（1.9458/1.9372）=0.03467dB

（2）2kHz与直流传输比相比的频响特性

20log（1.9487/1.9372）=0.05141dB

（3）3kHz与直流传输比相比的频响特性

20log（1.9532/1.9372）=0.07144dB

（4）5kHz与直流传输比相比的频响特性

20log（1.9772/1.9372）=0.17752dB

可以看到，3kHz信号与直流相比传输比变化不到0.1dB，完全可以满足60次以内谐波的分析需求。

2）测试波形研究

图10至图15中实线波形为信号电压波形，虚线波形为恒流源输出电流的波形。

通过对单次谐波波形的测量，除了观察波形质量，也可用高精度万用表复核电流源的频响特性。

通过观察全频谱的方波波形，可以看到电流源由良好的动态特性，在方波上升沿和下降沿没有看到明显的过冲或变形过程，说明电流源对高次谐波有较好的频响特性。

图10　50Hz基波信号的输入输出波形

图11　2kHz单次频率波的输入输出波形

图12　全频谱的方波输入输出波形

图13　三、五、七次全奇次复合谐波的输入输出波形

图14　二、四、六、八次全偶数次谐波的输入输出波形

图15　从二到九次全谐波输入输出波形

图16为诸暨东牵引站（电气化铁路）采集的某个互感器二次实际电流波形和成分，可以看见其成分接近2～9次全谐波的波形，如果用本装置发生的谐波电流去研究牵引站的电流互感器谐波误差将是非常有效的。

图16　高铁牵引站实际录波波形

表2　录波仪的谐波成分读数

4　结论

谐波大电流发生装置在高铁牵引站等电流互感器谐波误差特性研究[8]，宽频电流特性研究以及电能质量研究方面有着广泛的用途[9-12]，很宽的频响特性也可以被应用在当前的直流电能研究上，能够在直流电流波形上叠加非常精准的纹波波形，装置中采用的随动电源新技术也可以被推广到其他大功率线性放大器上，那必将更有效地发挥放大器的功率，降低放大器的内部损耗，提高整个线路的工作效率。