新型調頻式諧振特高壓試驗電源的相關參數設計

王碩 董艷明 王偉

摘 要：隨著特高壓電網的發展，特高壓交流試驗電源逐漸成為進行輸電技術試驗研究的重要課題。在電力電子技術發展的大背景下，現階段我國相關研究人員已經實現了對傳統特高壓試驗電源的整體拓撲結構及系統頻率特性的優化設計，提出了一種新型的調頻式諧振特高壓試驗電源設計方案。本文對其中的相關參數設計進行了重點研究和探討，以期對實現其工程的有效應用有一定的借鑒和參考價值。

關鍵詞：參數設計；調頻式諧振；試驗電源；交流特高壓

調頻式諧振特高壓試驗電源（UHV-FTRTPS）的主要優點在于耐壓特性好、電源輸入容量小、效率高等，除了能進行現場實驗之外，還能在工廠以及實驗室等進行應用，可謂有著巨大的應用和研究價值。傳統意義上的調頻串聯諧振式高壓試驗電源為保證額定容量的實現，多采用的是模擬器件產生正弦波的形式以實現多級功率的放大，但往往需要較高的成本，且結構相對較為復雜。在現階段電力電子器件發展的背景下，大功率開關器件等方面的工藝技術及發展應用也有了更為廣泛的研究，但在調頻式諧振特高壓試驗電源的相關研究卻鮮有涉及。因此，本文對其相關參數設計進行研究，將有著重要的理論和現實意義。

1 新型調頻式諧振特高壓試驗電源整體結構

新型調頻式諧振特高壓試驗電源的主要組成部分包括輸入濾波器、升壓變壓器、H橋逆變電路以及串聯諧振電路、輸入濾波器等部件組成，形成一個系統的結構（見圖1）。

如上圖所示，L2表示的是試驗回路諧振電感，RL為其等效內阻；T表示的是中間勵磁升壓變壓器；C2、C3分別表示的是分壓電壓器高壓、低壓臂電容。在這一結構體系中，采用基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊中的脈寬調制（PWM）逆變器，大功率正弦波的產生部分應用的是電壓型H橋逆變器，充電應用三相不可控整流電路。為保證濾波效果的增強，采用的是LC輸入濾波器。在此基礎下能有效防止電網中整流器諧波的進入，抑制干擾現象的發生。同時，為減少開關損耗，系統中應用的是RCD緩沖電路，斷開關關斷時的過沖電壓進行抑制。這樣，就能實現在特定頻率下，保證各線路形成的串聯諧振電路處于諧振工作狀態，保證諧振電容兩端的電壓能夠輸出高達幾百萬伏，這也就能實現對特高壓變電設備是否合格進行檢驗的目的。

2 相關的參數設計

基于以上分析，本文采用以大功率IGBT來產生正弦波的方式，并利用升壓電壓器，將串聯的諧振電路進行放大，以保證電壓等級達到超高壓或特高壓。并在此基礎上，將輸出信號頻率的取值范圍定在30～300HZ。就整個電路來講，為保證各組成部分參數的合理性和科學性，還需要對其相關參數進行分析和優化設計。具體來講，參數設計主要包括以下幾方面：

2.1 大功率H橋逆變器緩沖電路參數設計

由于IGBT的開關頻率較高，速度較快，容易產生較大的動態損耗。甚至會造成過電壓現象，對逆變系統的穩定運行造成不良的影響。因此，有必要采用開關輔助電路，即緩沖吸收電路，保證器件運行的安全性。如圖2所示，采用的是RCD緩沖電路。其中，LS表示的是其等效電感，DS為緩沖二極管，RS為緩沖電阻。

在此基礎上，對其參數進行相關的優化設計，主要表現在三方面：首先在電路關斷時，要保證產生的尖峰電壓最小。其次，保證緩沖電路的總損耗最小，其主要包括緩沖電容的儲能以及開關損耗等。此外，還需要在RCD緩沖電路的投資上進行考慮，保證其投資達到最小化。具體的校正算法可以通過遺傳方法進行求解。

2.2 輸出濾波器參數設計

在進行特高壓試驗時，要求電流信號要接近正弦波。但由于使用的是載波對正弦信號波進行調制，很容易造成波形的畸變，對自動跟蹤諧振點的頻率控制造成極大的麻煩。因此，采用LC濾波器，對其參數的優化設計包括以下幾方面：濾波器的初期投資較少，且保證了輸出的電壓信號諧波含量在試驗要求的最大允許值之下。此外，濾波器輸出的電流信號諧波含量也應該在規定最大允許值的范圍內。

2.3 高壓諧振電抗器參數設計

設置高壓諧振電抗器主要是將之與電容串聯，以實現變壓器輸出電壓在特定頻率下的信號放大，得以產生特高壓等級的電壓。其主要由四節單臺的高壓電抗器組成，可根據試驗的要求來進行技術參數的計算和設計。一般采用的是空芯線圈制作繞組，以實現電抗器損耗在最大程度上的減小。同時諧振電感的設計參數也需要滿足最大負載容值等。

2.4 中間勵磁升壓變壓器參數設計

在系統中設置中間勵磁變壓器的目的是為獲得更高的諧振電路電壓做準備。在試驗中多為采用的是單相油浸自冷式勵磁變壓器，在高壓側設置三個相互獨立的容量繞組。在容量設計方面，由于實際中雜波問題的存在，因此一般采取的是增加系數的方式來實現變壓器容量的增加。在結構參數設計方面，為保證其參數設置的有效性，一般要采用優質銅箔實現平行繞制，保證繞組的平衡性。此外，還需要保證變壓器的絕緣性，提升其抗干擾能力，實現局部放電量的減少。

3 結束語

綜上所述，應用IGBT結構實現新型調頻式諧振特高壓試驗電源的設計，為保證其設計的科學性和可行性，就需要對其中各組成部分的參數進行優化設計。在進行參數設計的谷草衡中，也需要考慮到整個系統設計的實際需求，在此基礎上進行參數具體方案的設計，才能達到較好的設計效果。

參考文獻

[1]盛君，張敏.變頻試驗電源在電機試驗中的應用[J].變流技術與電力牽引，2007，（5）：57-6.

（作者單位：1.國網遼寧省電力有限公司檢修分公司錦州分部；2.國網遼寧省電力有限公司技能培訓中心）