諧波試驗用寬頻大電流發生裝置研究

許靈潔　陳　驍　郭　鵬　李航康　呂幾凡

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州　310014）

隨著電網技術的發展，各種新能源層出不窮，隨之而來的各種電力電子設備，比如大功率變頻器、逆變裝置，大功率DC-DC變換裝置等都會給電網帶來豐富的諧波，過高的諧波污染了正常的電網，給電能質量帶來很大的負面影響。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，還務必配備能輸出理想諧波成分的一次諧波電流，國內通常的做法是用任意波發生器作為諧波信號源，配備線性功率放大器，推動寬頻升流變壓器輸出所需的諧波大電流，這種方法缺點是，升流變壓器不能輸出直流電流，而且本身對高次諧波有衰減，需要對諧波信號源的輸出進行反饋調節[1-3]。國外Fluke公司的跨導放大器產品52120A具備輸出120A的能力，但是價格昂貴，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　諧波源裝置總體結構及工作原理

簡單的諧波大電流發生器可以由多個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電壓，由于輸入為各種頻率的諧波信號，可以是單頻率的電壓也可以是復合的諧波信號，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，基本上不能通過電容進行濾波，導致組合電路極易發生震蕩現象，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，要解決這個問題，最好的方法是各放大器電源分離，獨立后的各放大器輸出可以任意組合，也無需限流電阻保護了。

圖1　簡單組合型諧波電流發生器

本裝置從本質上講是一種跨導放大器，而且是多組跨導放大器的組合，所以從結構上看，可以分為嵌入式軟硬件系統、諧波信號源（又稱程控數字信號源）、大功率跨導放大器、測試回路等部分，如圖2所示。

2　裝置的關鍵技術研究

2.1　信號的隔離放大

本裝置采用了多個獨立跨導放大器組合的形式，所以不能共用一個諧波信號源，需要將諧波源經過隔離后推動各個跨導放大器，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，在模擬技術中，隔離放大器通常分為磁調制隔離放大器和近年來發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]，實現諧波模擬電壓信號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單收模式，增加一個用于反饋的光電二極管并且增大了線性區域，如圖3所示。兩個光電二極管都是同樣特性的非線性，可通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而實現信號的線性傳遞。

圖2　新型的采用隨動電源技術的諧波源

圖3　線性光耦內部結構

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%，同時擁有高達1MHz的帶寬和-65×10-6的增益溫度系數，所以非常適合進行高水平的信號隔離。

通過外接不同的分立器件，可以實現交直流電流和電壓的光電隔離轉換電路，應用電路如圖4所示。HCNR201由高性能的 AlGaAs型發光二極管D1及兩個具有嚴格比例關系的光電二極管 PD1和PD2構成。當發光二極管中流過電流 If時，其所發出的光會在光電二極管中 PD1、PD2感應出正比于LED 發光強度的光電流 IPD1、IPD2，其中 If、IPD1、IPD2滿足以下關系：

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為帶有交越失真補償的精密交流隔離電路，運放A1、A2分別負責正負半周的轉換，兩個運放拼用一組工作電源，運放 A3負責二次的合成輸出，該運放獨立供電，C1、C2、C3為濾波電容，考慮到線路要求的頻響，3個電容的容量值都是幾十個pF的水平。

圖4　交流信號光隔離

假設正半周時，流過 D7的電流為 If，流過 R1的電流為I1，流過R5的電流為I3，有

同理，負半周時有

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

2.2　電源隨動的線性放大器

1）OPA512簡介

OPA512是由Burr-Brown公司生產的一款輸出功率大、低失真和耐持久的功率放大器，用于驅動各種電阻和無功負載，其互補的A/B級輸出級為交越失真應用提供了卓越的性能。發生故障時電流限制電路通過限流電阻為放大器和負載提供保護。OPA512的偏置輸出晶體管采用激光修整單片集成電路來設計，提供優異的低電平信號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或散熱器上，而無需繁瑣的絕緣硬件，并提供最佳的熱傳遞。

圖5所示為OPA512的安全工作區特性曲線，當 OPA512工作在安全線性區時，輸出電流隨著輸入電壓呈線性關系；當 OPA512工作在截至區時，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，在結溫85℃時，管子兩端的電壓就只能允許 5～6V，為了適應不同的負載，本裝置將供電的直流電壓設計成與負載電壓隨動的特性，這是本文要說明的一大特點。

圖5　OPA512安全工作區特性曲線

2）隨動電源工作原理

OPA512的隨動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可調開關電源單元以及供電單元六部分組成，如圖6所示。每個 OPA512配備一組正負電壓的隨動電源，信號通過隔離單元的將輸入信號與輸出電流之間電源和地隔離開來，從而使每個 OPA512輸出電流都相互獨立，峰值電路單元的作用是求交流信號的輸出電壓峰值；通過加法器單元將 OPA512輸出信號的峰值和基準值（當OPA512輸出為0時，給其供電的起始電壓控制信號）相加產生獨立的0～5V控制信號，該控制信號控制可調開關電源確保OPA512在大電流輸出情況下，對輸出負載有非常好的自適應能力。電流源系統為了滿足疊加的要求，每個模塊的隔離前后所用運放的電源均采用了互相隔離的傳統直流供電單元。

圖6　隨動電源控制信號發生電路

假如輸出電流為IL，負載RL上產生的電壓降為U1，進入隨動控制電路后，第一級反相放大器輸出為，進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

當輸出電流很小或負載很小時，輸出電壓 U1接近為零，這時U4≈VR5/R4，隨著電流增大或者負載增大，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。

圖7所示為工作電源與輸出電壓隨動的情況，一種情況為簡單的隨動模式，工作電壓隨著輸出電壓變化，開關電源的控制信號屬于直流信號；另一種情況為理想隨動模式，此時將開關電源的正電源在信號負半周時處于最小的允許電壓，負電源在信號的正半周也處于最小的允許值上面，其余時間隨著波形提升各自的正負電壓，這種模式最大程度地降低了功率放大器的內部損耗，使得器件效率達到最佳。

圖7　隨動電源與信號波形圖

2.3　恒流源

恒流源的原理如圖8所示，首先輸入信號經過隔離電源進入OPA512同向輸入端，采樣電阻Rs一端接地，另一端接 OPA512的反向輸入端構成交流反饋回路，取輸出電流時，一端接 OPA512輸出另一端接反向輸入端，此時有

圖8　恒流源原理圖

根據運算放大器虛短原理：U-=U+，因此有

而當電流 I增加時，反向輸入端電壓也需要響應的增加，輸出電壓也會隨之增大，根據 OPA512的工作特性，為了讓其工作在安全線性區，工作電壓與輸出電壓之差應保持在恒定的區域，這樣OPA512才能輸出穩定的電流，因此，工作電壓 Us也應相應的增加。

為了讓 OPA512工作在安全線性區，隨動電源的控制電壓模塊輸出合適的控制電壓，運放輸出電壓增加時工作電壓也會響應的增加，保障差別在5～6V之間，從而保證了OPA512工作在安全線性區。

本裝置每個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時輸出10A電流，與輸出回路的電阻值無關。

2.4　基于FPGA的諧波信號發生器

諧波信號發生器本質上講就是一個任意波發生器，將需要輸出的波形用數學模型準確表達成時間量的函數，按時間輸出各點的瞬時值，形成一個ROM 表，通過串口的方式將產生的 ROM 表傳到FPGA內部生成的串口控制器，并將數據存儲在內部ROM中。正常工作時，FPGA內部生成的DA控制器，采用 SPI總線的方式將 ROM表中數據依次送往DA芯片，根據 ROM表中的數據并參照穩定的直流基準，輸出符合預先設定的波形，原理結構如圖9所示。

圖9　諧波發生器工作原理圖

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

3　頻率響應能力的試驗與數據

1）測試數據分析

作為諧波測試用的寬頻恒流電流源，最主要的實驗數據為恒流源的頻響特性曲線和穩定性指標。

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

表1　基本電流模塊頻率響應測試傳輸比數據

頻率響應數據分析：

（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信號與直流相比傳輸比變化不到0.1dB，完全可以滿足60次以內諧波的分析需求。

2）測試波形研究

圖10至圖15中實線波形為信號電壓波形，虛線波形為恒流源輸出電流的波形。

通過對單次諧波波形的測量，除了觀察波形質量，也可用高精度萬用表復核電流源的頻響特性。

通過觀察全頻譜的方波波形，可以看到電流源由良好的動態特性，在方波上升沿和下降沿沒有看到明顯的過沖或變形過程，說明電流源對高次諧波有較好的頻響特性。

圖10　50Hz基波信號的輸入輸出波形

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、七次全奇次復合諧波的輸入輸出波形

圖14　二、四、六、八次全偶數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）采集的某個互感器二次實際電流波形和成分，可以看見其成分接近2～9次全諧波的波形，如果用本裝置發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　高鐵牽引站實際錄波波形

表2　錄波儀的諧波成分讀數

4　結論

諧波大電流發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用在當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的紋波波形，裝置中采用的隨動電源新技術也可以被推廣到其他大功率線性放大器上，那必將更有效地發揮放大器的功率，降低放大器的內部損耗，提高整個線路的工作效率。