專利名稱：調(diào)頻諧振式特高壓試驗電源的電壓與頻率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種特高壓電網(wǎng)設(shè)備的交流耐壓試驗和局部放電試驗的電源，特 別涉及一種調(diào)頻諧振式特高壓試驗電源的電壓與頻率控制方法。
背景技術(shù)：
特高壓輸電具有跨區(qū)域、大容量、遠(yuǎn)距離、低損耗等優(yōu)勢、從電網(wǎng)發(fā)展能 源分布條件和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展需求來看，建設(shè)特高壓輸電工程，將特高壓線路作
為全國電網(wǎng)的主網(wǎng)架是我國電力工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。特高壓電網(wǎng)(1000KV) 已成為我國"十一.五"電網(wǎng)建設(shè)的重點，我國已建成晉東-南陽-荊門特高壓交 流輸電示范工程，隨著我國電網(wǎng)向特高壓方向的發(fā)展，以SF6 (六氟化硫)為 介質(zhì)的特高壓輸變電設(shè)備，如斷路器、GBS、 GIS、 SF6互感器等，在工程交 接驗收時要對這些特高壓電氣設(shè)備進(jìn)行交流耐壓實驗。其次IEC新標(biāo)準(zhǔn)要求 110KV以上電壓等級的變壓器，新安裝投入運行時要做局部放電實驗。這些試 驗都需要輸出高壓電、帶負(fù)載能力強、適合電力現(xiàn)場作業(yè)的交流電源裝置。
隨著特高壓試驗對象的不同，試驗方法和步驟也隨之改變，試驗過程中被 測試品兩端所加電壓不是固定不變的，會隨著試驗步驟有所變化。整個試驗過 程中力求特高壓試驗電源輸出電壓穩(wěn)定無超調(diào)，且不能過快的達(dá)到設(shè)定值。頻 率調(diào)節(jié)時要快速、穩(wěn)定的達(dá)到諧振頻率，在試驗開始后的整個過程中，要有很 強的抗干擾能力，避免由于被測試品的擊穿等原因出現(xiàn)失諧的狀況，即使出現(xiàn) 失諧現(xiàn)象要求頻率調(diào)節(jié)能夠迅速恢復(fù)到穩(wěn)定的諧振頻率點。
國內(nèi)己有文獻(xiàn)對采用大功率開關(guān)器件IGBT (絕緣柵極雙極型晶體管)來產(chǎn)生正弦波進(jìn)行了分析和研究，但這些分析沒有與特高壓試驗電路的特點關(guān)聯(lián) 起來。其中有文獻(xiàn)提出對于頻率調(diào)節(jié)采用基于離散傅立葉分析的鎖相控制方法， 但其響應(yīng)速度較慢，控制精度較差。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)及其存在的缺陷，為了滿足特高壓試驗過程中電壓與頻 率調(diào)節(jié)的需求，本發(fā)明的發(fā)明目的旨在結(jié)合特高壓諧振電路的特點，提供一種 調(diào)頻諧振式特高壓試驗電源的電壓與頻率控制方法，對于電壓調(diào)節(jié)采用傳統(tǒng)PI 控制方法的基礎(chǔ)上，提出比例積分鎖相控制方法，不僅對噪聲和高頻分量有良 好的抑制作用，而且還能使頻率校正具有良好的動、靜態(tài)性能。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下 一種調(diào)頻諧振式特 高壓試驗電源的電壓與頻率控制方法，首先進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，當(dāng)頻率穩(wěn)定在諧振 頻率之后再進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，直至系統(tǒng)頻率、電壓達(dá)到設(shè)定值，具體步驟包括 首先通過分壓電容器檢測諧振電容電壓R和諧振電路輸入電壓f/。，并得出相位 差①，經(jīng)過比例積分鎖相控制器調(diào)節(jié)，控制器輸出信號經(jīng)壓控振蕩器得到頻率 為諧振頻率w。的正弦信號，頻率調(diào)節(jié)完成，結(jié)束諧振頻率自動搜索；此時電壓 處于開環(huán)控制，當(dāng)頻率穩(wěn)定在諧振點時，開始進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，諧振電容電壓"。有 效值《與電壓設(shè)定值《的差值經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后，其輸出通過歸一化模塊處 理后得到調(diào)制度M，調(diào)制度M與壓控振蕩器輸出的頻率w。的正弦信號相乘，并
經(jīng)脈沖寬度調(diào)制P麗電路得出逆變器開關(guān)的控制信號，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓， 使其達(dá)到設(shè)定電壓值。
本發(fā)明的詳細(xì)工作原理詳細(xì)描述如下在本發(fā)明中，由于UC串聯(lián)諧振電 路中諧振點附近的R對頻率的變化非常敏感，故頻率的微小波動就會使諧振電
容電壓R有很大的變化，所以系統(tǒng)開始工作時首先進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)。當(dāng)L、 C
電路處于諧振狀態(tài)時，t/。與諧振電路輸入電壓c/。的相位差為f 。根據(jù)諧振電路 這一特點，先檢測R與"。相位差，經(jīng)過比例積分鎖相控制器調(diào)節(jié)，在經(jīng)過壓控 振蕩器VCO得到頻率為諧振頻率w。的正弦信號，諧振頻率自動搜索完成。此 時電壓處于開環(huán)控制，當(dāng)頻率穩(wěn)定在諧振點的時候，開始進(jìn)行電壓的調(diào)節(jié)，^有 效值《與電壓設(shè)定值《差值經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后，其輸出通過歸一化模塊處理 后得到調(diào)制度M。 M與壓控振蕩器(VC0)輸出的頻率為w。標(biāo)準(zhǔn)正弦信號相乘， 并由高頻三角載波調(diào)制后，得出的開關(guān)信號經(jīng)放大電路及光電隔離電路之后來
驅(qū)動絕緣柵極雙極型晶體管IGBT。從而得到特高壓試驗所需的幅值、頻率可調(diào) 的正弦信號。若諧振參數(shù)有所改變，按上述重新調(diào)節(jié)。
上述頻率、電壓調(diào)節(jié)具體包括以下步驟
檢測并采樣諧振電路電容電壓R及其輸入電壓t/。的相位，經(jīng)過異或邏輯門
(XOR)得出相位差a;
經(jīng)RC低通濾波器轉(zhuǎn)化為電壓信號X,;
計算相位差電壓信號^與設(shè)定值1/2 (諧振時其相位差為l，歸一化到[O
;r]區(qū)間，即1/2)的差值e("，經(jīng)比例積分鎖相控制器得出頻率信號控制量
<formula>formula see original document page 6</formula>
然后檢測并采樣諧振電容兩端電壓f/。的值，并有效值電路處理得到其有效
計算諧振電容兩端電壓有效值《與設(shè)定值《的差值M/。； 將A^經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后，并做歸一化處理得到調(diào)制度M為
率+i)=m(x)_ a"c④]+《a"c(m) 義(k+l)經(jīng)vco振蕩后得出頻率為諧振頻率w。的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，把標(biāo)準(zhǔn)正弦信號與調(diào)制度M相乘并由高頻三角載波調(diào)制后，得出逆變器的開關(guān)控制信號；
綜上所述，本發(fā)明提供了一種調(diào)頻諧振式特高壓試驗電源的電壓與頻率控 制方法，根據(jù)調(diào)頻諧振式特高壓試驗電源諧振電路的特點，提出先調(diào)頻后調(diào)壓 的控制策略，對于頻率提供了比例積分鎖相控制，具有良好的穩(wěn)定性、快速性 和較高的精度。本發(fā)明的比例積分鎖相調(diào)頻方法不僅對噪聲和高頻分量有良好 的抑制作用，而且還使頻率校正具有良好的動、靜態(tài)性能。對于電壓調(diào)節(jié)采用 一般的PI控制器來完成，能夠很好的滿足試驗過程，可以穩(wěn)定、緩慢、基本無 超調(diào)的達(dá)到設(shè)定值。


圖1是實施例中實現(xiàn)本發(fā)明方法的控制裝置結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是本發(fā)明的工作原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示，實現(xiàn)調(diào)頻諧振式特高壓試驗電源電壓與頻率控制方法的控 制裝置包括三相不可控整流電路，H橋逆變電路，輸出濾波器，勵磁升
壓變壓器，L、 C串聯(lián)諧振電路，檢測單元，DSP控制器及其擴展電路，人 機接口 (鍵盤、液晶)組成。T為中間勵磁升壓變壓器，K為試驗回路諧 振電感等效內(nèi)阻，Cs為試驗回路諧振電容，"為分壓電容。智能功率模 塊組成H橋逆變器，直流側(cè)大電容C由三相不可控整流電路為其充電。逆 變器交流端接有LC輸出濾波器來濾除開關(guān)器件通斷及死區(qū)所產(chǎn)生的高頻 毛刺。中間勵磁升壓變壓器T把逆變器輸出的低壓光滑正弦信號變成高壓 光滑正弦信號，在特定頻率下L、 C串聯(lián)諧振電路工作在諧振狀態(tài)，諧振 電容Cs輸出1200KV及以下等級的大小可調(diào)頻率可變的測試電壓，對特高壓輸變電設(shè)備進(jìn)行試驗?？刂葡到y(tǒng)所需的電壓信號經(jīng)電壓互感器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)
小信號后，由抗干擾能力強的光纖無失真?zhèn)魉偷紻SP控制器MAX125采集 單元。DSP控制器及其擴展電路包括數(shù)字信號處理器(TMS320F2407)、采樣 芯片(MAX125)、液晶顯示電路、硬件倍頻電路、串行時鐘模塊、擴展輸出/輸 入口等。整個系統(tǒng)通過4*4鍵盤實現(xiàn)試驗參數(shù)設(shè)置、光標(biāo)移動、確定、取 消等功能。10. 4寸分辨率為640*480真彩液晶通過并行I/O 口與DSP控制 器相連作為人機操作顯示終端。雖然DSP本身帶了 512字節(jié)的RAM，但根據(jù) 系統(tǒng)需求，擴展了 128K片外RAM。假設(shè)逆變輸出信號的頻率為F，經(jīng)過硬件倍 頻電路，產(chǎn)生頻率為128傘F的啟動信號來啟動MAX125采樣電路。P麗波輸出端 和IGBT控制信號輸入端之間，接有起隔離干擾作用的高速光電耦合器，使高壓 電路(逆變電路)與低壓電路(控制電路)分開。
如圖2所示，圖2中虛線框'電壓調(diào)節(jié)'為電壓控制方法框圖，諧振 電壓c/。經(jīng)過有效值模塊處理得到其有效值《，":為設(shè)定值，t/。為LC濾波器輸 出電壓，M為調(diào)制度。t/:與《相減得到PI控制器的輸入信號AC/。，其輸出信號 經(jīng)歸一化處理后得到調(diào)制比M，為式(1)所示
<formula>formula see original document page 8</formula>(1)
M經(jīng)過歸一化處理(
之間)后為0《M《1，通過改變調(diào)制度M大小 來改變P麗占空比，從而來改變逆變器輸出電壓大小，整個電壓調(diào)節(jié)過程平緩 無超調(diào)。
圖2中實線框'頻率調(diào)節(jié)，為比例積分鎖相自動調(diào)頻框圖，諧振電容兩 端電壓K和逆變器輸出電壓"。由霍爾電壓傳感器測量后經(jīng)光纖無失真?zhèn)魉偷?DSP控制器MAX125采集單元。由過零轉(zhuǎn)換電路變成方波信號，經(jīng)XOR異或邏輯 門比較后，得出&、 c/。的相位差，RC低通濾波器濾除交流紋波，把相位差變成
無紋波平均化的直流電壓信號義,，經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后由壓控振蕩器(vco)得
到頻率為諧振頻率w。的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，與調(diào)制度M相乘，三角載波調(diào)制后得出
P醫(yī)經(jīng)過放大后電路及光電隔離電路后來驅(qū)動IGBT。這里PI控制器不僅與RC 低通濾波器一樣對噪聲和高頻分量有抑制作用，并且還控制著相位校正的速度 和精度，對其動、靜態(tài)性能起決定作用。
系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)時，&、"。的相位差為d),定義低通濾波器的輸入
(即XOR邏輯門的輸出)為式(2)。
<formula>formula see original document page 9</formula>
易知RC低通濾波器的微分方程為式(3)。
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中r,^,c,，為RC濾波器時間常數(shù)。由諧振電路KCL、 KVL定理得出k滯后"。 相角為
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中、=1/#， L、 C為諧振電感及電容，^為諧振電感的內(nèi)阻。相角誤差定義
為式(5)所示
<formula>formula see original document page 9</formula>
PI離散控制律為式(6)所示
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中T為逆變器輸出電壓周期，^為比例系數(shù)，《為積分系數(shù)。式(3)離散 化為
<formula>formula see original document page 10</formula>
從式(4)可知式(7)中cD(T(K))為r(。的非線性函數(shù)，取式(4)在7 = ;時泰勒
展開式的前兩項，近似得到o(n線性化表達(dá)式
諧振時①(r。)4
定義:<formula>formula see original document page 10</formula>(8)
(9)
(10)
式(9) (10)帶入式(7)可得到:
(a: +1)+丄=ot(ax, (k)+丄)+二 (2——5~ Ar<x)) (11)
2;r 2 ;r^C
把w用w代替，式(11)化簡為:
<formula>formula see original document page 10</formula>把式(12) (13)帶入式(6)得出<formula>formula see original document page 10</formula>
(12) (13)
<formula>formula see original document page 10</formula>(14)
式(14)化簡得出
<formula>formula see original document page 10</formula>
(15)
<formula>formula see original document page 10</formula>，由式(12)(15)可得出控制模型:
<formula>formula see original document page 11</formula>(16)
式(16)輸出信號經(jīng)壓控振蕩器(VC0)調(diào)節(jié)后得出頻率為諧振頻率 的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，該信號與式(1)得到的調(diào)制度M相乘，被高頻三角載 波調(diào)制后，得出IGBT的開關(guān)信號，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓，使其達(dá)到設(shè)定電
壓值，即達(dá)到整個特高壓試驗電源調(diào)壓、調(diào)頻的目的
權(quán)利要求
1、一種調(diào)頻諧振式特高壓試驗電源的電壓與頻率控制方法，首先進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，當(dāng)頻率穩(wěn)定在諧振頻率之后再進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，直至系統(tǒng)頻率、電壓達(dá)到設(shè)定值，其特征在于，具體步驟包括首先通過分壓電容器檢測諧振電容電壓Uc和諧振電路輸入電壓U0，并得出相位差Φ，經(jīng)過比例積分鎖相控制器調(diào)節(jié)，控制器輸出信號經(jīng)壓控振蕩器得到頻率為諧振頻率w0的正弦信號，頻率調(diào)節(jié)完成，結(jié)束諧振頻率自動搜索；此時電壓處于開環(huán)控制，當(dāng)頻率穩(wěn)定在諧振點時，開始進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，諧振電容電壓Uc有效值Uc′與電壓設(shè)定值Uc*的差值經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后，其輸出通過歸一化模塊處理后得到調(diào)制度M，調(diào)制度M與壓控振蕩器輸出的頻率w0的正弦信號相乘，并經(jīng)脈沖寬度調(diào)制PWM電路得出逆變器開關(guān)的控制信號，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓，使其達(dá)到設(shè)定電壓值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)頻諧振式特高壓試驗電源的電壓與頻率控制方 法，其特征在于，所述頻率調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)的具體算法包括以下步驟a、 檢測并采樣諧振電路電容電壓Uc及諧振電路輸入電壓U。的相位，經(jīng)過異 或邏輯門(XOR)得出相位差Φ，歸一化到[O pi]區(qū)間即為uf；b、uf經(jīng)RC低通濾波器轉(zhuǎn)化為電壓信號Xf;C、計算相位差電壓信號X,與設(shè)定值l/2的差值e^)，經(jīng)比例積分鎖相控制 器得出頻率信號控制量<formula>see original document page 2</formula>d、檢測并采樣諧振電容兩端電壓Uc的值，并有效值電路處理得到其有效值Uc'e、計算諧振電容兩端電壓有效值Uc與設(shè)定值":的差值ΔUcf、將ΔUc 經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后，并做歸一化到
區(qū)間得到調(diào)制度M為 M(K+l)=M(K)+Kp[ΔUc(K+1)-ΔUc(K)]+K1ΔUc(K+1) 最后將上述得出的X(k+l)經(jīng)壓控振蕩器振蕩后得出頻率為諧振頻率w。的標(biāo) 準(zhǔn)正弦信號，把標(biāo)準(zhǔn)正弦信號與調(diào)制度M相乘并由高頻三角載波調(diào)制后，得出 逆變器開關(guān)的控制信號，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓，使其達(dá)到設(shè)定電壓值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種調(diào)頻諧振式特高壓試驗電源的電壓與頻率控制方法，首先通過分壓電容器檢測諧振電容電壓U_c和諧振電路輸入電壓U₀，并得出相位差Φ，經(jīng)比例積分鎖相控制器調(diào)節(jié)，輸出信號經(jīng)壓控振蕩器得到頻率為諧振頻率w₀的正弦信號；當(dāng)頻率穩(wěn)定在諧振點時，開始進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，諧振電容電壓U_c有效值U_c′與電壓設(shè)定值U_c^*的差值經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后，其輸出通過歸一化模塊處理后得到調(diào)制度M，調(diào)制度M與壓控振蕩器輸出的頻率w₀的正弦信號相乘，并經(jīng)PWM電路得出逆變器開關(guān)的控制信號，使其達(dá)到設(shè)定電壓值。本發(fā)明所述控制方法具有良好的穩(wěn)定性、動靜態(tài)性能以及控制精度，適合調(diào)頻諧振式特高壓試驗電源自身電路的特點，具有很強的適應(yīng)性。
文檔編號G01R31/12GK101206242SQ20071019266
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者劉定國, 孫賢大, 帥智康, 徐先勇, 璐 方, 鋒 李, 安 羅 申請人:湖南大學(xué)