一种高压谐波电压源的制作方法

本发明涉及电力系统电能检测技术领域，尤其涉及一种高压谐波电压源。

背景技术：

随着太阳能、风能等清洁能源的引入以及高铁、电动汽车等大功率非线性电感负载设备的大量应用，电网中的谐波含量越来越高。谐波会降低电能质量，造成电能计量准确度下降甚至超标，还会严重威胁电力设备的运行可靠性和安全性。因此，为了评估和检测谐波对计量、电能质量等电力设备可靠性、安全性的影响，需要一种能够模拟电网真实运行工况的含谐波的高压电压源。而需要对电网的真实运行工况进行模拟，必须要求高压电压源中的谐波分量的幅值及频率能够动态可控，以适应电网的各种运行工况。

目前，现有技术中尚没有一种能够产生含谐波分量的高压电压的电压源，导致在实际工程应用中无法模拟电网的真实运行工况。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种高压谐波电压源，解决了现有技术中尚没有一种能够产生含谐波分量的高压电压的电压源，导致在实际工程应用中无法模拟电网的真实运行工况。

本发明实施例提供的一种高压谐波电压源，包括：

高压基波电压源和谐波电压源；

谐波电压源包括信号发生器和高频变压器；

信号发生器与高频变压器的一次侧耦合连接；

高频变压器的二次侧的低压端与高压基波电压源的高压输出端连接，用于将信号发生器产生的谐波信号叠加在高压基波电压源产生的高压电压上并在高频变压器的二次侧的高压端输出高压谐波电压；

谐波电压源不接地，并与大地形成悬浮电位。

优选地，信号发生器的输入端通过光纤连接至遥控终端；

遥控终端用于通过光纤通信远程控制信号发生器产生谐波信号以及控制调整谐波信号的频率和幅值。

优选地，信号发生器的输入端通过光纤接收器与光纤连接；

遥控终端通过光纤发射器与光纤连接。

优选地，信号发生器通过无线通讯设备连接至遥控终端；

遥控终端用于通过无线通信远程控制信号发生器产生谐波信号以及控制调整谐波信号的频率和幅值。

优选地，遥控终端为遥控器；遥控器包括开关按键、幅值增大按键、幅值减小按键、频率增大按键和频率减小按键。

优选地，谐波电压源设置于密封的金属箱内，用于屏蔽外部电磁干扰。

优选地，还包括有电池，电池设置于金属箱内，用于为信号发生器供电。

优选地，信号发生器和高频变压器之间还包括有：

运算放大器，运算放大器的输入端与信号发生器连接，运算放大器的输出端与高频变压器耦合连接，运算放大器用于放大信号发生器产生的谐波信号。

优选地，信号发生器包括：

可编程微处理器、数模转换器和隔离运算放大器；

可编程微处理器与数模转换器的一端连接，数模转换器的另一端与隔离运算放大器的输入端连接，隔离运算放大器的输出端与运算放大器的输入端连接；

可编程微处理器用于接受外部控制指令，对谐波信号的开关以及谐波信号的频率和幅值进行控制调整。

优选地，高压基波电压源包括：自耦调压器和升压变压器；

自耦调压器的输入端连接电源，自耦调压器的输出端连接升压变压器的输入端，升压变压器的高压输出端与高频变压器的二次侧的低压端连接，用于输出高电压的交流工频电压信号。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明中通过将高频变压器与高压基波电压源串联在一起，并在高频变压器的一次侧耦合连接可产生谐波信号的信号发生器，从而使得信号发生器产生的谐波信号可以经过高频变压器放大后叠加在高压基波电压源产生的高压工频电压上，获得幅值和频率均可调整的高压谐波电压；本发明中主要采用了悬浮电位设计，将由信号发生器和高频变压器构成的谐波电压源与大地进行安全隔离，形成悬浮电位，使得应用于低压环境的信号放大器可以与应用于高压环境下的高压基波电压源进行结合而不会受到高压环境下高压的影响，打破了谐波电压源无法与高压基波电压源进行结合并叠加电压的隔阂，获得了可真实模拟电网运行工况的高压谐波电压，有利于真实还原模拟电网在非线性负载下的电压特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高压谐波电压源的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种高压谐波电压源的另一个实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种谐波电压源的具体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种遥控器的具体结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种遥控器的简化原理结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种谐波电压源的具体电路结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种高压基波电压源的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种高压谐波电压源，用于解决现有技术中尚没有一种能够产生含谐波分量的高压电压的电压源，导致在实际工程应用中无法模拟电网的真实运行工况。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

经过本发明的发明人研究发现，目前应用于电网中用于产生高压电压的电压源通常为高压基波电压源。高压基波电压源一般是在输入端施加220v或380v的工频交流电压，经自耦调压器做电压变换后，获得可调电压(0-380v)并输入至工频试验升压变压器的初级绕组(低压端)，利用电磁感应原理，在工频试验升压变压器的次级绕组(高压端)按其与初级绕组匝数之比获得同等倍数的输出高压。这种高压交流电源因其一般是把50hz的工频低压信号直接通过电磁耦合的方式变换成高压电压信号，所以电源输出幅值可调，但输出频率一般只能是50hz。

而现有技术中，可用于产生谐波电压信号的通常称为谐波电压源。谐波电压源实质上是一种幅值、频率可调的正弦波电压信号发生器，其输出幅值一般为0-1000v，频率可调整范围为100hz-10khz。这种谐波电压源主要用于测量电气设备及仪器的系统振幅特性、频率特性、非线性失真、增益及精度。这种谐波电压源虽然能满足频率和幅值特性要求，但在高电压测量时，幅值偏低，无法达到电网中运行时的高压要求(电网中的高压通常超过100kv)。而由于谐波电压源为低压环境下电压产生源，而高压基波电压源为高压环境下的电压产生源，谐波电压源无法直接叠加在高压工频电压源上，不能模拟实际电网谐波电压特性。

鉴于此，本发明实施例中提出一种可以在高压基波电压源上叠加谐波分量，并在设定范围内控制谐波分量的频率和幅值的高压谐波电压源，以便于能够模拟电网高压环境的真实运行工况。

请参阅图1，该图为本发明实施例提供的一种高压谐波电压源的一个实施例的结构示意图。

本发明实施例提供的一种高压谐波电压源包括：

高压基波电压源1和谐波电压源2。谐波电压源2包括信号发生器2b和高频变压器2a；信号发生器2b与高频变压器2a的一次侧耦合连接；高频变压器2a的二次侧的低压端x2与高压基波电压源1的高压输出端y1连接，用于将信号发生器2b产生的谐波信号叠加在高压基波电压源1产生的高压电压上并在高频变压器2a的二次侧的高压端x1输出高压谐波电压，高压基波电压源1的低压端y2接地。

为了能够将低压环境下的谐波电压源2与高压基波电压源1进行结合并叠加电压，并保证谐波电压源2能够在低压环境下正常工作而不受到高压基波电压源1的高压影响，避免谐波电压源受到高压基波电压源的高压冲击而造成损坏，谐波电压源2不接地，即谐波电压源2与大地保持一定的安全距离，并与大地形成悬浮电位。如果谐波电压源2接地，则高频变压器2a的一次侧的低压端为地点位，高频变压器2a的二次侧低压端为基波电压源输出的高电位，这样会影响谐波电压源2的正常工作。可选的，可采用绝缘材料支撑固定谐波电压源2，但必须保证谐波电压源2与地面或低压系统保证足够的安全电气距离。具体的，高频变压器2a的二次侧的低压端x2与高压基波电压源1的高压输出端y1连接，即谐波电压源2的整体电位悬浮于高压基波电压源1的高压端之上，高频变压器2a的二次侧的高压端x1端通过高压绝缘电缆引出，获得幅值和频率均可调整的高压谐波电压。在高压绝缘电缆的引出端接入宽频带电压互感器或电压测量装置等，即可进行对应的电压检测。

以上为对本发明实施例提供的一种高压谐波电压源的一个实施例的详细描述，为了便于理解，以下将结合具体应用结构对本发明实施例提供的一种高压谐波电压源的另一个实施例进行详细的描述。

请参阅图2，该图为本发明实施例提供的一种高压谐波电压源的另一个实施例的结构示意图。

本发明实施例提供的一种高压谐波电压源包括：

高压基波电压源1和谐波电压源2。谐波电压源2包括信号发生器2b和高频变压器2a；信号发生器2b与高频变压器2a的一次侧耦合连接；高频变压器2a的二次侧的低压端x2与高压基波电压源1的高压输出端y1连接，用于将信号发生器2b产生的谐波信号叠加在高压基波电压源1产生的高压电压上并在高频变压器2a的二次侧的高压端x1输出高压谐波电压，高压基波电压源1的低压端y2接地。其中，谐波电压源的频率可在100—3000hz范围内调节，电压(ux)可在0—2kv范围内调节。高压基波电压源的输出电压(uy)的范围为100kv—500kv。将谐波电压源和高压基波电压源串联，会得到总输出电压：uz＝ux+uy。

进一步地，请参阅图3，该图为本发明实施例提供的一种谐波电压源的具体结构示意图。为了实现对信号发生器2b的控制调整，信号发生器2b的输入端通过光纤4连接至遥控终端；遥控终端用于通过光纤4通信远程控制信号发生器2b产生谐波信号以及控制调整谐波信号的频率和幅值。信号发生器2b的输入端通过光纤接收器2c与光纤4连接；遥控终端通过光纤发射器3a与光纤4连接。因此，谐波电压源的开关、幅值及频率的调节可在低压侧远端(地面)通过遥控终端进行遥控控制，不仅满足了谐波幅值、频率的可调要求，也大大提高操作的安全性。可以通过操作人员或自动控制程序在远端低压侧遥控高压端的谐波电压输出，完成谐波电压幅值、频率等调节操作。此外，采用了光纤4作为介质。光纤4不仅具有电气隔离作用，而且在强电磁环境下可有效防止电磁干扰，消除通讯设备之间的影响。

进一步地，信号发生器2b还可以通过无线通讯设备连接至遥控终端；遥控终端用于通过无线通信远程控制信号发生器2b产生谐波信号以及控制调整谐波信号的频率和幅值。

请参阅图4和图5，图4为本发明实施例提供的一种遥控器的具体结构示意图。图5为本发明实施例提供的一种遥控器的简化原理结构示意图。可以理解的是，无论是采用光纤进行通信还是通过无线通讯设备进行通信，遥控终端具体可以为遥控器3c；遥控器3c包括开关按键、幅值增大按键、幅值减小按键、频率增大按键和频率减小按键。遥控器3c通过遥控板卡3b连接至光纤发射器3a。通过对遥控器3c按键的操作，可以顺利完成是否叠加谐波电压，以及调整谐波电压的频率和幅值等操作。工作时，每当操作遥控器3c按键，遥控板卡3b会根据特定按键完成二进制数的编码工作，然后由光纤发射器3a经由光纤发送给高压端的信号发生器2b，由光纤接收器2c接收。具体地，on、off键为打开或关闭谐波电压源，fu和fd键分别完成谐波频率的上升或下降，vu和vd键分别完成谐波电压增大或减小。

进一步地，为了屏蔽外部电磁干扰影响，谐波电压源2设置于密封的金属箱内，用于屏蔽外部电磁干扰。可以理解的是，由于谐波电压源2与大地安全隔离，因此需要采用电池2d进行独立供电，电池2d设置于金属箱内，用于为信号发生器2b供电，电池2d输出+5v、+12v及-12v电压。即谐波电压源以及供电的电池2d均封装在一个金属箱内，并安装在高压基波电压源1的高压端，并确保金属箱与高频变压器2a的二次侧的低压端x2以及高压基波电压源1的高压输出端y1可靠连接。

请参阅图6，该图为本发明实施例提供的一种谐波电压源的具体电路结构示意图。进一步地，信号发生器2b和高频变压器2a之间还包括有：运算放大器2e，运算放大器2e的输入端与信号发生器2b连接，运算放大器2e的输出端与高频变压器2a耦合连接，运算放大器2e用于放大信号发生器2b产生的谐波信号。信号发生器2b包括：可编程微处理器2b1、数模转换器2b2和隔离运算放大器2b3；可编程微处理器2b1与数模转换器2b2的一端连接，数模转换器2b2的另一端与隔离运算放大器2b3的输入端连接，隔离运算放大器2b3的输出端与运算放大器2e的输入端连接；可编程微处理器2b1用于接受外部控制指令，对谐波信号的开关以及谐波信号的频率和幅值进行控制调整。开机后，在可编程微处理器2b1的控制下，x1—x2端处于关闭状态或设置初始输出为500hz/500vpp，如果光纤接收器2c读取到调整指令，则可编程微处理器2b1会根据指令调整输出频率或电压变换等功能。

请参阅图7，该图为本发明实施例提供的一种高压基波电压源的结构示意图。进一步地，高压基波电压源1包括：自耦调压器1a和升压变压器1b；自耦调压器1a的输入端连接电源，自耦调压器1a的输出端连接升压变压器1b的输入端，升压变压器1b的高压输出端与高频变压器2a的二次侧的低压端连接，用于输出高电压的交流工频电压信号。

本发明实施例中通过将高频变压器与高压基波电压源串联在一起，并在高频变压器的一次侧耦合连接可产生谐波信号的信号发生器，从而使得信号发生器产生的谐波信号可以经过高频变压器放大后叠加在高压基波电压源产生的高压工频电压上，获得幅值和频率均可调整的高压谐波电压；本发明中主要采用了悬浮电位设计，将由信号发生器和高频变压器构成的谐波电压源与大地进行安全隔离，形成悬浮电位，使得应用于低压环境的信号放大器可以与应用于高压环境下的高压基波电压源进行结合而不会受到高压环境下高压的影响，打破了谐波电压源无法与高压基波电压源进行结合并叠加电压的隔阂，获得了可真实模拟电网运行工况的高压谐波电压，有利于真实还原模拟电网在非线性负载下的电压特性。本发明实施例中可以通过操作人员或自动控制程序在远端低压侧遥控高压端的谐波电压输出，完成谐波电压幅值、频率等调节操作，简单高效而且安全性高。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。