一种大功率高压试验用无局放变频电源及其谐振试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种电力系统电源技术领域的装置及方法，具体是一种可用于AC 500kV高压设备现场耐压试验的无局放变频电源及其谐振试验装置。

背景技术：

随着我国电力系统的不断发展，用户对输配电设备和传输可靠性提出了更高的要求，需要现场进行耐压试验的电力设备的电压等级也越来越高，故对交流耐压试验用的变频电源的容量及功率也提出了更高的要求。

现在国内市场上有的单台变频电源的容量已经无法满足此类输配电设备和传输电缆的试验，即使有用并联式的变频电源，但由于系统环流或者输出不同步的原因，使得并联使用的变频电源并不稳定，甚至还会影响到系统的稳定性。

对现有技术文献检索发现，中国专利CN202103582U记载了一种“并联式无局部放电变频升压电源装置”，公开了一种并联的变频升压电源装置，采用了两台变频电源的输出端分别接到单台励磁变压器的两输入绕组实现的并联模式，实现了电源功率的叠加。但是上述技术并未设计到当两台变频电源输出不同步时，对励磁变压器原边会产生较大的直流励磁，当直流励磁很大时，励磁变压器原边会发生涌流，铁芯饱和，严重时励磁变压器会发生烧毁，系统崩溃，会危机到对人、设备甚至电网的安全，因此变频电源并联模式上，一定要解决两台变频电源的输出不同步和环流问题。

中国专利CN102545640A，公开了一种“柔性变频装置”，该技术由两台高压变频器构成，其中的一台用作主变频器，其余的用作从变频器，主变频器的输出端通过联锁开关、同步电抗与各从高压变频器的逆变回路的输出端连接，主变频器通过联锁开关与各从变频器的逆变回路互相串联，各从变频器的逆变回路的中心点，主变频器中的控制器与从变频器中的控制器建立通讯连接，主变频器中的控制器发出调制信号，对主变频器和从变频器实行控制，使各变频器在空间矢量PWM调制控制上保持一致，以保证主从变频器的输出频率、电压、相位一致。但该技术并未涉及到主从变频器之间通讯信号种类多，易造成主从控制器的误解码、甚至会造成IGBT 的误触发，发生事故。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的之一在于提供一种大功率高压试验用无局放变频电源，大功率输出采用逐级放大的原理，从最初的微小功率的信号源经过多次放大，实现大功率输出，满足试验需要。

本实用新型通过如下技术方案实现上述目的：一种大功率高压试验用无局放变频电源，其包括信号发生器、数字电位器、前级功放电路、桥式功放电路、整流滤波电路、预合闸回路以及对所述桥式功放电路进行过流保护的快速过流保护电路；

所述信号发生器产生一个标准的正弦波信号经过所述数字电位器进行频率调节和电压调节，经过调节后的输出信号直接推动所述前级功放电路，所述前级功放电路分为两路输出，其中一路产生与试验频率相同的同步电源供给到一局放仪，另外一路推动所述桥式功放电路；

所述预合闸回路电气连接所述整流滤波电路和所述桥式功放电路；

所述桥式功放电路由四个等效大功率晶体管组成四个桥臂，每个所述桥臂主要由一千只以上的等效晶体管并联组成。

进一步的，还包括对所述桥式功放电路进行散热的强制风冷系统。

进一步的，所述整流滤波电路包括三相桥式整流电路、主要由电感和电容组成的滤波电路。

进一步的，所述无局放变频电源的直流工作电源直接取自三相380V交流电源，经具有过流和速断保护的真空开关送入所述三相桥式整流电路，变成脉动直流，经由所述滤波电路将脉动直流变为平滑的直流电源供给所述桥式功放电路。

进一步的，所述预合闸回路的控制方法为先向所述滤波电路中的电容充电，待电容充电电流达到设定值时再合闸。

进一步的，所述桥式功放电路中设置有负反馈模块，所述负反馈模块包括控制所述桥式功放电路功放部分的单片机、与所述单片机电气连接且采集所述桥式功放电路和所述前级功放电路输出端的输出电压采集电路、检测所述强制风冷系统入口风温和出口风温的温度检测电路，所述温度检测电路与所述单片机电气连接。

进一步的，所述桥式功放电路的每只等效晶体管两端并联一个续流二极管，所述桥式功放电路的输出端设置有滤波电容，在该输出端与被试品之间设置有励磁变压器。

本实用新型的另一主要目的在于提供一种基于大功率高压试验用无局放变频电源并联运行的谐振试验装置，其包括供电电源、与所述供电电源连接的移相变压器、与所述移相变压器输出端连接的若干并联的无局放变频电源组、与所述变频电源组输出端连接的中间变压器、与所述中间变压器输出端连接的若干台电抗器。

与现有技术相比，本实用新型一种大功率高压试验用无局放变频电源及其谐振试验装置的有益效果在于：变频电源装置的大功率输出采用逐级放大的原理，即首先经过前级功放电路和桥式电路进行逐级放大，然后通过桥式功放电路中每个桥臂中数千只并联的等效晶体管进行多级放大，从最初的微小功率的信号源经过多次放大后最终实现大功率输出，满足试验需要；在桥式功放电路中还设计了风冷系统和负反馈模块，通过实时监测桥式功放电路输出电压因温度升温而发生的漂移情况，并反馈到单片机，通过连接单片机的上位机软件对波形进行修正，减小波形畸变率，再通过单片机控制桥式功放电路的功放部分，从而使得输出电压更加稳定；通过多台变频电源并联运行从而提高输出容量，将并联运行的无局放变频电源的供电电源采用移相变压器接线方式，显著提升整流电路脉波数，大大降低了变频电源并联运行时注入系统的谐波电流。

【附图说明】

图1为本实用新型实施例无局放变频电源的原理框架示意图；

图2为本实用新型实施例中桥式功放电路的原理示意图；

图3为本实用新型实施例中桥式功放电路和负反馈电路的原理框架示意图；

图4为本实用新型实施例中对比案例中谐振试验装置的接线示意图；

图5为本实用新型实施例中对比案例谐振试验装置仿真结果输入电压及电流谐波含量图；

图6为本实用新型实施例对比案例谐振试验装置仿真结果电流谐波含量图；

图7为本实用新型实施例谐振试验装置的接线示意图；

图8为本实用新型实施例谐振试验装置仿真结果输入电压及电流谐波含量图；

图9为本实用新型实施例谐振试验装置仿真结果电流谐波含量图。

【具体实施方式】

实施例：

本实施例为大功率高压试验用无局放变频电源及其谐振试验装置，针对现有技术的不足，公开了一种采用逐级放大，实现大功率输出的变频电源，变频电源装置的大功率输出采用逐级放大的原理，从最初的微小功率的信号源经过多次放大，实现大功率输出，从而满足试验需要。

请参照图1，本实施例大功率高压试验用无局放变频电源，其包括信号发生器、数字电位器、前级功放电路、桥式功放电路、强制风冷系统、整流滤波电路、预合闸回路以及快速过流保护电路，所述信号发生器产生一个标准的正弦波信号经过所述数字电位器进行频率调节和电压调节，此过程也是在试验过程中的频率调节和电压调节，此时的频率同试验频率相同，频率测量在信号源部分就完成了；经过调节后的输出信号直接推动所述前级功放电路，有初步功率输出，所述前级功放电路分为两路输出，其中一路产生与试验频率相同的同步电源供给到一局放仪；另外一路用于推动所述桥式功放电路，所述桥式功放电路也就是大功率产生的主要部分，在试验过程中其发热量很大，因此，本实施例通过强制风冷系统来对所述桥式功放电路进行散热。

所述整流滤波电路包括三相桥式整流电路和由电感和电容组成的滤波电路。所述整流滤波电路将380V交流电转变为无局放变频电源中各电路模块所需的直流电。所述预合闸回路和所述快速过流保护电路与所述整流滤波电路电气连接，所述快速过流保护电路实现对所述整流滤波电路进行过流保护。

所述快速过流保护电路和所述预合闸回路设置在所述整流滤波电路的供电线路上，通过所述预合闸回路的通断实现对所述整流滤波电路的过流保护。

无局放变频电源的直流工作电源直接取自三相380V交流电源，经具有过流和速断保护的真空开关送入三相桥式整流电路，变成脉动直流，经由电感和电容组成的滤波电路将脉动直流变为平滑的直流电源供给所述桥式功放电路(5～1350kW)。由于滤波电容量达到数万微法，直接合闸充电电流很大，有可能造成低压总电源开关跳闸，故在系统中本实施例增加了预合闸回路：先经小电流向滤波电容充电，待电容充电电流较小时再合闸，从而不会产生较大的启动冲击电流，使得系统启动容易简单可靠。

请参照图2-图3，所述桥式功放电路由大功率晶体管Q1-Q4组成的功放电路的四个桥臂，每个桥臂由数千只等效晶体管并联组成，并采取有效的均流措施和保护措施。

所述桥式功放电路中设计了负反馈模块，所述负反馈模块包括控制所述桥式功放电路功放部分的单片机、与所述单片机电气连接且采集所述桥式功放电路和所述前级功放电路输出端的输出电压采集电路、检测所述强制风冷系统入口风温和出口风温的温度检测电路，所述温度检测电路与所述单片机电气连接。

，修正微小的波形畸变，保证波形畸变率小。所述桥式功放电路部分的散热为强迫风冷方式，通过强制风冷系统进行散热，并设有检测入口风温和出口风温的检测电路，温度直接在控制箱的液晶屏上显示。所述桥式功放电路的功放部分通过单片机实时控制，使输出电压不受温度的升高而漂移，并设有输出电压因温度漂移的软件负反馈技术，使输出电压更加稳定。

Q1-Q4为四个等效晶体管，正半周时，模拟推动信号Q1、Q4晶体管的基极，Q1、Q3截止；Q1、Q4导通，电流由Q1至负载再到Q4形成正弦波的正半周。负半周时模拟信号推动Q2、Q3的基极，Q1、Q4截止，Q2、Q3导通，电流由Q3至负载再至Q2形成正弦波的负半周，从而在负载上构成一个完整的正弦波。

所述桥式功放电路的每只等效晶体管两端并联一个续流二极管，在输出端设置有滤波电容，在输出端与被试品之间设置有变压器，该变压器为励磁变压器。当调频电源内部突然停电，在被试变压器或串联谐振回路与中间升压变压器中不会造成开路状况，且始终存在一个能量释放通道。由此可见，无论调频电源内部故障或外部电源突然停电，被试变压器或谐振回路并没有切断，与一般空载变压器完全不同，不存在使电流强制过零，因而变频电源不会造成被试负载产生过电压。

变频电源与控制箱及分压器与控制箱的连接均采用光纤连接方式，彻底的隔离，避免了在试品打穿后的反击造成控制箱的损坏，使用更安全。

由于现场高压电源条件有限，一般采用多变频电源并联的方式配合高压谐振装置来提高输出容量，满足现场耐压试验大功率高电压的需求。由于变频电源多采用不可控三相桥式整流电路，会使得电网供电电流产生较大的谐波成分，多台并联运行后，总的供电容量增加，谐波电流的含量更大，对电网的供电质量带来一定影响。从三相整流电路分析可知，整流电路输出脉波数越多越有利于提高装置能量变换的效率和减少输出电压的脉动，同时，尽可能多的脉波数的整流装置对减小交直流两侧的谐波含量和提高系统的功率因数起到至关重要的作用。

因此，本实施例还提供了一种基于大功率高压试验用无局放变频电源并联运行的谐振试验装置，其包括供电电源、与所述供电电源连接的移相变压器、与所述移相变压器输出端连接的若干并联的无局放变频电源组、与所述变频电源组输出端连接的中间变压器、与所述中间变压器输出端连接的若干台电抗器。

通过采用移相变压器为并联的无局放变频电源组供电，能够产生更多的脉波数，从而减小输出电压脉动，减小交直流两侧谐波含量，整流电路脉波数可以得到显著提升，大大降低变频电源并联运行时注入系统的谐波电流。

本实施例谐振试验装置中，无局放变频电源的台数由所需供电容量和单台无局放变频电源的输出电压共同决定，根据所需容量选择合适的并联台数；移相变压器中移相的角度需与移相组数进行配合。

为了验证本实施例基于大功率高压试验用无局放变频电源的谐振试验装置对于谐波抑制的效果，本实施例进行了对比仿真实验。

条件要求：某3000kVA供电电源系统采用10kV输入变压器，供电给5台 450kW无局放变频电源，配合中间变压器及8台80A/26H电抗器构成的整套试验系统。整套系统试验时，高压侧总损耗达到2000kW，加上变频电源自身损耗，供电容量需要3000kVA。

对比方案：接线示意图如图4所示；仿真后输入电压谐波含量如图5所示。图5中，U1＝9986.47V；各次谐波电压含量分别为：Uh3＝24.16V； Uh5＝90.23V；Uh7＝20.69V；Uh9＝13.27V；Uh11＝41.61V。由于其他谐波电压含量较小，其他谐波不带入计算，输入电压中的谐波含量为：

电压总谐波畸变率：

从上述计算结果分析可知，电压总谐波畸变率仅有1.1％，在允许范围内。

电流谐波含量如图6所示。其中，基波电流I1＝152.97A，各次谐波电流含量分别为：Ih3＝24A；Ih5＝52.31A；Ih7＝14.47A；Ih9＝4.68A；Ih11＝10.22A，只考虑11次谐波输入电流中的谐波含量为：

电流总谐波畸变率：

从上述计算结果分析可知，电压总谐波畸变率达到39％，已大大超出系统容许电流谐波含量。

本实施例的仿真结果如下：

变压器采用移相变压器接线方式，试验系统接线示意图如图7所示。

图7中，移相变压器二次绕组由5组二次绕组组成，每个二次绕组输出电压相位差为12°。

仿真电路测得的输出电压谐波含量图如8所示，其中，U1＝9986.07V；各次谐波含量如下：Uh3＝27.28V；Uh5＝83.66V；Uh7＝23.12V；Uh9＝15.64V； Uh11＝39.26V；输入电压中的谐波含量为：

电压总谐波畸变率：

电压总谐波畸变率仅有1％，略有改善，在允许范围内。

电流谐波如图9所示，可以看出电流谐波大幅降低，并且只有11次及以下谐波，基波及各次谐波含量如下：I1＝155.81A；Ih3＝20.65A；Ih5＝10.56A； Ih7＝0；Ih9＝0；Ih11＝10.23A，输入电流中的谐波含量为：

电流总谐波畸变率：

电流总谐波畸变率由原来的39％降低至16.3％，较普通配电变压器已大大降低，与系统容许电流谐波含量十分接近，设计参数稍加调整即可满足要求。

以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。