一種大功率諧波電源特性試驗系統及方法
2024-02-09 18:22:15 1
一種大功率諧波電源特性試驗系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種大功率諧波電源特性試驗系統及方法，該系統包括諧波變頻電源、諧波變壓器、工頻電源、工頻變壓器以及電源控制系統；所述諧波變頻電源和工頻電源的輸入端與380V交流電相連，所述諧波變頻電源的輸出端與諧波變壓器的輸入端相連；所述諧波變頻電源的輸出端與電源控制系統的輸入端相連，所述諧波變頻電源受控於電源控制系統；運用該方法進行諧波特性試驗，能夠得到多種頻率組合的諧波信號，滿足實際諧波實驗的需要的缺陷。系統結構簡單、體積小、重量輕、調試簡單，可以在線更新輸出的諧波參數，噪音也小。利用該試驗方法有利於更好地了解電網諧波特性，提高電網電能質量與安全性。
【專利說明】一種大功率諧波電源特性試驗系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電氣工程領域，尤其涉及一種大功率諧波電源特性試驗系統及方法。
【背景技術】
[0002]電力電抗器、電容器的諧波噪音是影響電力電容器、電抗器長期安全運行的世界性難題。隨著諧波治理和無功補償受重視程度的提高，以及直流輸電、新能源發電的廣泛應用，電力電容器和平波電抗器用量的日趨增長，對其技術要求也越來越高。受限於現有技術水平，目前市場上常見的諧波實驗設備只能採用工頻等效代取或採用單頻中頻電源多個串聯，不僅操作麻煩，而且不符合實際運行情況，不能提供多種頻率組合的諧波信號，難以滿足實際諧波試驗的需要。
[0003]如進行諧波實驗中的噪聲實驗，採用現有技術中的橋式電路，總電壓和總電流都為單個試品為2倍，其中試品(LKK-35-1251-11.021)進行11次諧波測試時，電壓和電流分別達到了 38775V和1018.1A，所需無功為1018.11*38.775 = 39498kVA，所以系統總無功為39498*4 = 157992kVA，假設諧波電源容量為 800KVA，則 157992/800 = 197.5，所以補償 Q值需達到197.5才能滿足要求，然而實際中的系統Q值可能達不到197.5。
[0004]試品(LKK-35-1251-11.021)外形尺寸3.8x3.8x6.2m，尺寸龐大，造價昂貴，且橋式電路同時需要4臺，同時要求除試品外的3臺，無任何電氣問題以保證不對試品產生任何影響。
[0005]中頻變壓器頻率範圍:50?2500Hz，由於頻率過寬，實際中阻抗電壓是指在50Hz下的值，所以頻率越高輸出功率越小。我們以試品(LKK-35-1251-11.021)中11次諧波為例:假設中頻變壓器阻抗電壓5%，11次諧波下的阻抗電壓為5*11 = 55%，即11次諧波下輸出功率為額定的42%，存在較大的能量損耗。
[0006]因此，開發出一種新型的大功率諧波電源特性試驗裝置勢在必行。
【發明內容】
[0007]本發明針對已知技術中諧波實驗設備操作麻煩，無法提供多種頻率組合的諧波信號，設計出一種大功率多頻率組合的諧波電源特性試驗系統及方法，為諧波治理技術和電力設備耐諧波能力提供驗證手段和技術裝備。
[0008]一種大功率諧波電源特性試驗系統，包括諧波變頻電源、諧波變壓器、工頻電源、工頻變壓器、電源控制系統及測量裝置；
[0009]所述諧波變頻電源的輸入端與380V交流電相連，所述諧波變頻電源的輸出端與諧波變壓器的輸入端相連，所述諧波變壓器的輸出端與試品相連，
[0010]所述工頻電源的輸入端與380V交流電相連，所述工頻電源的輸出端與工頻變壓器的輸入端相連，所述工頻變壓器的輸出端與試品相連；
[0011]所述諧波變壓器中的鐵芯為帶狀非晶材料卷繞製成的無氣隙鐵芯；
[0012]所述工頻變壓器通過工頻通道輸出工頻電源，所述諧波變壓器通過諧波通道輸出諧波電源，所述工頻電源和諧波電源同時疊加後輸送給試品；
[0013]所述測量裝置的輸入端與試品的信號加載端相連；
[0014]所述諧波變頻電源、工頻電源及測量裝置的輸出端均與電源控制系統的輸入端相連，所述諧波變頻電源和工頻電源受控於電源控制系統；
[0015]所述諧波變頻電源包括可調頻調幅支持多頻率組合和在線更新參數的標準諧波源及全橋功率放大電路；
[0016]所述標準諧波源的輸出端與全橋功率放大電路的輸入端連接；
[0017]所述試品為電容器或電力電抗器。
[0018]所述工頻通道只傳輸工頻信號，所述諧波通道只傳輸諧波信號；
[0019]所述工頻變壓器的一端與試品的加載端相連，另一端通過工頻通道接地；
[0020]所述諧波變壓器的一端通過諧波通道與試品的加載端相連，另一端接地；
[0021]所述試品與諧波變壓器和工頻變壓器之間還設有功率補償裝置。
[0022]【所述試品為電力電抗器時，所述功率補償裝置與試品串聯；所述試品為電容器時，所述功率補償裝置與試品並聯。】
[0023]【利用功率補償裝置對試品容量進行功率補償，對提供功率的電源功率大大降低；】
[0024]所述諧波變頻電源採用多個諧波變頻電源並聯。
[0025]所述多個並聯的諧波變頻電源為櫃式插拔結構。
[0026]採用多個並聯的櫃式插拔結構的諧波變頻電源，單個電源的電流小，功耗低，相對於整機式大容量諧波變頻電源，散熱性好，且易維護，可以單個維修；
[0027]所述標準諧波源由32位的DSP、超大規模CPLD、32位的存儲器、12位的模數轉換器、輸出濾波器構成，所述DSP輸出端與超大規模CPLD輸入端連接，存儲器與超大規模CPLD雙向連接；超大規模CPLD輸出端與模數轉換器的輸入端連接，模數轉換器的輸出端與輸出濾波器連接。
[0028]所述諧波變頻電源還包括與全橋功率放大電路輸出端相連的濾波電路。
[0029]所述全橋功率放大電路由4個橋臂構成全橋放大矩陣，每個橋臂由一個IGBT構成或由兩個以上相同型號的IGBT並聯構成。
[0030]所述諧波變頻電源還包括與全橋功率放大電路輸入端相連的保護電路，所述保護電路的輸入端與電源電路相連。
[0031]一種大功率諧波電源特性試驗方法，採用所述的大功率諧波電源特性試驗系統，利用諧波變頻電源產生所需頻率的諧波，諧波變壓器採用電磁感應原理將諧波變頻電源輸出的諧波升壓至所需的電壓值；工頻變壓器將工頻電源輸出的信號進行升壓，所述工頻變壓器輸出的信號與諧波升壓變壓器輸出的信號分別通過工頻通道和諧波通道輸出後，同時疊加加載到試品上，利用功率補償裝置對試品的容量進行功率補償，測量裝置採集加載到試品上的信號；電源控制系統依據諧波變頻電源與工頻電源輸出的信號和測量裝置採集的信號對諧波變頻電源和工頻電源進行控制，得到試品所需的諧波信號；
[0032]所述電源控制系統控制過程如下:
[0033]首先，利用電源控制系統對諧波變頻電源和工頻電源進行自我調節；
[0034]I)將電源控制系統採集諧波變頻電源的輸出電壓、電流信號及諧波各次諧波含量與設定的諧波變頻電源輸出信號進行比較，若兩者之間的差值超過了設定的第一允許誤差範圍，則電源控制系統控制諧波變頻電源，直到兩者之間的差值不超過第一允許誤差範圍；
[0035]2)將電源控制系統採集工頻電源的輸出電壓及電流信號與設定的工頻電源輸出信號進行比較，若兩者之間的差值超過了設定的第三允許誤差範圍，則電源控制系統控制工頻變頻電源，直到兩者之間的差值不超過第三允許誤差範圍；
[0036]然後，依據測量信號對諧波變頻電源進行反饋調節；
[0037]將測量裝置採集的加載到試品上的信號與試品所需的設定信號進行比較，若兩者之間的差值超過了設定的第二允許誤差範圍，則電源控制系統控制諧波變頻電源，直到兩者之間的差值不超過第二允許誤差範圍，實現大功率諧波電源特性試驗方法的全自動控制，提供各種需要的電源信號。
[0038]諧波變頻電源輸入電壓交流380V，輸出為50Hz?2500Hz諧波電壓，最大諧波電流可超過2500A，諧波以50Hz為步進調節，一次支持12種不同頻率的諧波疊加，各次諧波的大小可以單獨調節；通過諧波升壓變壓器升壓，到達試驗要求的電壓值。
[0039]有益效果
[0040]本發明提供了一種對電力電容器和平波電抗器進行諧波實驗的大功率諧波電源特性試驗系統及方法，與現有技術中的慣用方法中的橋式電路截然不同，在測試一個試品時需要增加三個試品，搭成橋式電路來為試品提供諧波信號，而本發明通過利用諧波變頻電源輸出所需的諧波信號，對一個試品進行測試時，無需增加額外的三個試品，採用電源控制系統實時監控，反饋調節控制諧波變頻電源，解決了目前同類產品單相諧波電源不能提供多種頻率組合的諧波信號，不能滿足實際諧波實驗的需要的缺陷。利用工頻通道和諧波通道來分別輸送工頻信號和諧波信號，使得兩者互不幹擾；利用功率補償裝置對試品容量進行功率補償，對提供功率的電源功率大大降低；同時，本發明所述系統結構簡單、體積小、重量輕、調試簡單，不用調節功放三極體的基極偏置電壓，可以輸出多達八通道頻率組合，可以在線更新輸出的諧波參數，噪音也小。採用多個並聯的櫃式插拔結構的諧波變頻電源，單個電源的電流小，功耗低，相對於整機式大容量諧波變頻電源，散熱性好，且易維護，可以單個維修；易於均流，控制整個電源的精度；利用該試驗方法有利於更好地了解電網諧波特性，提高電網電能質量與安全性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0041]圖1為本發明所述系統的結構示意圖一；
[0042]圖2是所述標準諧波源的結構方框圖；
[0043]圖3是所述全橋功率放大電路結構圖。
【具體實施方式】
[0044]下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。
[0045]如圖1所示，一種大功率諧波電源特性試驗系統，包括諧波變頻電源、諧波變壓器、工頻電源、工頻變壓器、電源控制系統及測量裝置；；
[0046]所述諧波變頻電源的輸入端與380V交流電相連，所述諧波變頻電源的輸出端與諧波變壓器的輸入端相連，所述諧波變壓器的輸出端與試品相連，
[0047]所述工頻電源的輸入端與380V交流電相連，所述工頻電源的輸出端與工頻變壓器的輸入端相連，所述工頻變壓器的輸出端與試品相連；
[0048]所述諧波變壓器中的鐵芯為帶狀非晶材料卷繞製成的無氣隙鐵芯；
[0049]所述工頻變壓器通過工頻通道輸出工頻電源，所述諧波變壓器通過諧波通道輸出諧波電源，所述工頻電源和諧波電源同時疊加後輸送給試品；
[0050]所述測量裝置的輸入端與試品的信號加載端相連；
[0051]所述諧波變頻電源、工頻電源及測量裝置的輸出端均與電源控制系統的輸入端相連，所述諧波變頻電源和工頻電源受控於電源控制系統；
[0052]所述諧波變頻電源包括可調頻調幅支持多頻率組合和在線更新參數的標準諧波源及全橋功率放大電路；
[0053]所述標準諧波源的輸出端與全橋功率放大電路的輸入端連接；
[0054]所述試品為電容器或電力電抗器。
[0055]所述工頻通道只傳輸工頻信號，所述諧波通道只傳輸諧波信號；
[0056]所述工頻變壓器的一端與試品的加載端相連，另一端通過工頻通道接地；
[0057]所述諧波變壓器的一端通過諧波通道與試品的加載端相連，另一端接地；
[0058]所述試品與諧波變壓器和工頻變壓器之間還設有功率補償裝置。
[0059]【所述試品為電力電抗器時，所述功率補償裝置與試品串聯；所述試品為電容器時，所述功率補償裝置與試品並聯。】
[0060]所述諧波變頻電源採用多個諧波變頻電源並聯。
[0061]所述多個並聯的諧波變頻電源為櫃式插拔結構。
[0062]採用多個並聯的櫃式插拔結構的諧波變頻電源，單個電源的電流小，功耗低，相對於整機式大容量諧波變頻電源，散熱性好，且易維護，可以單個維修；
[0063]如圖2所示，標準諧波源由32位的DSP11、超大規模CPLD14、32位的存儲器I區
12、32位的存儲器II區13、12位的模數轉換器I 15、12位的模數轉換器II 16、12位的模數轉換器III17、輸出濾波器I 18、輸出濾波器II 19和輸出濾波器III10構成,所述DSPll輸出端與超大規模CPLD14輸入端連接，存儲器I區12和32存儲器II區13均與超大規模CPLD14雙向連接；超大規模CPLD14輸出端分別與模數轉換器I 15輸入端、模數轉換器II 16輸入端、模數轉換器III17輸入端連接，模數轉換器I 15輸出端與輸出濾波器I 18連接，模數轉換器II 16輸出端與輸出濾波器II 19連接，模數轉換器III 17輸出端與輸出濾波器III 10連接，標準諧波源包括三路輸出，每路輸出的諧波頻率可在0.1Hz-1MHz之間自由設定。
[0064]所述諧波變頻電源還包括與全橋功率放大電路輸出端相連的濾波電路。
[0065]所述全橋功率放大電路由4個橋臂構成全橋放大矩陣,每個橋臂由一個IGBT構成或由兩個以上相同型號的IGBT並聯構成。
[0066]如圖3所示，標準諧波源送出的諧波信號電壓，送入全橋功率放大電路2進行功率放大然後輸出。全橋功率放大電路由4個橋臂構成全橋放大矩陣,每個橋臂由一個IGBT構成，IGBT以開關方式工作，電流在開關過程中回饋到與IGBT並聯的直流濾波電容中，進行無功交換，有利於減少發熱，增強帶無功負載的能力。
[0067]所述諧波變頻電源還包括與全橋功率放大電路輸入端相連的保護電路，所述保護電路的輸入端與電源電路相連。
[0068]一種大功率諧波電源特性試驗方法，採用所述的大功率諧波電源特性試驗系統，利用諧波變頻電源產生所需頻率的諧波，諧波變壓器採用電磁感應原理將諧波變頻電源輸出的諧波升壓至所需的電壓值；工頻變壓器將工頻電源輸出的信號進行升壓，所述工頻變壓器輸出的信號與諧波升壓變壓器輸出的信號分別通過工頻通道和諧波通道輸出後，同時疊加加載到試品上，利用功率補償裝置對試品的容量進行功率補償，測量裝置採集加載到試品上的信號；電源控制系統依據諧波變頻電源與工頻電源輸出的信號和測量裝置採集的信號對諧波變頻電源和工頻電源進行控制，得到試品所需的諧波信號；
[0069]所述電源控制系統控制過程如下:
[0070]首先，利用電源控制系統對諧波變頻電源和工頻電源進行自我調節；
[0071]I)將電源控制系統採集諧波變頻電源的輸出電壓、電流信號及諧波各次諧波含量與設定的諧波變頻電源輸出信號進行比較，若兩者之間的差值超過了設定的第一允許誤差範圍，則電源控制系統控制諧波變頻電源，直到兩者之間的差值不超過第一允許誤差範圍；
[0072]2)將電源控制系統採集工頻電源的輸出電壓及電流信號與設定的工頻電源輸出信號進行比較，若兩者之間的差值超過了設定的第三允許誤差範圍，則電源控制系統控制工頻變頻電源，直到兩者之間的差值不超過第三允許誤差範圍；
[0073]然後，依據測量信號對諧波變頻電源進行反饋調節；
[0074]將測量裝置採集的加載到試品上的信號與試品所需的設定信號進行比較，若兩者之間的差值超過了設定的第二允許誤差範圍，則電源控制系統控制諧波變頻電源，直到兩者之間的差值不超過第二允許誤差範圍，實現大功率諧波電源特性試驗方法的全自動控制，提供各種需要的電源信號。
[0075]諧波變頻電源輸入電壓交流380V，輸出為50Hz?2500Hz諧波電壓，最大諧波電流可超過2500A，諧波以50Hz為步進調節，一次支持12種不同頻率的諧波疊加，各次諧波的大小可以單獨調節；通過諧波升壓變壓器升壓，到達試驗要求的電壓值。
【權利要求】
1.一種大功率諧波電源特性試驗系統，其特徵在於，包括諧波變頻電源、諧波變壓器、工頻電源、工頻變壓器、電源控制系統及測量裝置； 所述諧波變頻電源的輸入端與380V交流電相連，所述諧波變頻電源的輸出端與諧波變壓器的輸入端相連，所述諧波變壓器的輸出端與試品相連， 所述工頻電源的輸入端與380V交流電相連，所述工頻電源的輸出端與工頻變壓器的輸入端相連，所述工頻變壓器的輸出端與試品相連； 所述諧波變壓器中的鐵芯為帶狀非晶材料卷繞製成的無氣隙鐵芯； 所述工頻變壓器通過工頻通道輸出工頻電源，所述諧波變壓器通過諧波通道輸出諧波電源，所述工頻電源和諧波電源同時疊加後輸送給試品； 所述測量裝置的輸入端與試品的信號加載端相連； 所述諧波變頻電源、工頻電源及測量裝置的輸出端均與電源控制系統的輸入端相連，所述諧波變頻電源和工頻電源受控於電源控制系統； 所述諧波變頻電源包括可調頻調幅支持多頻率組合和在線更新參數的標準諧波源及全橋功率放大電路； 所述標準諧波源的輸出端與全橋功率放大電路的輸入端連接； 所述試品為電容器或電力電抗器。
2.根據權利要求1所述的大功率諧波電源特性試驗系統，其特徵在於，所述試品與諧波變壓器和工頻變壓器之間還設有功率補償裝置。
3.根據權利要求1所述的大功率諧波電源特性試驗系統，其特徵在於，所述諧波變頻電源採用多個諧波變頻電源並聯。
4.根據權利要求3所述的大功率諧波電源特性試驗系統，其特徵在於，所述多個並聯的諧波變頻電源為櫃式插拔結構。
5.根據權利要求1或2所述的大功率諧波電源特性試驗系統，其特徵在於，所述標準諧波源由32位的DSP、超大規模CPLD、32位的存儲器、12位的模數轉換器、輸出濾波器構成，所述DSP輸出端與超大規模CPLD輸入端連接，存儲器與超大規模CPLD雙向連接；超大規模CPLD輸出端與模數轉換器的輸入端連接,模數轉換器的輸出端與輸出濾波器連接。
6.根據權利要求5所述的大功率諧波電源特性試驗系統，其特徵在於，所述諧波變頻電源還包括與全橋功率放大電路輸出端相連的濾波電路。
7.根據權利要求6所述的大功率諧波電源特性試驗系統，其特徵在於，所述全橋功率放大電路由4個橋臂構成全橋放大矩陣,每個橋臂由一個IGBT構成或由兩個以上相同型號的IGBT並聯構成。
8.根據權利要求1所述的大功率諧波電源特性試驗系統，其特徵在於，所述諧波變頻電源還包括與全橋功率放大電路輸入端相連的保護電路，所述保護電路的輸入端與電源電路相連。
9.一種大功率諧波電源特性試驗方法，其特徵在於，採用權利要求1-8任一項所述的大功率諧波電源特性試驗系統，利用諧波變頻電源產生所需頻率的諧波，諧波變壓器採用電磁感應原理將諧波變頻電源輸出的諧波升壓至所需的電壓值；工頻變壓器將工頻電源輸出的信號進行升壓，所述工頻變壓器輸出的信號與諧波升壓變壓器輸出的信號分別通過工頻通道和諧波通道輸出後，同時疊加加載到試品上，利用功率補償裝置對試品的容量進行功率補償，測量裝置採集加載到試品上的信號；電源控制系統依據諧波變頻電源與工頻電源輸出的信號和測量裝置採集的信號對諧波變頻電源和工頻電源進行控制，得到試品所需的諧波信號； 所述電源控制系統控制過程如下: 首先，利用電源控制系統對諧波變頻電源和工頻電源進行自我調節； 1)將電源控制系統採集諧波變頻電源的輸出電壓、電流信號及諧波各次諧波含量與設定的諧波變頻電源輸出信號進行比較，若兩者之間的差值超過了設定的第一允許誤差範圍，則電源控制系統控制諧波變頻電源，直到兩者之間的差值不超過第一允許誤差範圍； 2)將電源控制系統採集工頻電源的輸出電壓及電流信號與設定的工頻電源輸出信號進行比較，若兩者之間的差值超過了設定的第三允許誤差範圍，則電源控制系統控制工頻變頻電源，直到兩者之間的差值不超過第三允許誤差範圍； 然後，依據測量信號對諧波變頻電源進行反饋調節； 將測量裝置採集的加載到試品上的信號與試品所需的設定信號進行比較，若兩者之間的差值超過了設定的第二允許誤差範圍，則電源控制系統控制諧波變頻電源，直到兩者之間的差值不超過第二允許誤差範圍，實現大功率諧波電源特性試驗方法的全自動控制，提供各種需要的電源信號。
【文檔編號】G01R1/28GK104316796SQ201410578335
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】葉會生, 萬望龍, 謝國勝, 黃福勇, 趙世華 申請人:國家電網公司, 國網湖南省電力公司電力科學研究院, 長沙三友儀器設備有限公司