CN101206242B - 调频谐振式特高压试验电源的电压与频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调频谐振式特高压试验电源的电压与频率控制方法，首先通过分压电容器检测谐振电容电压U_c和谐振电路输入电压U₀，并得出相位差Φ，经比例积分锁相控制器调节，输出信号经压控振荡器得到频率为谐振频率w₀的正弦信号；当频率稳定在谐振点时，开始进行电压调节，谐振电容电压U_c有效值U′_c与电压设定值U_c ^*的差值经PI控制器调节后，其输出通过归一化模块处理后得到调制度M，调制度M与压控振荡器输出的频率w₀的正弦信号相乘，并经PWM电路得出逆变器开关的控制信号，使其达到设定电压值。本发明所述控制方法具有良好的稳定性、动静态性能以及控制精度，适合调频谐振式特高压试验电源自身电路的特点，具有很强的适应性。

Description

调频谐振式特高压试验电源的电压与频率控制方法

技术领域

本发明属于一种特高压电网设备的交流耐压试验和局部放电试验的电源，特别涉及一种调频谐振式特高压试验电源的电压与频率控制方法。

背景技术

特高压输电具有跨区域、大容量、远距离、低损耗等优势、从电网发展能源分布条件和经济持续发展需求来看，建设特高压输电工程，将特高压线路作为全国电网的主网架是我国电力工业发展的必然趋势。特高压电网(1000KV)已成为我国“十一.五”电网建设的重点，我国已建成晋东-南阳-荆门特高压交流输电示范工程，随着我国电网向特高压方向的发展，以SF6(六氟化硫)为介质的特高压输变电设备，如：断路器、GBS、GIS、SF6互感器等，在工程交接验收时要对这些特高压电气设备进行交流耐压实验。其次IEC新标准要求：110KV以上电压等级的变压器，新安装投入运行时要做局部放电实验。这些试验都需要输出高压电、带负载能力强、适合电力现场作业的交流电源装置。

随着特高压试验对象的不同，试验方法和步骤也随之改变，试验过程中被测试品两端所加电压不是固定不变的，会随着试验步骤有所变化。整个试验过程中力求特高压试验电源输出电压稳定无超调，且不能过快的达到设定值。频率调节时要快速、稳定的达到谐振频率，在试验开始后的整个过程中，要有很强的抗干扰能力，避免由于被测试品的击穿等原因出现失谐的状况，即使出现失谐现象要求频率调节能够迅速恢复到稳定的谐振频率点。

国内已有文献对采用大功率开关器件IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)来产生正弦波进行了分析和研究，但这些分析没有与特高压试验电路的特点关联起来。其中有文献提出对于频率调节采用基于离散傅立叶分析的锁相控制方法，但其响应速度较慢，控制精度较差。

发明内容

针对上述现有技术及其存在的缺陷，为了满足特高压试验过程中电压与频率调节的需求，本发明的发明目的旨在结合特高压谐振电路的特点，提供一种调频谐振式特高压试验电源的电压与频率控制方法，对于电压调节采用传统PI控制方法的基础上，提出比例积分锁相控制方法，不仅对噪声和高频分量有良好的抑制作用，而且还能使频率校正具有良好的动、静态性能。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：一种调频谐振式特高压试验电源的电压与频率控制方法，首先进行频率调节，当频率稳定在谐振频率之后再进行电压调节，直至系统频率、电压达到设定值，具体步骤包括：首先通过分压电容器检测谐振电容电压U_c和谐振电路输入电压U₀，并得出相位差Φ，经过比例积分锁相控制器调节，控制器输出信号经压控振荡器得到频率为谐振频率w₀的正弦信号，频率调节完成，结束谐振频率自动搜索；此时电压处于开环控制，当频率稳定在谐振点时，开始进行电压调节，谐振电容电压U_c有效值U′_c与电压设定值U_c ^*的差值经PI控制器调节后，其输出通过归一化模块处理后得到调制度M，调制度M与压控振荡器输出的频率w₀的正弦信号相乘，并经脉冲宽度调制PWM电路得出逆变器开关的控制信号，调节逆变器输出电压，使其达到设定电压值。

本发明的详细工作原理详细描述如下：在本发明中，由于L、C串联谐振电路中谐振点附近的U_c对频率的变化非常敏感，故频率的微小波动就会使谐振电容电压U_c有很大的变化，所以系统开始工作时首先进行频率的调节。当L、C电路处于谐振状态时，U_c与谐振电路输入电压U₀的相位差为根据谐振电路这一特点，先检测U_c与U₀相位差，经过比例积分锁相控制器调节，在经过压控振荡器VCO得到频率为谐振频率w₀的正弦信号，谐振频率自动搜索完成。此时电压处于开环控制，当频率稳定在谐振点的时候，开始进行电压的调节，U_c有效值U′_c与电压设定值U_c ^*差值经PI控制器调节后，其输出通过归一化模块处理后得到调制度M。M与压控振荡器(VCO)输出的频率为w₀标准正弦信号相乘，并由高频三角载波调制后，得出的开关信号经放大电路及光电隔离电路之后来驱动绝缘栅极双极型晶体管IGBT。从而得到特高压试验所需的幅值、频率可调的正弦信号。若谐振参数有所改变，按上述重新调节。

上述频率、电压调节具体包括以下步骤：

检测并采样谐振电路电容电压U_c及其输入电压U₀的相位，经过异或逻辑门(XOR)得出相位差μ_f；

μ_f经RC低通滤波器转化为电压信号x_f；

计算相位差电压信号x_f与设定值1/2(谐振时其相位差为

归一化到[0π]区间，即1/2)的差值e(K)，经比例积分锁相控制器得出频率信号控制量：

$X(K+1)=\left(\begin{array}{cc}m& \frac{m-1}{{\mathrm{\π}}^2{R}_{L}C}\\ m{K}_i+(m-1)K_P& 1-\frac{(1-m)(K_i+K_P)}{{\mathrm{\π}}^2{R}_{L}C}\end{array}\right)X\left(K\right)$

然后检测并采样谐振电容两端电压U_c的值，并有效值电路处理得到其有效值U′_c；

计算谐振电容两端电压有效值U′_c与设定值U_c ^*的差值ΔU_c；

将ΔU_c经PI控制器调节后，并做归一化处理得到调制度M为：

M(K+1)＝M(K)+K_P[ΔU_c(K+1)-ΔU_c(K)]+K_iΔU_c(K+1)

X(k+1)经VCO振荡后得出频率为谐振频率w₀的标准正弦信号，把标准正弦信号与调制度M相乘并由高频三角载波调制后，得出逆变器的开关控制信号；

综上所述，本发明提供了一种调频谐振式特高压试验电源的电压与频率控制方法，根据调频谐振式特高压试验电源谐振电路的特点，提出先调频后调压的控制策略，对于频率提供了比例积分锁相控制，具有良好的稳定性、快速性和较高的精度。本发明的比例积分锁相调频方法不仅对噪声和高频分量有良好的抑制作用，而且还使频率校正具有良好的动、静态性能。对于电压调节采用一般的PI控制器来完成，能够很好的满足试验过程，可以稳定、缓慢、基本无超调的达到设定值。

附图说明

图1是实施例中实现本发明方法的控制装置结构框图；

图2是本发明的工作原理图。

具体实施方式

如图1所示，实现调频谐振式特高压试验电源电压与频率控制方法的控制装置包括：三相不可控整流电路，H桥逆变电路，输出滤波器，励磁升压变压器，L、C串联谐振电路，检测单元，DSP控制器及其扩展电路，人机接口(键盘、液晶)组成。T为中间励磁升压变压器，R_L为试验回路谐振电感等效内阻，C₅为试验回路谐振电容，C₆为分压电容。智能功率模块组成H桥逆变器，直流侧大电容C由三相不可控整流电路为其充电。逆变器交流端接有LC输出滤波器来滤除开关器件通断及死区所产生的高频毛刺。中间励磁升压变压器T把逆变器输出的低压光滑正弦信号变成高压光滑正弦信号，在特定频率下L、C串联谐振电路工作在谐振状态，谐振电容C₅输出1200KV及以下等级的大小可调频率可变的测试电压，对特高压输变电设备进行试验。控制系统所需的电压信号经电压互感器转换成标准小信号后，由抗干扰能力强的光纤无失真传送到DSP控制器MAX125采集单元。DSP控制器及其扩展电路包括数字信号处理器(TMS320F2407)、采样芯片(MAX125)、液晶显示电路、硬件倍频电路、串行时钟模块、扩展输出/输入口等。整个系统通过4*4键盘实现试验参数设置、光标移动、确定、取消等功能。10.4寸分辨率为640*480真彩液晶通过并行I/O口与DSP控制器相连作为人机操作显示终端。虽然DSP本身带了512字节的RAM，但根据系统需求，扩展了128K片外RAM。假设逆变输出信号的频率为F，经过硬件倍频电路，产生频率为128*F的启动信号来启动MAX125采样电路。PWM波输出端和IGBT控制信号输入端之间，接有起隔离干扰作用的高速光电耦合器，使高压电路(逆变电路)与低压电路(控制电路)分开。

如图2所示，图2中虚线框‘电压调节’为电压控制方法框图，谐振电压U_c经过有效值模块处理得到其有效值U′_c，U_c ^*为设定值，U₀为LC滤波器输出电压，M为调制度。U_c ^*与U′_c相减得到PI控制器的输入信号ΔU_c，其输出信号经归一化处理后得到调制比M，为式(1)所示：

M(K+1)＝M(K)+K_P[ΔU_c(K+1)-ΔU_c(KK)]+K_iΔU_c(K+1)   (1)

M经过归一化处理([0  1]之间)后为：0≤M≤1，通过改变调制度M大小来改变PWM占空比，从而来改变逆变器输出电压大小，整个电压调节过程平缓无超调。

图2中实线框‘频率调节’为比例积分锁相自动调频框图，谐振电容两端电压U_C和逆变器输出电压U₀由霍尔电压传感器测量后经光纤无失真传送到DSP控制器MAX125采集单元。由过零转换电路变成方波信号，经XOR异或逻辑门比较后，得出U_C、U₀的相位差，RC低通滤波器滤除交流纹波，把相位差变成无纹波平均化的直流电压信号x_f，经PI控制器调节后由压控振荡器(VCO)得到频率为谐振频率w₀的标准正弦信号，与调制度M相乘，三角载波调制后得出PWM经过放大后电路及光电隔离电路后来驱动IGBT。这里PI控制器不仅与RC低通滤波器一样对噪声和高频分量有抑制作用，并且还控制着相位校正的速度和精度，对其动、静态性能起决定作用。

系统工作在稳定状态时，U_C、U₀的相位差为Φ，定义低通滤波器的输入μ_f(即XOR逻辑门的输出)为式(2)。

${\mathrm{\μ}}_f=\frac{\mathrm{\Φ}}{\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

易知RC低通滤波器的微分方程为式(3)。

$\frac{{\mathrm{dx}}_f}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_f}{x}_f+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_f}{\mathrm{\μ}}_f---\left(3\right)$

式中τ_f＝R_fC_f，为RC滤波器时间常数。由谐振电路KCL、KVL定理得出U_C滞后U₀相角为：

$\mathrm{\Φ}\left(T\right)=\mathrm{arctg}\left[Q(\frac{w}{w_0}-\frac{w_0}{w})\right]=\mathrm{arctg}\left\{\frac{\frac{2\mathrm{\π}}{T}{R}_{L}C}{1-{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{w_{0}T}\right)}^2}\right\}---\left(4\right)$

式中L、C为谐振电感及电容，R_L为谐振电感的内阻。相角误差定义为式(5)所示：

$e\left(K\right)=x_f\left(K\right)-\frac{1}{2}---\left(5\right)$

PI离散控制律为式(6)所示：

T(K+1)＝T(K)+K_P[e(K+1)-e(K)]+K_ie(K+1)        (6)

式中T为逆变器输出电压周期，K_P为比例系数，K_i为积分系数。式(3)离散化为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_f(K+1)={\mathrm{mx}}_f\left(K\right)+n\frac{\mathrm{\Φ}\left(T\left(K\right)\right)}{\mathrm{\π}}\\ m=e^{-T_s/{\mathrm{\τ}}_f},n=1-m\end{array}\right.---\left(7\right)$

从式(4)可知式(7)中Φ(T(K))为T(K)的非线性函数，取式(4)在T＝T₀时泰勒展开式的前两项，近似得到Φ(T)线性化表达式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Φ}\left(T\right)=\mathrm{\Φ}\left(T_0\right)+{\left(\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dT}}\right)}_{T=T_0}\×(T-T_0)\\ T_0=2\mathrm{\π}/w_0\end{array}\right.---\left(8\right)$

谐振时 $\mathrm{\Φ}\left(T_0\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2},$ 则式(8)可化为：

$\mathrm{\Φ}\left(T\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{1}{\mathrm{\π}{R}_{L}C}(T-T_0)---\left(9\right)$

定义：

$\mathrm{\Δ}{x}_f=x_f-\frac{1}{2}$ ΔT＝T-T₀       (10)

式(9)(10)带入式(7)可得到：

$\mathrm{\Δ}{x}_f(K+1)+\frac{1}{2}=m(\mathrm{\Δ}{x}_f\left(K\right)+\frac{1}{2})+\frac{n}{\mathrm{\π}}(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{1}{\mathrm{\π}{R}_{L}C}\mathrm{\ΔT}\left(K\right))---\left(11\right)$

把n用m代替，式(11)化简为：

$\mathrm{\Δ}{x}_f(K+1)=\mathrm{m\Δ}{x}_f\left(K\right)-\frac{1-m}{{\mathrm{\π}}^2{R}_{L}C}\mathrm{\ΔT}\left(K\right)---\left(12\right)$

$\mathrm{\Δ}{x}_f(K+1)-\mathrm{\Δ}{x}_f\left(K\right)=(m-1)\mathrm{\Δ}{x}_f\left(K\right)-\frac{1-m}{{\mathrm{\π}}^2{R}_{L}C}\mathrm{\ΔT}\left(K\right)---\left(13\right)$

把式(12)(13)带入式(6)得出：

$\mathrm{\ΔT}(K+1)=\mathrm{\ΔT}\left(K\right)+K_P\{(m-1)\mathrm{\Δ}{x}_f\left(K\right)-\frac{1-m}{{\mathrm{\π}}^2{R}_{L}C}\mathrm{\ΔT}\left(K\right)\}---\left(14\right)$

$+K_i\left\{m\right[\mathrm{\Δ}{x}_f\left(K\right)+\frac{1}{2}]+\frac{1-m}{\mathrm{\π}}[\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{1}{\mathrm{\π}{R}_{L}C}\mathrm{\ΔT}\left(K\right)]-\frac{1}{2}\}$

式(14)化简得出：

$\mathrm{\ΔT}(K+1)=[m{K}_i+(m-1)K_P]\mathrm{\Δ}{x}_f\left(K\right)$

$+[1-\frac{(1-m)(K_i+K_P)}{{\mathrm{\π}}^2{R}_{L}C}]\mathrm{\ΔT}\left(K\right)---\left(15\right)$

令X＝[Δx_f ΔT]^T，由式(12)(15)可得出控制模型：

$X(K+1)=\left(\begin{array}{cc}m& \frac{m-1}{{\mathrm{\π}}^2{R}_{L}C}\\ m{K}_i+(m-1)K_P& 1-\frac{(1-m)(K_i+K_P)}{{\mathrm{\π}}^2{R}_{L}C}\end{array}\right)X\left(K\right)---\left(16\right)$

式(16)输出信号经压控振荡器(VCO)调节后得出频率为谐振频率的标准正弦信号，该信号与式(1)得到的调制度M相乘，被高频三角载波调制后，得出IGBT的开关信号，调节逆变器输出电压，使其达到设定电压值，即达到整个特高压试验电源调压、调频的目的。

Claims (1)

1.一种调频谐振式特高压试验电源的电压与频率控制方法，首先进行频率调节，当频率稳定在谐振频率之后再进行电压调节，直至系统频率、电压达到设定值，其特征在于，具体步骤包括：首先通过分压电容器检测谐振电容电压U_c和谐振电路输入电压U₀，并得出相位差Φ，经过比例积分锁相控制器调节，控制器输出信号经压控振荡器得到频率为谐振频率w₀的正弦信号，频率调节完成，结束谐振频率自动搜索；此时电压处于开环控制，当频率稳定在谐振点时，开始进行电压调节，谐振电容电压U_c有效值U′_c与电压设定值U_c ^*的差值经PI控制器调节后，其输出通过归一化模块处理后得到调制度M，调制度M与压控振荡器输出的频率w₀的正弦信号相乘，并经脉冲宽度调制PWM电路得出逆变器开关的控制信号，调节逆变器输出电压，使其达到设定电压值；所述频率调节和电压调节的具体算法包括以下步骤：

a、检测并采样谐振电路电容电压U_c及谐振电路输入电压U₀的相位，经过异或逻辑门(XOR)得出相位差Φ，归一化到[0 π]区间即为：μ_f；

b、μ_f经RC低通滤波器转化为电压信号X_f；

c、计算相位差电压信号X_f与设定值1/2的差值e(K)，经比例积分锁相控制器得出频率信号控制量：

$X(K+1)=\left(\begin{array}{cc}m& \frac{m-1}{{\mathrm{\π}}^2{R}_{L}C}\\ m{K}_i+(m-1)K_P& 1-\frac{(1-m)(K_i+K_P)}{{\mathrm{\π}}^2{R}_{L}C}\end{array}\right)X\left(K\right)$

其中m＝e-T_s/τ_f，τ_f＝R_fC_f，为RC滤波器时间常数；

d、检测并采样谐振电容两端电压U_c的值，并通过有效值电路处理得到其有效值U′_c；

e、计算谐振电容两端电压有效值U′_c与设定值U_c ^*的差值ΔU_c；

f、将ΔU_c经PI控制器调节后，并做归一化到[0  1]区间得到调制度M为：

M(K+1)＝M(K)+K_P[ΔU_c(K+1)-ΔU_c(K)]+K_iΔU_c(K+1)

其中K_P为比例系数，K_i为积分系数；

最后将上述得出的X(k+1)经压控振荡器振荡后得出频率为谐振频率w₀的标准正弦信号，把标准正弦信号与调制度M相乘并由高频三角载波调制后，得出逆变器开关的控制信号，调节逆变器输出电压，使其达到设定电压值。

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