CN106856373A - 一种谐波产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种谐波产生装置，所述装置包括电压产生部分和电流产生部分，所述电压产生部分和所述电流产生部分通过控制器相连，所述控制器控制所述电压产生部分和所述电流产生部分同步输出交流电压和交流电流至受试设备，并使所述交流电压和所述交流电流产生U＝I*R的联动效果，其中U为电压产生部分输出的交流电压，I为电流产生部分输出的交流电流，R为受试设备的电阻。本发明提供的谐波产生装置结构简单，便于维护，可同时产生高电压和大电流的谐波，满足大功率试验要求。

Description

一种谐波产生装置
技术领域
本发明涉及一种谐波产生装置，具体讲涉及一种可同时产生高电压和大电流的谐波产生装置。
背景技术
电力电缆在城市电网应用十分普遍,近年来随着城市经济建设和电网升级改造的实施，城市电网中电力电缆所占的比重越来越大，而且电力电缆网络结构日益复杂，随着运行时间的不断增长使电缆老化加剧，发生故障的事件越来越多。谐波对电缆的影响主要是三个方面，一是集肤效应，二是零序谐波对电力电缆中性线电流的影响，三是电缆的高频容性效应。电缆终端是电缆系统中最脆弱的元件，其故障所占电缆线路故障比例最高。严重的谐波对电缆终端影响不容忽视。
容性套管是变压器和电抗器设备中的重要元件，110kV及以上变压器由套管引发的事故占总事故台次的9.9％，变压器事故按损坏部位分类，套管所引发的事故居第2位，仅次于绕组。随着电压等级的提高，套管事故所占比例也在不断上升。谐波引起内部绝缘击穿是造成套管损坏的原因之一。
为研究谐波对这两种电气设备的影响，迫切需要一种大功率的高压谐波产生装置模拟设备的真实工作环境。目前该类谐波产生装置主要有以下两类：
第一类是采用功率标准源产生电能质量信号，经过放大器对信号进行功率放大。该装置虽然能够产生丰富的波形、动态特性较好，但容量较小、造价高、功耗大、效率低。基于这种原理设计扰动发生装置，装置的容量受到极大的限制。
第二类是采用全控型功率器件构建电力电子装置。但是其输出只能是谐波电压源或谐波电流源，需要通过真实负载来实现电压和电流之间的联动。无法满足对设备同时施加高电压、大电流的试验研究要求。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种新的谐波产生装置，这种谐波产生装置可同时产生高电压和大电流的谐波，并施加到电气设备上，以研究谐波对电气设备所造成的影响。
本发明提供的技术方案是：一种谐波产生装置，其改进之处在于：所述装置包括电压产生部分和电流产生部分，所述电压产生部分和所述电流产生部分通过控制器相连，所述控制器控制所述电压产生部分和所述电流产生部分同步输出交流电压和交流电流至受试设备，并使所述交流电压和所述交流电流产生U＝I*R的联动效果，其中U为电压产生部分输出的交流电压，I为电流产生部分输出的交流电流，R为受试设备的电阻。
优选的，所述电压产生部分包括程控功率源和高频变压器；所述程控功率源的输入端与交流电压源相连，其输出端与所述高频变压器的输入端相连，其控制端与所述控制器相连；所述程控功率源在所述控制器的控制下输出幅值范围为0-400V、频率范围为0-2500Hz的交流电压至所述高频变压器，所述高频变压器将所述程控功率源输出的交流电压转化为更高等级的交流电压后输出至所述受试设备。
优选的，所述电流产生部分包括程控功率源和高频升流器；所述程控功率源的输入端与交流电压源相连，其输出端与所述高频升流器的输入端相连，其控制端与所述控制器相连；所述程控功率源在所述控制器的控制下输出幅值范围为0-100A、频率范围为0-2500Hz的交流电流至所述高频升流器，所述高频升流器对所述程控功率源输出的交流电流进行升流后输出至所述受试设备。
进一步，所述程控功率源包括依次连接的输入变压器、输入滤波器、PWM整流器、PWM逆变器和输出滤波器；所述PWM整流器和所述PWM逆变器分别与所述控制器相连。
进一步，所述输入变压器的输入端接380V交流电压源，所述输入变压器将380V交流电压转换为220V交流电压后输出至所述输入滤波器；所述输入滤波器对220V交流电压进行滤波后输出至所述PWM整流器；所述PWM整流器在所述控制器的控制器将220V交流电压转换为700V直流电压后输出至所述PWM逆变器；
电压产生部分的PWM逆变器在所述控制器的控制下将所述700V直流电压转换为幅值为0-400V、频率为0-2500Hz的交流电压后输出至输出滤波器；
电流产生部分的PWM逆变器在所述控制器的控制下将所述700V直流电压转换为幅值为0-100A、频率为0-2500Hz的交流电流后输出至输出滤波器。
进一步，所述输入滤波器和所述输出滤波器均包括电阻R1、电容C1和电感L1；
所述输入滤波器的电阻R1与电容C1串联后一端与所述输入变压器的一输出端和所述PWM整流器的一输入端相连，另一端与所述输入变压器的另一输出端和电感L1的一端相连；电感L1的另一端与所述PWM整流器的另一输入端相连；
所述输出滤波器的电阻R1与电容C1串联后一端与受试设备和所述PWM逆变器的一输出端相连，另一端与受试设备和电感L1的一端相连；电感L1的另一端与所述PWM逆变器的另一输出端相连。
进一步，所述PWM整流器和所述PWM逆变器均包括四个H桥连接的绝缘栅双极型晶体管IGBT；每个绝缘栅双极型晶体管IGBT均反并联有二极管；且每个绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极均与控制器相连；
所述PWM整流器和所述PWM逆变器之间还并联有滤波电容C，用于稳定所述PWM整流器输出的直流电压。
进一步，所述电压产生部分的程控功率源由两个或两个以上程控功率源组成，所述电压产生部分的高频变压器为多输入绕组高频变压器；所述多输入绕组高频变压器的输入绕组数量与所述程控功率源的数量相对应；每个程控功率源的输入端均与380V交流电压源并联，输出端分别与所述多输入绕组高频变压器的输入绕组对应并联；所述多输入绕组高频变压器的输出绕组与受试设备相连。
进一步，所述电流产生部分的程控功率源由两或两个以上程控功率源组成，所述高频升流器的数量与所述程控功率源的数量相对应；每个程控功率源的输入端均与380V交流电压源并联，输出端分别与高频升流器的输入绕组对应并联，所述高频升流器的输出绕组依次串联后与受试设备相连。
优选的，所述受试设备为变压器套管或电缆；所述电缆包括缆芯和绝缘外皮；所述缆芯和所述绝缘外皮分别与电压产生部分的两个输出端口相连；所述缆芯的两端分别与所述电流产生部分的两个输出端口相连；所述变压器套管包括导电杆和导电杆外的绝缘外套；所述导电杆和所述绝缘外套分别与电压产生部分的两个输出端口相连；所述导电杆的两端分别与所述电流产生部分的两个输出端口相连。
与最接近的技术方案相比，本发明具有如下显著进步：
1)本发明提供的谐波产生装置可采用较小容量的独立谐波电压源提供高电压和大电流谐波，易于实现；为探索谐波对电网设备影响的原因和机理、寻求解决方法及措施提供了试验设备，有助于电网的安全可靠运行。
2)电压产生部分和电流产生部分的程控功率源由两个或两个以上程控功率源组成，产生的电压可在380V至110KV之间调节；电流可达1KA，提高了谐波产生装置的输出容量，满足了对设备施加高电压、大电流的试验研究要求。
3)本发明提供的谐波产生装置通过控制器控制电压产生部分和电流产生部分同步输出谐波电压和谐波电流作用于受试设备，可同时模拟谐波电压和谐波电流，满足了对设备同时施加高电压、大电流的试验研究要求。
4)通过控制器使电压产生部分输出的交流电压和电流产生部分输出的交流电流产生U＝I*R的联动效果，可更加真实的模拟设备的工作环境。
5)电压产生部分和电流产生部分采用相同结构的程控功率源，简化了装置设计和维护。
附图说明
图1为本发明提供的谐波产生装置的整体结构示意图；
图2为程控功率源的结构示意图；
图3为电压产生部分的结构示意图；
图4为电流产生部分的结构示意图。
1-输入变压器；2-输入滤波器；3-PWM整流器；4-PWM逆变器；5-输出滤波器；6-缆芯；7-绝缘外皮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
本发明提供一种谐波产生装置，用于研究谐波对电缆和变压器套管的影响，电缆包括缆芯6和绝缘外皮7；变压器套管包括导电杆和导电杆外的绝缘外套；电缆和变压器套管有两个个共同的特点，一是它们都是能量传输设备，其本身消耗的能量极少；二是它们都需要承受极高电压和传输极大的电流。
为了模拟这两类电气传输设备的真实工作环境，以受试设备为电缆为例，可采用如图1所示的谐波产生装置，该装置包括电压产生部分和电流产生部分，所述电压产生部分和所述电流产生部分通过控制器相连，所述控制器控制所述电压产生部分和所述电流产生部分同步输出交流电压和交流电流至受试设备，并使所述交流电压和所述交流电流产生U＝I*R的联动效果，其中U为电压产生部分输出的交流电压，I为电流产生部分输出的交流电流，R为受试设备的电阻。
所述电压产生部分包括程控功率源和高频变压器；所述程控功率源的输入端与交流电压源相连，其输出端与所述高频变压器的输入端相连，其控制端与所述控制器相连，所述高频变压器的输出一端与缆芯6连接，另一端与绝缘外皮7和保护接地连接。电压产生部分的负载为缆芯6和绝缘外皮7之间的分布电容，其容抗很大，因此电流很小；所述程控功率源在所述控制器的控制下输出幅值范围为0-400V、频率范围为0-2500Hz的交流电压至所述高频变压器，所述高频变压器将所述程控功率源输出的交流电压转化为更高等级的交流电压后输出至电缆。
所述电流产生部分包括程控功率源和高频升流器；所述程控功率源的输入端与交流电压源相连，其输出端与所述高频升流器的输入端相连，其控制端与所述控制器相连，所述高频升流器的输出端与缆芯6两端连接。电流产生部分的负载为缆芯6的电阻和分布电感，其二者的阻抗都很小，因此电压很小。所述程控功率源在所述控制器的控制下输出幅值范围为0-100A、频率范围为0-2500Hz的交流电流至所述高频升流器，所述高频升流器对所述程控功率源输出的交流电流进行升流后输出至电缆。
电压产生部分和电流产生部分采用相同结构的程控功率源，可简化装置设计及维护；所述程控功率源采用背靠背功率单元设计，能够产生基波信号、2～50谐波信号及其他们的任意组合。谐波含量和输出容量都可实现任意调节，单个程控功率源的功率可达50～100kVA。程控功率源的结构如图2所示：包括依次连接的输入变压器1、输入滤波器2、PWM整流器3、PWM逆变器4和输出滤波器5；所述PWM整流器3和所述PWM逆变器4分别与所述控制器相连。
所述输入变压器1的输入端接380V交流电压源，用于将电网与谐波产生装置隔离；所述输入变压器1将380V交流电压转换为220V交流电压后输出至所述输入滤波器2；所述输入滤波器2对220V交流电压进行滤波后输出至所述PWM整流器3；所述PWM整流器3在所述控制器的控制器将220V交流电压转换为700V直流电压后输出至所述PWM逆变器4；
电压产生部分的PWM逆变器4在所述控制器的控制下将所述700V直流电压转换为幅值为0-400V、频率为0-2500Hz的工频电压和各次谐波及它们的组合后输出至输出滤波器5；
电流产生部分的PWM逆变器4在所述控制器的控制下将所述700V直流电压转换为幅值为0-100A、频率为0-2500Hz的工频电流和各次谐波及它们的组合后输出至输出滤波器5。
所述输入滤波器2和所述输出滤波器5均由电阻R1、电容C1和电感L1组成。
所述输入滤波器2用于防止谐波泄露到电网；输入滤波器2的电阻R1与电容C1串联后一端与所述输入变压器1的一输出端和所述PWM整流器3的一输入端相连，另一端与所述输入变压器1的另一输出端和电感L1的一端相连；电感L1的另一端与所述PWM整流器3的另一输入端相连；
所述输出滤波器5用于滤除绝缘栅双极型晶体管IGBT中的高频分量；输出滤波器5的电阻R1与电容C1串联后一端与受试设备和所述PWM逆变器4的一输出端相连，另一端与受试设备和电感L1的一端相连；电感L1的另一端与所述PWM逆变器4的另一输出端相连。
所述PWM整流器3和所述PWM逆变器4均包括四个H桥连接的绝缘栅双极型晶体管IGBT；每个绝缘栅双极型晶体管IGBT均反并联有二极管；且每个绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极均与控制器相连；
所述PWM整流器3和所述PWM逆变器4之间还并联有滤波电容C，用于稳定所述PWM整流器3输出的直流电压。
多输入绕组高频变压器将程控功率源产生的含有谐波的电压升高到被试设备所要求的值，通常为10kV，35kV，110kV等。其设计参数中的短路阻抗要求达到1％，提高谐波电压输出的稳定性。
高频升流器采用较少绕组设计，通过高频升流器将程控功率源信号转化成大电流输出。升流系数可在10～50之间选择，电流提升10～50倍。输入绕组位100～500砸，输出绕组为10砸。
虽然谐波产生装置采用电压产生部分和电流产生部分独立的设计，可以大大减少装置的设计容量。但是，对于装置的电压产生部分，由于输出电压很高，尤其是当高次谐波含量提高时，电缆分布电容产生的电流还是不可忽视的；对于电流产生部分，极大的输出电流以及电流中高次谐波含量，电缆回路的分布电感使得电流产生的压降同样是不可忽视的。因此，电流产生部分和电压产生部分都需要考虑在单个程控功率源容量不够时，方便得容量提升方法。
图3为电压产生部分容量提升方法，采用多个程控功率源，通过多输入高频变压器并联连接。每个程控功率源设置输出相同谐波含量的电压，多输入绕组高频变压器每个输入绕组参数相同，输出总容量为每个程控功率源容量之和。
图4为电流产生部分容量提升方法，采用多个程控功率源，通过多台高频升流器串联连接。每个程控功率源设置输出相同谐波含量的电流，达到输出总容量为每个程控功率源容量之和。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种谐波产生装置，其特征在于：所述装置包括电压产生部分和电流产生部分，所述电压产生部分和所述电流产生部分通过控制器相连，所述控制器控制所述电压产生部分和所述电流产生部分同步输出交流电压和交流电流至受试设备，并使所述交流电压和所述交流电流产生U＝I*R的联动效果，其中U为电压产生部分输出的交流电压，I为电流产生部分输出的交流电流，R为受试设备的电阻。
2.根据权利要求1所述的一种谐波产生装置，其特征在于：
所述电压产生部分包括程控功率源和高频变压器；所述程控功率源的输入端与交流电压源相连，其输出端与所述高频变压器的输入端相连，其控制端与所述控制器相连；所述程控功率源在所述控制器的控制下输出幅值范围为0-400V、频率范围为0-2500Hz的交流电压至所述高频变压器，所述高频变压器将所述程控功率源输出的交流电压转化为更高等级的交流电压后输出至所述受试设备。
3.根据权利要求1所述的一种谐波产生装置，其特征在于：
所述电流产生部分包括程控功率源和高频升流器；所述程控功率源的输入端与交流电压源相连，其输出端与所述高频升流器的输入端相连，其控制端与所述控制器相连；所述程控功率源在所述控制器的控制下输出幅值范围为0-100A、频率范围为0-2500Hz的交流电流至所述高频升流器，所述高频升流器对所述程控功率源输出的交流电流进行升流后输出至所述受试设备。
4.根据权利要求2或3所述的一种谐波产生装置，其特征在于：
所述程控功率源包括依次连接的输入变压器、输入滤波器、PWM整流器、PWM逆变器和输出滤波器；所述PWM整流器和所述PWM逆变器分别与所述控制器相连。
5.根据权利要求4所述的一种谐波产生装置，其特征在于：
所述输入变压器的输入端接380V交流电压源，所述输入变压器将380V交流电压转换为220V交流电压后输出至所述输入滤波器；所述输入滤波器对220V交流电压进行滤波后输出至所述PWM整流器；所述PWM整流器在所述控制器的控制器将220V交流电压转换为700V直流电压后输出至所述PWM逆变器；
电压产生部分的PWM逆变器在所述控制器的控制下将所述700V直流电压转换为幅值为0-400V、频率为0-2500Hz的交流电压后输出至输出滤波器；
电流产生部分的PWM逆变器在所述控制器的控制下将所述700V直流电压转换为幅值为0-100A、频率为0-2500Hz的交流电流后输出至输出滤波器。
6.根据权利要求5所述的一种谐波产生装置，其特征在于：
所述输入滤波器和所述输出滤波器均包括电阻R1、电容C1和电感L1；
所述输入滤波器的电阻R1与电容C1串联后一端与所述输入变压器的一输出端和所述PWM整流器的一输入端相连，另一端与所述输入变压器的另一输出端和电感L1的一端相连；电感L1的另一端与所述PWM整流器的另一输入端相连；
所述输出滤波器的电阻R1与电容C1串联后一端与受试设备和所述PWM逆变器的一输出端相连，另一端与受试设备和电感L1的一端相连；电感L1的另一端与所述PWM逆变器的另一输出端相连。
7.根据权利要求4所述的一种谐波产生装置，其特征在于：
所述PWM整流器和所述PWM逆变器均包括四个H桥连接的绝缘栅双极型晶体管IGBT；每个绝缘栅双极型晶体管IGBT均反并联有二极管；且每个绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极均与控制器相连；
所述PWM整流器和所述PWM逆变器之间还并联有滤波电容C，用于稳定所述PWM整流器输出的直流电压。
8.根据权利要求2所述的一种谐波产生装置，其特征在于：
所述电压产生部分的程控功率源由两个或两个以上程控功率源组成，所述电压产生部分的高频变压器为多输入绕组高频变压器；所述多输入绕组高频变压器的输入绕组数量与所述程控功率源的数量相对应；每个程控功率源的输入端均与380V交流电压源并联，输出端分别与所述多输入绕组高频变压器的输入绕组对应并联；所述多输入绕组高频变压器的输出绕组与受试设备相连。
9.根据权利要求3所述的一种谐波产生装置，其特征在于：
所述电流产生部分的程控功率源由两或两个以上程控功率源组成，所述高频升流器的数量与所述程控功率源的数量相对应；每个程控功率源的输入端均与380V交流电压源并联，输出端分别与高频升流器的输入绕组对应并联，所述高频升流器的输出绕组依次串联后与受试设备相连。
10.根据权利要求1所述的一种谐波产生装置，其特征在于：
所述受试设备为变压器套管或电缆；所述电缆包括缆芯和绝缘外皮；所述缆芯和所述绝缘外皮分别与电压产生部分的两个输出端口相连；所述缆芯的两端分别与所述电流产生部分的两个输出端口相连；所述变压器套管包括导电杆和导电杆外的绝缘外套；所述导电杆和所述绝缘外套分别与电压产生部分的两个输出端口相连；所述导电杆的两端分别与所述电流产生部分的两个输出端口相连。
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