CN102097948B - 一种高电位直流电压取能电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高电位直流电压取能电源。该直流电压取能电源具有良好的电气隔离，能够满足高电位电子电路供电要求；能够在较宽范围的直流输入电压条件下稳定工作；启动速度快，可在直流电压输入较低的情况下保持稳定的额定输出；抗干扰性好，能够在恶劣电磁环境下正常工作；直流取能电源体积小，可以满足装置的紧凑型设计。

Description

一种高电位直流电压取能电源

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种高电位直流电压取能电源。

背景技术

随着我国“西电东送”战略的实施和互联电网规模的扩大，电压稳定问题尤为突出。东南沿海形成的超大型负荷中心存在的主要问题是动态无功支撑日益不足。近二十年来，世界各地由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故，在我国电压崩溃事故也多次发生。采用静止同步无功补偿器(STATCOM，Static Synchronous Compensator)是解决这些问题的有效措施之一，它在提高线路输送能力、阻尼功率振荡、增强系统稳定性等方面具有优越性能，STATCOM在输电网中已完全进入实用阶段。其中，高电位直流电压取能技术是输电网STATCOM研发的核心技术之一，输电网STATCOM的电压等级高，电子电路和阀体位于高电位。阀体控制用电子电路若采用交流取能、高频送能和激光送能等方式不能很好的满足STATCOM装置紧凑型设计及长期稳定运行的要求。因此，需要设计一种能够满足STATCOM单元变流器的紧凑型设计和长期稳定供能要求的高电位直流电压取能电源。

本发明所设计的直流电压取能电源具有良好的电气隔离，能够满足高电位电子电路供电要求；能够在较宽范围的直流输入电压条件下稳定工作；启动速度快，可在直流电压输入较低的情况下保持稳定的额定输出；抗干扰性好，能够在恶劣电磁环境下正常工作；直流取能电源体积小，可以满足装置的紧凑型设计。

本发明的高电位直流电压取能电源，在试验中取得了良好的效果。本项技术的成功开发，解决了STATCOM单元变流器中控制电路的高电位取能问题，有效保障了控制电路的稳定可靠供电。同时，直流取能电路体积小，有利于单元变流器的紧凑型设计。高电位直流取能电源对于今后STATCOM、电压源型变流器、大功率电力电子装置的紧凑型设计以及高电位电子电路的供电技术具有重要意义。

本发明所涉及的STATCOM的阀体由单元变流器构成，单元变流器由全控型功率器件IGBT组成。IGBT驱动电源对供电可靠性要求很高，在IGBT的集电极与发射极之间电压大于200V，IGBT门极受到干扰且未加驱动信号时，可能会造成器件的误导通，若造成同一桥臂直通，直流支撑电容将通过直通的桥臂瞬时放电，造成IGBT过流，可能损坏IGBT器件。而驱动电源的不可靠也可能会造成IGBT过流保护失灵，导致IGBT器件的损坏。因此，必须设计可靠的取能或送能电源来保障IGBT驱动的可靠供电。

高电位电子电路常见的送能或取能方式有：高频送能、工频送能、激光送能、交流取能和直流取能等。

(1)高频/工频送能

高频送能方式需要采用高频电源，全绝缘高频变压器和整流电路。在高频情况下设备局放大，高频干扰严重，可能会影响周围电子电路的正常工作；另外高频变压器损耗大，一般采用充油式变压器，这就存在漏油风险有安全隐患，维护不方便；高频变压器体积较大，不利于单元变流器及整体装置的紧凑型设计。

工频送能方式下，变压器的体积较高频变压器更大，向高电位送能时需要较大的绝缘距离，不利于单元变流器及整体装置的紧凑型设计。

(2)激光送能

激光送能方式可以有效的从地电位向高电位送电，但是激光送能装置属敏感设备，购买受到国外严格限制。此外，激光送能设备成本高，长期使用情况下设备老化较快，寿命相对较短，因此不能满足电力电子装置中电子电路的长期可靠供电的要求。

(3)交流电压取能

交流电压取能方式对交流系统的可靠性要求很高。在系统出现短时故障的情况下，取能电源将无法正常工作，而短时故障(故障时间一般不超过1s)在交流系统中是很可能存在的，取能电源很难支持1s以上时间。如果单一采用交流电压取能方式将会影响电力电子装置的运行可靠性。

(4)直流电压取能

单元变流器直流侧电压高水平稳定运行是保证其可靠工作的关键，在单元变流器工作期间也是最有保障的直流电压源。因此，采用直流电压取能方式，通过合理的取能电源设计就可以保障单元变流器的控制器长期稳定可靠供电。

发明内容

本发明提供一种高电位直流电压取能电源。该直流电压取能电源具有良好的电气隔离，能够满足高电位电子电路供电要求；能够在较宽范围的直流输入电压条件下稳定工作；启动速度快，可在直流电压输入较低的情况下保持稳定的额定输出；抗干扰性好，能够在恶劣电磁环境下正常工作；直流取能电源体积小，可以满足装置的紧凑型设计。

本发明的一种高电位直流电压取能电源，包括：直流电压输入、滤波及抗干扰回路、切换/电压检测回路、低压电源变换电路、高压电源变换电路、输出电路和故障检测及保护电路；

所述直流电压输入并联于直流电容的正负极；滤波及抗干扰回路，连接至直流电压输入所在回路，用来滤除电容直流电压的纹波电压；切换/电压检测回路，连接至滤波及抗干扰所在回路，检测直流电容电压的幅值，并将输入的直流电压切换至正确的电源变换电路；低压电源变换电路，分别连接至切换/电压检测回路和高压电源变换电路，低压电源变换电路的工作电压较低，作用是将输入直流电压变换为目标直流电压输出，同时在低压电源变换电路的输入侧与输出侧起到电气隔离的作用；

所述高压电源变换电路，连接至切换/电压检测回路，在直流电容电压幅值较高时工作，将较高的直流电压转换为适合低压电源变换电路工作的电压，同时对高压电源变换电路的输入侧与输出侧进行起到电气隔离作用；输出电路连接至低压电源变换电路，稳定目标直流电压的输出，同时保证取能侧直流电容放电后直流取能电源还能够维持一段时间的额定输出；故障检测及保护电路，检测低压电源变换电路和输出电路的工作状态，在输出目标直流电压超过设定范围时，对电源进行保护，将电源退出工作状态。

其中，直流取能电源的工作原理为：

(1)直流电压首先输入“滤波及抗干扰回路”，保证输入“切换/电压检测回路”的电压符合电源要求；

(2)经过滤波的直流电压输入“切换/电压检测回路”，检测输入电压水平，同时在“高压电源变换电路”和“低压电源变换电路”之间迅速切换；

(3)在直流输入电压较低时，“高压电源变换电路”被断开，“低压电源变换电路”工作；

(4)当直流输入电压较高时，“切换/电压检测回路”断开向“低压电源变换回路”的输入，开始向“高压电源变换电路”输入，“高压电源变换电路”的输出电压再输入“低压电源变换电路”；

(5)故障保护及检测回路用来检测输出电压，在输出电压超过设定范围时，对电源进行保护，将电源退出工作状态。

其中，低压电源变换电路采用单端反激电路，单端反激电路采用单只MOS管来控制高频变压器的储能，输入电压不能过高，因此令其工作在直流输入电压较低的工况；

高压电源变换电路采用双管正激电路，双管正激电路采用两只功率开关管分别串联在高频变压器的上下两侧，这样就可以够承受较高的直流电压输入，从而可令其工作在直流输入电压较高的工况下；

在直流输入电压较高时，双管正激电路的输出的电压在单端反激电路的正常工作电压范围之内，所以在直流电压较高时，直流电压取能电源经过双管正激电路和单端反激电路两级降压、两级电气隔离输出额定的直流电压，从而满足高电位取能的电气隔离问题；

单端反激电路和双管正激电路均需采用高频变压器，高频变压器具有良好的电气隔离作用，从而解决单元变流器IGBT触发板及单元控制器的高电位电气隔离问题；

输出电路在输出端并联有大容量直流电容，保证稳定的直流电压输出，同时保证取能侧直流电容放电后直流取能电源还能够维持一段时间的额定输出，保证控制器有充足的时间退出运行。

其中，直流电压取能电源中低压变换电路与高压变换电路的工作组合方式为：

经过滤波的直流电压输入“切换/电压检测回路”，检测输入电压水平，同时在“高压电源变换电路”和“低压电源变换电路”之间迅速切换，在直流输入电压较低时，“高压电源变换电路”被断开，“低压电源变换电路”工作，当直流输入电压较高时，“切换/电压检测回路”断开向“低压电源变换回路”的输入，开始向“高压电源变换电路”输入，“高压电源变换电路”的输出电压再输入“低压电源变换电路”。

其中，直流电压取能电源采用冗余设计：

为保证直流电压取能电源的工作可靠性，将多路高电位直流电压取能电源并联，各路取能电源的输出端正极分别串联二极管之后进行并联；其中冗余状态的两个电源处于空载备用状态，在工作电源出现故障退出时，另一个冗余电源立刻投入使用，从而有效的保障变流器中控制器及驱动电路的供电可靠性。

还涉及一种使用上述电源的静止同步无功补偿STATCOM装置。

还涉及一种使用上述电源的变流器设备。

还涉及一种使用上述电源的大功率电力电子装置，大功率电力电子装置工作在较高的电压等级，高电位直流取能电源的高压与低压电源变换电路分别由单端反激电路和双管正激电路构成，单端反激电路和双管正激电路均需采用高频变压器，高频变压器具有良好的电气隔离作用，从而解决变流器全控型器件触发控制板及单元控制器的高电位电气隔离问题。

本发明技术方案的有益效果是：

(1)电源抗干扰能力强；

(2)直流电压取能电源具有两级电气隔离，可以满足高电位电气隔离；

(3)直流电压取能电源启动速度快；

(4)直流电压取能电源的可输入直流电压范围大；

(5)直流电压取能电源的冗余设计保证了控制电路供电的可靠性高；

(6)直流电压取能电源体积小，便于单元变流器及电力电子装置的紧凑型设计。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1示出直流电压取能电源原理框图。

图2示出单端反激电路原理图(低压电源变换电路)。

图3示出双管正激电路原理图(高压电源变换电路)

图4示出直流电压取能电源的冗余设计

具体实施方式

1.高电位直流电压取能电源技术难点

高电位直流电压取能电源技术难点如下：

1)单元变流器的IGBT驱动电路及单元控制器处于高电位，必须解决高电位取能的电气隔离问题；

2)STATCOM的单元变流器所处电磁环境恶劣，一方面输电线路的大电流、高场强会对电子电路造成较大的电磁干扰；另一方面，单元变流器IGBT快速开关过程也会产生大量的强电磁干扰，因此必须解决直流电压取能电源的抗干扰设计问题；

3)在直流电压输入变化非常大的范围内，要求直流电压取能电源能够保证稳定的直流电压输出，能够在单元变流器的直流电压较低时保证直流电压取能电源的稳定额定输出，具有快速启动的性能；

4)要求取能电源能够在直流输入电压低于最低输入要求后能够保持一段时间的额定电压输出，保证单元变流器的正常退出。

这些技术要求决定了高电位直流电压取能电源的开发和研制具有非常大的技术难度。

2.直流电压取能电源的原理

根据以上技术要求，本发明所设计的直流电压取能电源的原理如图1所示，直流电压输入端与单元变流器的直流侧并联，直流取能电源的工作原理如下：

(1)直流电压首先输入“滤波及抗干扰回路”，保证输入“切换/电压检测回路”的电压符合电源要求；

(2)经过滤波的直流电压输入“切换/电压检测回路”，检测输入电压水平，同时在“高压电源变换电路”和“低压电源变换电路”之间迅速切换；

(3)在直流输入电压较低时，“高压电源变换电路”被断开，“低压电源变换电路”工作；

(4)当直流输入电压较高时，“切换/电压检测回路”断开向“低压电源变换回路”的输入，开始向“高压电源变换电路”输入，“高压电源变换电路”的输出电压再输入“低压电源变换电路”；

(5)故障保护及检测回路用来检测输出电压，在输出电压超过设定范围时，对电源进行保护，将电源退出工作状态。

其中，低压电源变换电路采用单端反激电路，原理如图2所示，单端反激电路采用单只MOS管来控制高频变压器的储能，输入电压不能过高，因此令其工作在直流输入电压较低的工况。

高压电源变换电路采用双管正激电路，原理如图3所示，双管正激电路采用两只功率开关管分别串联在高频变压器的上下两侧，这样就可以够承受较高的直流电压输入，因此令其工作在直流输入电压较高的工况下。

在直流输入电压较高时，双管正激电路的输出的电压在单端反激电路的正常工作电压范围之内，所以在直流电压较高时，直流电压取能电源经过双管正激电路和单端反激电路两级降压、两级电气隔离输出额定的直流电压，这样就可以满足高电位取能的电气隔离问题。

单端反激电路和双管正激电路均需采用高频变压器，高频变压器具有良好的电气隔离作用，可以很好的解决单元变流器IGBT触发板及单元控制器的高电位电气隔离问题。

输出电路在输出端并联有大容量直流电容，可以保证稳定的直流电压输出，同时可以保证取能侧直流电容放电后直流取能电源还能够维持一段时间的额定输出，保证控制器有充足的时间退出运行。

3.高电位直流电压实施方案

本发明所申请专利的直流取能电源具体工作原理如下：

(1)直流电压输入≥100V时，“切换/电压检测回路”和“低压电源变换电路”启动，“高压电源变换电路”处于关闭状态，此时直流电压取能电源能够稳定输出+15V的直流电压；

(2)500V≤直流电压输入＜600V时，“切换/电压检测回路”同时开通向高压电源变换电路的输入，“高压电源变换电路”启动，工作在空载备用状态；

(3)直流电压输入≥600V时，“切换/电压检测电路”断开向“低压电源变换电路”的输入，“高压电源变换电路”投入运行，“高压电源变换电路”的输出电压小于500V，其输出直接输入至“低压电源变换电路”，通过“低压电源变换电路”继续完成电压变换，保证直流电压取能电源稳定的+15V输出；

(4)“故障检测及保护电路”在直流取能电源的输出电压小于9.5V，大于17.5V、过载150％、输入过压(＞2.15kV)等故障时动作，将电源退出运行。

4.直流电压取能电源的冗余设计

为保证直流电压取能电源的工作可靠性，本发明中采用了电源的冗余设计，将3路高电位直流电压取能电源并联，3路取能电源的输出端正极分别串联二极管之后进行并联，结构如图4所示。其中冗余状态的两个电源处于空载备用状态，在工作电源出现故障退出时，另一个冗余电源立刻投入使用，这种冗余结构设计可以有效的保障单元变流器中控制器及驱动电路的供电可靠性。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (7)

1.一种高电位直流电压取能电源，包括：直流电压输入、滤波及抗干扰回路、切换/电压检测回路、低压电源变换电路、高压电源变换电路、输出电路和故障检测及保护电路；其特征在于：

所述直流电压输入并联于直流电容的正负极；滤波及抗干扰回路，连接至直流电压输入所在回路，用来滤除电容直流电压的纹波电压；切换/电压检测回路，连接至滤波及抗干扰所在回路，检测直流电容电压的幅值，并将输入的直流电压切换至正确的电源变换电路；低压电源变换电路，分别连接至切换/电压检测回路和高压电源变换电路，低压电源变换电路的工作电压较低，作用是将输入直流电压变换为目标直流电压输出，同时在低压电源变换电路的输入侧与输出侧起到电气隔离的作用；

所述高压电源变换电路，连接至切换/电压检测回路，在直流电容电压幅值较高时工作，将较高的直流电压转换为适合低压电源变换电路工作的电压，同时对高压电源变换电路的输入侧与输出侧进行起到电气隔离作用；输出电路连接至低压电源变换电路，稳定目标直流电压的输出，同时保证取能侧直流电容放电后直流取能电源还能够维持一段时间的额定输出；故障检测及保护电路，检测低压电源变换电路和输出电路的工作状态，在输出目标直流电压超过设定范围时，对电源进行保护，将电源退出工作状态。

2.如权利要求1所述的电源，其特征在于：直流取能电源的工作原理为：

（1）直流电压首先输入“滤波及抗干扰回路”，保证输入“切换/电压检测回路”的电压符合电源要求；

（2）经过滤波的直流电压输入“切换/电压检测回路”，检测输入电压水平，同时在“高压电源变换电路”和“低压电源变换电路”之间迅速切换；

（3）在直流输入电压较低时，“高压电源变换电路”被断开，“低压电源变换电路”工作；

（4）当直流输入电压较高时，“切换/电压检测回路”断开向“低压电源变换回路”的输入，开始向“高压电源变换电路”输入，“高压电源变换电路”的输出电压再输入“低压电源变换电路”；

（5）故障保护及检测回路用来检测输出电压，在输出电压超过设定范围时，对电源进行保护，将电源退出工作状态；

其中，低压电源变换电路采用单端反激电路，单端反激电路采用单只MOS管来控制高频变压器的储能，输入电压不能过高，因此令其工作在直流输入电压较低的工况；

高压电源变换电路采用双管正激电路，双管正激电路采用两只功率开关管分别串联在高频变压器的上下两侧，这样就可以够承受较高的直流电压输入，从而可令其工作在直流输入电压较高的工况下；

在直流输入电压较高时，双管正激电路的输出的电压在单端反激电路的正常工作电压范围之内，所以在直流电压较高时，直流电压取能电源经过双管正激电路和单端反激电路两级降压、两级电气隔离输出额定的直流电压，从而满足高电位取能的电气隔离问题；

单端反激电路和双管正激电路均需采用高频变压器，高频变压器具有良好的电气隔离作用，从而解决单元变流器IGBT触发板及单元控制器的高电位电气隔离问题；

输出电路在输出端并联有大容量直流电容，保证稳定的直流电压输出，同时保证取能侧直流电容放电后直流取能电源还能够维持一段时间的额定输出，保证控制器有充足的时间退出运行。

3.如权利要求2所述的电源，其特征在于：直流电压取能电源中低压变换电路与高压变换电路的工作组合方式为：

经过滤波的直流电压输入“切换/电压检测回路”，检测输入电压水平，同时在“高压电源变换电路”和“低压电源变换电路”之间迅速切换，在直流输入电压较低时，“高压电源变换电路”被断开，“低压电源变换电路”工作，当直流输入电压较高时，“切换/电压检测回路”断开向“低压电源变换回路”的输入，开始向“高压电源变换电路”输入，“高压电源变换电路”的输出电压再输入“低压电源变换电路”。

4.如权利要求3所述的电源，其特征在于：直流电压取能电源采用冗余设计：

为保证直流电压取能电源的工作可靠性，将多路高电位直流电压取能电源并联，各路取能电源的输出端正极分别串联二极管之后进行并联；其中冗余状态的两个电源处于空载备用状态，在工作电源出现故障退出时，另一个冗余电源立刻投入使用，从而有效的保障变流器中控制器及驱动电路的供电可靠性。

5.一种使用权利要求1-4任一所述电源的静止同步无功补偿STATCOM装置。

6.一种使用权利要求1-4任一所述电源的变流器设备。

7.一种使用权利要求1-4任一所述电源的大功率电力电子装置，其特征在于：

大功率电力电子装置工作在较高的电压等级，高电位直流取能电源的高压与低压电源变换电路分别由单端反激电路和双管正激电路构成，单端反激电路和双管正激电路均需采用高频变压器，高频变压器具有良好的电气隔离作用，从而解决变流器全控型器件触发控制板及单元控制器的高电位电气隔离问题。

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