CN103840674B - 一种校准直流互感器的自适应电流发生系统及其发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种校准直流互感器的自适应电流发生系统及其发生方法，该系统包括依次连接的整流滤波电路、多路通断开关、电流发生模块、电流取样模块和直流电流互感器；在电流发生模块与电流取样模块间连接电压取样模块；电流取样模块和电压取样模块的信息传至控制中心并通过其控制多路通断开关和基准信号发生器；基准信号发生器和电流取样模块的信号传至误差放大器并通过其输出信号作为脉冲宽度调制模块的输入信号，脉冲宽度调制模块将输出信号发至电流发生模块。该方法通过自动调节投入运行的最佳电流发生模块数和输出电流基准值，产生精度较高的大范围直流电流并且方法简单、可靠，采用本发明技术方案的电流发生器轻便。

Description

一种校准直流互感器的自适应电流发生系统及其发生方法

技术领域：

本发明涉及一种自适应电流发生系统及其发生方法，更具体涉及一种校准直流互感器的自适应电流发生系统及其发生方法。

背景技术：

近来，超高压、特高压直流输电工程具有输电容量大、送电距离长、线路损耗低、节约工程建设投资、减少土地使用面积等优势。发展超高压、特高压输电技术能够促进大煤电、大水电、大核电的集约化发展，促进电网与电源协调发展，在更大范围内实现资源能源的优化配置。

直流互感器是直流输电系统的重要一次设备，为系统的控制和保护提供准确可靠的测量信息，其运行可靠性和测量准确性直接关系到直流输电系统的安全稳定运行。目前已投运的换流站采用的直流互感器大部分为进口，在实际运行中，部分换流站的直流互感器多次出现测量不准等问题，给电能计量、继电保护等各个方面都带来了问题。目前已经发现一些直流互感器现场安装后存在输出零点过大、通道间数据差异大等问题。由于过去对直流互感器进行现场校准试验的条件十分匮乏，同时缺乏相关标准和技术监督规程，换流站用直流互感器一般只进行出厂校准，现场注流试验只在10％额定电流下进行，且仅对变比进行粗略考察，在全量程范围内进行现场校准试验缺乏轻便、准确的校准仪器。

直流互感器校准仪的核心是直流电流发生器，所要求的最大电流幅值接近或超过了5000A，既有的电流发生器存在的问题：1）较笨重，2）发出小电流与大电流时，纹波、环流等引起的输出误差差异很大，难以满足校准的要求。

因此急需发明在全量程范围内输出误差较小、携带方便的电流发生方法。

发明内容：

本发明的目的是提供一种校准直流互感器的自适应电流发生系统及其发生方法，本发明技术方案根据负载特征、电流大小自动调节电流发生模块的接入情况，以实现最优的电流输出精度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种校准直流互感器的自适应电流发生系统，所述系统包括依次连接的整流滤波电路、多路通断开关、电流发生模块、电流取样模块和直流电流互感器；在所述电流发生模块与所述电流取样模块间连接电压取样模块；

所述电流取样模块和电压取样模块的信息传送至控制中心并通过所述控制中心输出控制信号控制所述多路通断开关的各路开关的通断和基准信号发生器的输出值；所述基准信号发生器和电流取样模块的信号传送至误差放大器并通过所述误差放大器的输出信号作为脉冲宽度调制模块的输入信号，所述脉冲宽度调制模块将输出信号发送至所述电流发生模块。

本发明提供的一种校准直流互感器的自适应电流发生系统，所述整流滤波电路的输入端连接民用三相电压源，其输出端连接多路通断开关的输入端。

本发明提供的一种校准直流互感器的自适应电流发生系统，所述电流发生模块包括n个电流发生模块；所述多路通断开关的每一个输出端与其中一个所述电流发生模块连接；所述n个电流发生模块输出端并联后与所述电流取样模块的其中一端连接。

本发明提供的另一优选的一种校准直流互感器的自适应电流发生系统，所述电流发生模块包括输入整流滤波模块、高频变换器、高频变压器和输出整流滤波模块；

所述输入整流滤波模块的输入端连接所述整流电路的输出端，所述输入整流滤波模块的输出端连接所述高频变换器的输入端，所述高频变换器的输出端连接所述高频变压器的输入端，所述高频变压器的输出端连接所述输出整流滤波模块的输入端，所述输出整流滤波模块的输出端连接所述电流取样模块的输入端；所述高频变换器由脉冲宽度调制模块的输出信号控制。

本发明提供的再一优选的一种校准直流互感器的自适应电流发生系统，所述民用三相电压源的电压经所述整流滤波电路后输出直流电压；在经所述脉冲宽度调制器调制后，所述直流电压转化为高频电压信号并经所述高频变压器后输出三角波形电压，再经所述输出整流滤波模块后供给所述直流互感器。

本发明提供的又一优选的一种校准直流互感器的自适应电流发生系统，所述输出整流滤波模块包括正向串联二极管、并联反向二极管、串联滤波电感和并联滤波电容；

所述高频变换器是单端正激型开关电源变换器，包括可控的功率晶体管；当所述功率晶体管导通时，所述正向串联二极管也导通；当输入电能通过所述正向串联二极管传递给所述直流互感器，同时将部分能量储存在所述高频变压器副边回路中的串联电感中，所述部分能量的大小通过回路中电感值大小确定；

当功率晶体管截止时，所述串联电感中的储能流经所述直流互感器和并联反向二极管续流释放；所述系统的输出电流值为所述输出整流滤波模块的输出直流电压除以所述直流互感器电阻和电流取样模块电阻和的值。

本发明提供的又一优选的一种校准直流互感器的自适应电流发生系统，其特征在于：所述基准信号发生器的输出电压为所述电流取样模块的电阻和拟输出电流的乘积；所述电流取样模块的电阻上的电压与所述基准信号发生器的输出电压共同作为误差放大器的输入信号；将所述误差放大器的输出信号与三角波发生器的输出信号进行调制，产生脉冲宽度调制信号，控制所述高频变换器的功率晶体管的通断，以实现电流发生模块的输出电压调节。

本发明提供一种包含上述校准直流互感器的自适应电流发生系统的发生方法，所述方法包括以下步骤：

（1）当所述电流取样模块和电压取样模块的输出值达到设定值时，确定所述直流互感器的电阻值；

（2）确定电流输出值所需要投入的所述电流发生模块数量；

（3）根据设定的拟输出电流范围和投入的所述电流发生模块数量确定精确电流输出。

本发明提供的又一优选的一种所述的发生方法，所述步骤（1）中通过所述控制中心控制所述多路通断开关，使n个电流发生模块中的第一个电流发生模块处于工作状态，其他电流发生模块停止工作，并使电流逐渐增大，使得所述电流取样模块和电压取样模块的输出值达到设定值；当达到设定值时，电流停止增长。

本发明提供的又一优选的一种所述的发生方法，所述步骤（2）中根据所述直流互感器的电阻值和第一个电流发生模块的输出能力确定电流发生模块数量。

本发明提供的又一优选的一种所述的发生方法，所述步骤（3）中所述控制中心根据设定的拟输出电流的范围，由小到大向所述误差放大器输出参考信号。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明的方法通过自动调节投入运行的最佳电流发生模块数和输出电流基准值，产生精度较高的大范围直流电流；

2、本发明的方法可用于超高压、特高压直流互感器的校准；

3、本发明的方法简单、可靠，采用该法设计的电流发生器较轻便；

4、本发明的方法使得直流输电系统能够更加安全的稳定运行。

附图说明

图1为本发明用于直流互感器校准的自适应电流发生系统结构示意图；

图2为本发明用于直流互感器校准的自适应电流发生系统的单个电流发生模块的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-2所示，本例的发明校准直流互感器的自适应电流发生系统包括依次连接的整流滤波电路、多路通断开关、电流发生模块、电流取样模块和直流电流互感器的非接地端；在所述电流发生模块与所述电流取样模块间并联电压取样模块；

所述电流取样模块和电压取样模块的信息传送至控制中心并通过所述控制中心输出控制信号控制所述多路通断开关的各路开关的通断和基准信号发生器的输出值；所述基准信号发生器和电流取样模块的信号传送至误差放大器并通过所述误差放大器的输出信号作为脉冲宽度调制模块的输入信号，所述脉冲宽度调制模块（PWM）将输出信号发送至所述电流发生模块从而控制所述电流发生模块。

所述整流滤波电路的输入端连接民用三相电压源，其输出端连接多路通断开关的输入端，所述整流滤波电路和民用三相电压源均为380V整流滤波电路和380V民用三相电压源。

所述电流发生模块包括n个电流发生模块；所述多路通断开关的每一个输出端与其中一个所述电流发生模块连接；所述n个电流发生模块输出端并联后与所述电流取样模块的其中一端连接，n为1、2……n。

所述电流发生模块包括输入整流滤波模块、高频变换器、高频变压器和输出整流滤波模块；所述输入整流滤波模块的输入端连接所述整流电路的输出端，所述输入整流滤波模块的输出端连接所述高频变换器的输入端，所述高频变换器的输出端连接所述高频变压器的输入端，所述高频变压器的输出端连接所述输出整流滤波模块的输入端，所述输出整流滤波模块的输出连接所述电流取样模块的输入端；所述高频变换器由脉冲宽度调制模块的输出信号控制。

所述民用三相电压源的三相380V交流电压经所述整流滤波电路后输出电压为514～537V的直流电压，在经所述脉冲宽度调制器调制后，直流电压转化为高频电压信号；所述信号经变比为100:1、频率为20kHz的高频变压器后，输出幅值5V的三角波形电压，经所述输出整流滤波模块整流滤波后供给所述直流互感器。

所述输出整流滤波模块包括正向串联二极管、并联反向二极管、串联滤波电感和并联滤波电容；所述串联滤波电感取10μH，并联滤波电容取4700μF。

所述高频变换器采用的是单端正激型开关电源变换器，包括可控的功率晶体管。当功率晶体管导通时，所述正向串联二极管也同时导通。输入电能通过正向串联二极管传递给所述直流互感器，同时将部分能量储存在输出回路（即高频变压器副边回路）中的串联电感中，所述部分能量的大小通过回路中电感值大小确定。当功率晶体管截止时，所述串联电感中的储能流经直流互感器并通过并联反向二极管续流释放。单个所述电流发生模块的输入电压（U₁）中包括直流分量和交流分量，经过所述高频变压器后，直流部分被滤去，高频变压器副边电压（U₂）为交流信号。

$U_2=\frac{N_2}{N_1}\frac{t_{\mathrm{ON}}}{t_{\mathrm{ON}}+t_{\mathrm{OFF}}}{U}_1---\left(1\right)$

式（1）中t_ON为一个周期内功率晶体管导通时间，t_OFF为一个周期内功率晶体管不导通的时间，N₁为高频变压器原边匝数，N₂为高频变压器副边匝数。

交流电压U₂通过所述输出整流滤波模块整流滤波后输出直流电压U₃。由于采用多个电流发生模块并联结构，且用同一控制信号进行控制，各个电流发生模块的输出直流电压均为U₃。本发明的系统的输出电流值为所述输出直流电压U₃与直流互感器（R_L）和电流取样模块电阻（R_P）之和的比值。

本发明采用电流反馈的方式来调节和控制各个电流发生模块的输出电压U₃。电流取样模块可选用仪表级取样电阻，额定情况下输出为75mV，如额定时最大输出为600A，电流取样模块电阻（R_P）取125μΩ。

所述基准信号发生器的输出电压（U_Q）为电流取样模块电阻（R_P）和拟输出电流（I_Q）的乘积。所述电流取样模块电阻（R_P）上的电压与所述基准信号发生器的输出电压（U_Q）共同作为误差放大器的输入信号，所述误差放大器选用PI放大器，增益取值为100；误差放大信号经过限制器限定幅值大小，限定幅值范围为0.1～4.9；所述误差放大器的输出信号与20kHz三角波发生器的输出信号进行调制，产生PWM调制信号，控制高频变换器功率晶体管的通断，以实现电流发生模块的输出电压调节。

仿真与实验均表明，采用不同电流发生模块时，由于纹波系数、多模块之间的环流等原因造成电流输出误差有较大的差异，投入的电流发生模块越少，输出误差越小，因此必须确定直流互感器电阻值R_L不同时，单个电流发生模块的输出能力，从而确定电流输出值I所对应所需要投入的最佳电流发生模块数m。下面介绍如何确定最佳的电流发生模块数m：

首先，自动测量直流互感器的电阻值：所述控制中心控制多路通断开关，使电流发生模块1处于工作状态，其他电流发生模块停止，并使电流逐渐增大，当电流取样模块的输出值或电压取样模块的输出值达到设定值时，停止电流增长，由取样所得的电压值和电流值计算得到直流互感器的电阻值；然后，根据计算所得的直流互感器电阻值R_L、单个电流发生模块的输出能力，确定电流输出值I所对应所需要投入的电流发生模块数m。

包括以上电流发生系统的发生方法包括以下步骤：

（1）确定当所述电流取样模块和电压取样模块的输出值达到设定值时，所述直流互感器的电阻值；

（2）确定电流输出值所需要投入的所述电流发生模块数量；

（3）根据设定的拟输出电流范围和投入的所述电流发生模块数量确定精确电流输出。

所述步骤（1）中通过所述控制中心控制所述多路通断开关，使n个电流发生模块中的第一个电流发生模块处于工作状态，其他电流发生模块停止工作，并使电流逐渐增大，使得所述电流取样模块和电压取样模块的输出值达到设定值；当达到设定值时，电流停止增长。

所述步骤（2）中根据所述直流互感器的电阻值和第一个电流发生模块的输出能力确定电流发生模块数量。

所述步骤（3）中所述控制中心根据设定的拟输出电流的范围，由小到大向所述误差放大器输出参考信号。

目前，±800kV特高压直流输电换流站用直流电流互感器的最大额定电流为4500A，测量上限最好能测量到120%额定电流范围，所以要求直流电源能够最少输出5400A的电流。

根据上述本发明技术方案的内容，本发明的系统的发生方法以此为例如下：

第一步，确定电压设定值为2V，电流设定值为300A，所述控制中心控制多路通断开关，使电流发生模块1处于工作状态，其他电流发生模块停止工作，并使电流逐渐增大，当所述电流取样模块的输出值首先达到设定值300A，此时测得电压值为60mV,由取样所得的电压值和电流值计算得到直流互感器的电阻值为200μΩ；

第二步，单个所述电流发生模块的最大输出功率为1.0kW,最大输出电流为600A,由于计算得到的直流互感器电阻较小，为200μΩ，所述电流发生模块输出电流为600A时，输出功率未达到最大输出功率，因此根据最大输出电流为600A确定电流输出值I所对应所需要投入的电流模块数m，如下表：

第三步，根据设定的拟输出电流的范围，0～5400A，所述控制中心由小到大向所述误差放大器输出参考信号，且根据输出电流值确定投入的电流发生模块，实现较精确的电流输出。

输出电流的误差如下表：

最后应该说明的是: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说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种校准直流互感器的自适应电流发生系统，其特征在于：所述系统包括依次连接的整流滤波电路、多路通断开关、电流发生模块、电流取样模块和直流电流互感器；在所述电流发生模块与所述电流取样模块间连接电压取样模块；

所述电流取样模块和电压取样模块的信息传送至控制中心并通过所述控制中心输出控制信号控制所述多路通断开关的各路开关的通断和基准信号发生器的输出值；所述基准信号发生器和电流取样模块的信号传送至误差放大器并通过所述误差放大器的输出信号作为脉冲宽度调制模块的输入信号，所述脉冲宽度调制模块将输出信号发送至所述电流发生模块；

所述整流滤波电路的输入端连接民用三相电压源，其输出端连接多路通断开关的输入端；

所述电流发生模块包括n个电流发生模块；所述多路通断开关的每一个输出端与其中一个所述电流发生模块连接；所述n个电流发生模块输出端并联后与所述电流取样模块的其中一端连接；

所述电流发生模块包括输入整流滤波模块、高频变换器、高频变压器和输出整流滤波模块；

所述输入整流滤波模块的输入端连接所述整流滤波电路的输出端，所述输入整流滤波模块的输出端连接所述高频变换器的输入端，所述高频变换器的输出端连接所述高频变压器的输入端，所述高频变压器的输出端连接所述输出整流滤波模块的输入端，所述输出整流滤波模块的输出端连接所述电流取样模块的输入端；所述高频变换器由脉冲宽度调制模块的输出信号控制；

所述民用三相电压源的电压经所述整流滤波电路后输出直流电压；在经所述脉冲宽度调制器调制后，所述直流电压转化为高频电压信号并经所述高频变压器后输出三角波形电压，再经所述输出整流滤波模块后供给所述直流互感器；

所述输出整流滤波模块包括正向串联二极管、并联反向二极管、串联滤波电感和并联滤波电容；

所述高频变换器是单端正激型开关电源变换器，包括可控的功率晶体管；当所述功率晶体管导通时，所述正向串联二极管也导通；当输入电能通过所述正向串联二极管传递给所述直流互感器，同时将部分能量储存在所述高频变压器副边回路中的串联电感中，所述部分能量的大小通过回路中电感值大小确定；

当功率晶体管截止时，所述串联电感中的储能流经所述直流互感器和并联反向二极管续流释放；所述系统的输出电流值为所述输出整流滤波模块的输出直流电压除以所述直流互感器电阻和电流取样模块电阻和的值；

所述基准信号发生器的输出电压为所述电流取样模块的电阻和拟输出电流的乘积；所述电流取样模块的电阻上的电压与所述基准信号发生器的输出电压共同作为误差放大器的输入信号；将所述误差放大器的输出信号与三角波发生器的输出信号进行调制，产生脉冲宽度调制信号，控制所述高频变换器的功率晶体管的通断，以实现电流发生模块的输出电压调节。

2.如权利要求1所述的一种校准直流互感器的自适应电流发生系统的发生方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)当所述电流取样模块和电压取样模块的输出值达到设定值时，确定所述直流互感器的电阻值；

(2)确定电流输出值所需要投入的所述电流发生模块数量；

(3)根据设定的拟输出电流范围和投入的所述电流发生模块数量确定精确电流输出。

3.如权利要求2所述的发生方法，其特征在于：所述步骤(1)中通过所述控制中心控制所述多路通断开关，使n个电流发生模块中的第一个电流发生模块处于工作状态，其他电流发生模块停止工作，并使电流逐渐增大，使得所述电流取样模块和电压取样模块的输出值达到设定值；当达到设定值时，电流停止增长。

4.如权利要求3所述的发生方法，其特征在于：所述步骤(2)中根据所述直流互感器的电阻值和第一个电流发生模块的输出能力确定电流发生模块数量。

5.如权利要求4所述的发生方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述控制中心根据设定的拟输出电流的范围，由小到大向所述误差放大器输出参考信号。