CN108574400B - 一种交直流混合大范围可调实验电源及其控制方法 - Google Patents

一种交直流混合大范围可调实验电源及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子设备技术，尤其涉及一种交直流混合大范围可调实验电源及其控制方法。一种交直流混合大范围可调实验电源，包括启动与变压器柜、功率单元柜、滤波与放电柜；启动与变压器柜依次连接功率单元柜和滤波与放电柜；该实验电源采用多重化拓扑结构与控制策略，可输出交流、直流、交直流混合电压；通过部分逆变单元的旁路，保证投入逆变单元数与输出电压峰值的匹配，保证大范围调节时的输出电压精度；拓扑结构成熟可靠，模块化设计，易于检修与维护。

Description

一种交直流混合大范围可调实验电源及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子设备技术领域，尤其涉及一种交直流混合大范围可调实验电源及其控制方法。
背景技术
不同的电力设备在投入运行之前都需要对其性能进行检测，而电力设备的种类多种多样，对其测试的电源提出了不同的要求。
首先，根据被测对象电源的不同，测试电源还可分为交流电源与直流电源。交流滤波电容器、电抗器、变压器等需要交流电源测试，直流滤波电容器等直流设备需要直流电源。因此，不同的电力设备需要测试时，通常要更换不同的测试电源。
其次，不同电压等级设备需要不同电压等级的测试电源。受限于电源原理的限制，测试电源往往只在标称的额定电压附近才能保证输出的精度。因此，需要配置不同电压等级的测试电源，以便适用不同电压等级的电力设备。
因此，研制交直流混合、且在较大调节范围内均能达到优良的输出精度的测试电源，具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种交直流混合大范围可调实验电源，可输出峰值为0-36kV的交流、直流、交直流电压。
本发明的第二个目的是提供交直流混合大范围可调实验电源的控制方法。
为实现上述第一个目的，本发明采用的技术方案是：一种交直流混合大范围可调实验电源，包括启动与变压器柜、功率单元柜、滤波与放电柜；启动与变压器柜依次连接功率单元柜和滤波与放电柜。
在上述的交直流混合大范围可调实验电源中，启动与变压器柜包括预充电回路，以及与预充电回路串联的多绕组变压器。
在上述的交直流混合大范围可调实验电源中，启动与变压器柜分为4组，分别与4组功率单元柜连接，每组功率单元柜包括12个功率单元，其中，1组采用600V功率单元，另外3组采用900V功率单元；功率单元均采用背靠背拓扑结构，通过整流桥维持直流侧电压，通过逆变桥输出交、直流电压。
在上述的交直流混合大范围可调实验电源中，整流桥采用二极管作为开关管的不控整流桥或采用IGBT作为开关管的可控整流桥；逆变桥采用IGBT作为开关管。
在上述的交直流混合大范围可调实验电源中，滤波与放电柜包括LC滤波回路，放电电阻及放电接触器；放电电阻与放电接触器串联后，与滤波电容并联。
为实现本发明的第二个目的，采用的技术方案是：一种交直流混合大范围可调实验电源的控制方法，包括大范围输出时的电源控制策略，和交直流电压混合输出的实现方法。
在上述的交直流混合大范围可调实验电源的控制方法中，大范围输出时的电源控制策略包括根据输出电压范围，旁路部分功率单元逆变输出，保证逆变投入单元数量及电压等级的匹配。
在上述的交直流混合大范围可调实验电源的控制方法中，交直流电压混合输出的实现方法包括：
1)直接采用交流、直流或交直流混合信号作为逆变侧输出的调制波，通过单元级联、高频PWM调制实现电压输出；
2)通过控制部分功率单元逆变桥的开关管持续开通，阶梯输出直流电压；交流输出通过控制部分功率单元逆变桥PWM调制，连续输出交流电压；直流输出与交流输出串联实现混合输出。
本发明的有益效果是：交直流混合大范围可调试验电源，采用多重化拓扑结构与控制策略，可输出交流、直流、交直流混合电压；通过部分逆变单元的旁路，保证投入逆变单元数与输出电压峰值的匹配，保证大范围调节时的输出电压精度；拓扑结构成熟可靠，模块化设计，易于检修与维护。
附图说明
图1为本发明一个实施例交直流混合大范围可调实验电源电路拓扑图(可控整流)；
图2为本发明一个实施例交直流混合大范围可调实验电源电路拓扑图(不控整流)；
图3为本发明一个实施例600V不控整流功率单元电路拓扑图；
图4为本发明一个实施例900V不控整流功率单元电路拓扑图；
图5为本发明一个实施例600V可控整流功率单元电路拓扑图；
图6为本发明一个实施例900V可控整流功率单元电路拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施案例，可分为采用可控整流和采用不控整流两种方案，分别如图1和图2所示。当采用图1所示的可控整流方案时，实验电源具有能量回馈功能。
具体通过以下技术方案实现：
实验电源包括启动与变压器柜、功率单元柜、滤波与放电柜。
启动与变压器柜包括预充电回路，以及与预充电回路串联的多绕组变压器。启动与变压器柜共分为四组，分别与四组功率单元柜相连。功率单元柜每组含12个功率单元；其中1组采用12个600V功率单元，另外3组分别采用12个900V功率单元；功率单元均采用背靠背拓扑结构，通过整流桥维持直流侧电压，通过逆变桥输出交、直流电压。滤波与放电柜包括LC滤波回路，放电电阻及放电接触器；放电电阻与放电接触器串联后，与滤波电容并联。
电源的启动过程如下：如图1与图2所示，通过预充电回路给直流侧电容充电，充电完毕后与充电电阻并联的继电器自动吸合。功率单元整流侧通过不控整流或可控整流建立直流电压。功率单元逆变侧采用输出端首尾相连的级联形式，为级联以后的总输出。采用LC滤波回路，滤除PWM调制过程中产生的开关频率次高频谐波，为实验电源的输出。
电源的停机过程如下：如图1与图2所示，通过断开试品回路等将电源输出降至零后，封锁功率单元功率器件脉冲。分闸启动与变压器柜内主回路接触器KM1-KM8。合闸滤波与放电柜内放电回路接触器，直至滤波电容电压降至安全范围。
图3所示，为600V不控整流功率单元电路拓扑图；图4所示，为900V不控整流功率单元电路拓扑图；图5所示，为600V可控整流功率单元电路拓扑图；图6所示，为900V可控整流功率单元电路拓扑图。
不控整流功率单元采用二极管整流，可控整流功率单元采用IGBT整流。功率单元都采用背靠背拓扑结构，包括整流侧、直流电容和逆变侧。整流侧由S1、S2、S3、S4、S5和S6一共6个开关管组成，600V功率单元直流电容参数选为，电容值7560uF、额定电压900V；900V功率单元直流电容参数选为，电容值7560uF、额定电压1100V。逆变侧由可控开关器件T1、T2、T3和T4一共4个可控开关器件构成：T1和T3为左桥臂，T2和T4为右桥臂；T1、T2(T3、T4)为左右桥臂的同一侧。
功率单元逆变侧旁路策略，即控制功率单元逆变侧T1、T3为始终开通状态，于此同时T2、T4为始终关断状态。(或控制功率单元逆变侧T2、T4为始终开通状态，于此同时T1、T3为始终关断状态。)
交直流电压混合输出的实现方法包括以下两种：
方法一：直接采用交流、直流或交直流混合信号作为逆变侧输出的调制波，通过单元级联、高频PWM调制实现电压输出。投入数量调整策略如下：当输出电压峰值500V以下时，除一个600V功率单元外，其它功率单元逆变侧软旁路；当输出电压峰值500V至6.0kV时，在12个600V功率单元内按比例选取投入单元数，其他功率单元逆变侧软旁路，投入功率单元数＝取整[输出电压/500V]+1；当输出电压峰值6.0kV至16kV时，最多在12个600V单元+12个900V单元内合理选取单元，其他单元软旁路；当输出电压峰值16kV至26kV时，最多在12个600V单元+24个900V单元内合理选取单元，其他单元软旁路；当输出电压峰值26kV至36kV时，最多在12个600V单元+36个900V单元内合理选取单元，其他单元软旁路。
方法二：通过控制部分功率单元逆变桥的开关管持续开通，阶梯输出直流电压；交流输出通过控制部分功率单元逆变桥PWM调制，连续输出交流电压；直流输出与交流输出串联实现混合输出。大范围输出时，交流部分的功率单元投入数量调整策略与方法一一致。直流部分的功率单元投入数量调整策略如下：当直流输出0kV至10.8kV时，最多在12个900V单元内合理选取单元；当直流输出10.8kV至21.6kV时，最多在24个900V单元内合理选取单元；当直流输出21.6kV至32.4kV时，最多在24个900V单元内合理选取单元。600V也可以参与上述电压等级的组合，从而实现更密的直压输出阶梯。当600V单元和900V单元均参与组合时，可得到(600n+900m)V(0≤n≤12，0≤m≤36且都为整数)的阶梯式输出直压。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种交直流混合大范围可调实验电源，其特征是，包括启动与变压器柜、功率单元柜、滤波与放电柜；启动与变压器柜依次连接功率单元柜和滤波与放电柜；启动与变压器柜包括预充电回路，以及与预充电回路串联的多绕组变压器，启动与变压器柜分为4组，分别与4组功率单元柜连接，每组功率单元柜包括12个功率单元，其中1组采用600V功率单元，另外3组采用900V功率单元；功率单元均采用背靠背拓扑结构，包括整流侧、直流电容和逆变侧，整流侧由第一～第六开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6组成，逆变侧由第一～第四可控开关器件T1、T2、T3、T4构成：第一和第三可控开关器件T1、T3为左桥臂，第二和第四可控开关器件T2、T4为右桥臂；第一、第二可控开关器件T1、T2和第三、第四可控开关器件T3、T4分别位于左右桥臂的同一侧；通过整流桥维持直流侧电压，通过逆变桥输出交、直流电压；滤波与放电柜包括LC滤波回路，放电电阻及放电接触器；放电电阻与放电接触器串联后，与滤波电容并联；整流桥采用二极管作为开关管的不控整流桥或采用IGBT作为开关管的可控整流桥；逆变桥采用IGBT作为开关管。
2.如权利要求1所述交直流混合大范围可调实验电源的控制方法，其特征是，包括直接采用交流、直流或交直流混合信号作为逆变侧输出的调制波，通过单元级联、高频PWM调制实现电压输出；投入数量调整策略如下：当输出电压峰值500V以下时，除一个600V功率单元外，其它功率单元逆变侧软旁路；当输出电压峰值500V至6.0kV时，在12个600V功率单元内按比例选取投入单元数，其他功率单元逆变侧软旁路，投入功率单元数＝取整[输出电压/500V]+1；当输出电压峰值6.0kV至16kV时，最多在12个600V单元+12个900V单元内合理选取单元，其他单元软旁路；当输出电压峰值16kV至26kV时，最多在12 个600V单元+24个900V单元内合理选取单元，其他单元软旁路；当输出电压峰值26kV至36kV时，最多在12个600V单元+36个900V单元内合理选取单元，其他单元软旁路。
3.如权利要求1所述的交直流混合大范围可调实验电源的控制方法，其特征是，通过控制部分功率单元逆变桥的开关管持续开通，阶梯输出直流电压；交流输出通过控制部分功率单元逆变桥PWM调制，连续输出交流电压；直流输出与交流输出串联实现混合输出；直流部分的功率单元投入数量调整策略如下：当直流输出0kV至10.8kV时，最多在12个900V单元内合理选取单元；当直流输出10.8kV至21.6kV时，最多在24个900V单元内合理选取单元；当直流输出21.6kV至32.4kV时，最多在24个900V单元内合理选取单元；600V亦可参与上述电压等级的组合，从而实现更密的直压输出阶梯；当600V单元和900V单元均参与组合时，可得到(600n+900m)V, 0≤n≤12，0≤m≤36且都为整数, 的阶梯式输出直压。
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