CN108646207A - 直流电流测量装置电流阶跃标准源试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电流测量装置电流阶跃响应试验标准源，包括上位机、标准源控制模块，直流恒流源功率模块、储能电感、第一回路IGBT开关、第二回路IGBT开关、IGBT驱动单元、IGBT RCD缓冲电路、大电流续流二极管。本发明的试验标准源可根据国标要求，实现对直流电流测量装置的阶跃响应试验，通过两组IGBT开关切换恒流源输出电流回路的方法，解决了直流稳态电流源输出电流上升时间缓慢，脉冲功率型冲击电流源输出电流衰减迅速而都无法用于作为直流测量装置电流阶跃响应试验标准源的问题，实现了阶跃响应试验对标准源微秒级上升时间和毫秒级持续时间的双重要求，而且能精确灵活的调整和配置阶跃电流峰值、电流维持时间等重要参数。

Description

直流电流测量装置电流阶跃标准源试验装置和方法

技术领域

本发明涉及电气行业的高试与计量技术，更具体地说，涉及一种直流电流测量装置电流阶跃标准源试验装置和方法。

背景技术

直流测量装置是直流输电系统的重要一次设备，主要作用是测量直流输电系统的一次电压、电流，直流测量装置测量结果的准确可靠，直接关系到直流电能计量结果的准确可靠和直流输电系统的安全稳定运行。我国直流输电技术起步较晚，直流输电工程中早期基本都是采用进口设备，直流测量装置也是如此，直流测量装置的性能指标都是被动接受。南方电网公司在国内最先编写了直流测量装置企标，与ABB的试验参数基本相同，2010年西安高压电器研究所和南方电网技术研究中心负责制定了高压直流输电系统直流测量装置的国家标准，标准中明确规定了直流测量装置的准确级和阶跃响应性能指标，并且西高所建立了直流互感器的型式试验能力和资质。近年来，高压直流输电系统直流测量装置逐步实现国产化且制造水平不断提高，直流测量的直流量准确度现场校准试验，也已经在±500kV和±800kV直流输电工程中顺利实现。但是国标中规定的阶跃响应试验受试验装备和试验方法限制还无法实施。特别在柔性直流输电系统中直流侧故障时的回路阻抗非常小，容易在瞬时产生很大的故障电流，所以为了提高柔性直流系统的响应速度，抑制故障电流，提高电力系统的安全稳定性，需要控制保护信号具有更快的采样速度和更宽的频带宽度，这对柔性直流输电用直流测量装置的阶跃特性提出了更高的要求。

在相关的国家标准中，均对直流互感器的阶跃特性及试验进行了规定。如国家标准GBT 26216.1-2010《高压直流输电系统直流电流测量装置第1部分：电子式直流电流测量装置》中就明确规定了直流电流测量装置的阶跃响应性能要求：最大过冲应小于20％，上升时间(达到阶跃值90％的时间)应小于400us，趋稳时间(幅值误差不超过阶跃值1.5％)应小于5ms.作为直流输电系统直流测量装置的电流阶跃响应测量系统，系统中电流阶跃响应试验标准源的阶跃响应上升时间应比测量装置本身的阶跃响应上升时间再小一个数量级，才能确保测量的准确性和有效性，即电流阶跃响应试验标准源输出电流阶跃响应上升时间应达到10us量级，并且脉宽需大于5ms，输出电流幅值要求达到3000A，但是目前缺少相应的测量系统，特别是标准源设备，导致直流测量装置的阶跃特性试验无法按照国家标准要求正常开展。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术提出的问题，提出一种电流阶跃响应试验标准源及控制方法，解决了直流稳态电流源输出电流上升时间缓慢，脉冲功率型冲击电流源输出电流衰减迅速而都无法用于作为直流测量装置电流阶跃响应试验标准源的问题，实现了阶跃响应试验对标准源十微秒级上升时间和毫秒级持续时间的双重要求，所述标准源满足高压直流输电系统直流电流测量装置阶跃特性的检测需求，解决直流电流测量装置阶跃响应试验受试验装备和试验方法限制还无法实施的难题，同时，所述标准源能精确灵活的调整和配置阶跃电流峰值、电流维持时间等重要参数，提高了试验的自动化程度。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种直流电流测量装置电流阶跃标准源试验装置，包括上位机、标准源控制模块，直流恒流源功率模块、储能电感、第一回路IGBT开关、第二回路IGBT开关、IGBT驱动单元、IGBT RCD缓冲电路和大电流续流二极管；

其中，直流恒流源功率模块输出端的正极与储能电感输入端相连，储能电感的输出端同时与第一回路IGBT开关、第二回路IGBT开关的输入端相连，第一回路IGBT开关的输出端接回直流恒流源的输出端的负极，第二回路IGBT开关的输出端与大电流续流二极管的负极相连，大电流续流二极管的正极接回直流恒流源的输出端的负极；

所述上位机连接所述标准源控制模块，用于供用户配置方波电流输出参数并下发给标准源控制模块执行电流输出操作；其中，上位机操作至少包括对上位机的通信控制、电流幅值设置、电流脉宽设置、开关机、标准波形显示；

所述标准源控制模块包括直流恒流源控制模块，IGBT开关控制模块和上位机通信模块；

所述直流恒流源功率模块包括三相整流电路、DC/AC高频逆变电路、高频整流电路、输出滤波电路以及控制保护电路；功率变换模块为IGBT高频PWM变换功率模块，直流恒流源控制模块集成在电流阶跃响应试验标准源的控制模块之中，三相交流电经过三相不控整流、DC/AC高频逆变、高频变压器输出再经过倍流整流、滤波最终得到所需低压大电流直流输出；直流恒流源功率模块可实现3kA及以下长时间稳态直流电流输出。

其中，所述IGBT开关的开通延迟时间小于1微秒，第一回路IGBT开关采用串联均压方式，根据电流变化率和负载电感的大小计算最大端电压(U＝L*(di/dt))，通过改变IGBT串联的个数提供耐压等级，保证在切换瞬间器件的安全性。

其中，所述储能电感由两个或多个电感并联组成，以减小回路阻抗。

其中，标准源输出端配置有大电流续流二极管，续流二极管与负载构成续流回路，避免当第一回路IGBT开关组再次开通，第二回路IGBT开关关断时，由于负载电感的存在，回路电流减小时产生的过电压造成IGBT损坏。

其中，试验装置输出满足直流电流测量装置额定值及以下方波电流的系列试验要求，并满足上升时间小于10us，维持时间大于5ms的大电流输出能力，最大暂态输出电流响应数率达到3kA/10uS。

其中，所述试验装置通过上位机设置阶跃电流峰值及电流维持时间，以满足不同试验的要求。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种直流电流测量装置电流阶跃标准源试验方法，包括：

步骤1：首先通过上位机设置电流幅值、电流脉宽参数，开机后，由直流恒流源控制模块控制恒流源功率模块，使试验标准源工作在恒流输出状态；

步骤2：触发第一回路IGBT开关，使支路1持续导通；然后触发导通第二回路IGBT开关，在2微秒后，第二回路IGBT开关处于完全导通状态，再关闭第一回路IGBT开关，避免恒流电流源出现瞬时开路状态；

步骤3：第二回路IGBT开关导通后，电流源输出电流开始分流，此时支路2电流上升速度取决于线路寄生电感和端口电压，由于线路电感较大且端口电压被钳位，支路2电流不会立刻明显上升，只有微小变化；第一回路IGBT开关关断后，输出电流开始完全切换到第二回路IGBT开关上，此时电流上升速度理论上取决于第一回路IGBT开关的关断速度，而实际上电流上升速度还是取决于线路寄生电感和端口电压，此时端口电压未被钳位，支路2的补偿电流以微秒级的速度快速上升至稳态，稳态电流值为恒流源输出电流；

步骤4：按照上位机操作预先设定的方波电流输出脉宽要求，在到达要求的脉宽时间时刻，将第一回路IGBT开关开通，然后在2微秒后将第二回路IGBT开关关断，恒流电流输出被切换到第一回路，用于为直流电流测量装置提供方波阶跃响应电流的第二回路中电流幅值降为零，将最终形成所需要脉宽的方波波形。

其中，上位机操作至少包括对上位机的通信控制、电流幅值设置、电流脉宽设置、开关机、标准波形显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明技术方案中，采用直流恒流电流源先进入稳定输出工作状态，再采用两组IGBT切换开关切换的方法，解决了现有直流恒流电流源输出电流上升时间长，脉冲功率型冲击电流源输出电流衰减快而都无法用于作为直流测量装置电流阶跃响应试验装置的问题，为直流测量装置电流阶跃响应试验装置的实现提供了实用的设计方案；

2、本发明技术方案为目前直流输电系统直流测量装置因缺少相应的测量系统，导致直流测量装置阶跃特性试验无法按照国家标准要求正常开展的现状扫清了技术障碍；

3、本发明技术方案，有利于大电流阶跃特性试验装置的小型化和轻量化，为直流测量装置的阶跃特性试验在换流站现场实施提供了必要条件；

4、本发明技术方案中，通过上位机控制系统，精确灵活的调整和配置阶跃电流峰值、电流维持时间等重要参数，提高了试验的自动化程度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中直流电流测量装置电流阶跃标准源试验装置的工作原理示意图；

图2是本发明实施例中直流恒流源功率模块的原理示意图；

图3是本发明实施例中试验标准源微秒级上升时间阶跃电流试验波形图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本实施例中提供的直流电流测量装置电流阶跃标准源试验装置原理如图1所示，由标准源控制模块，直流恒流源功率模块、储能电感、第一回路IGBT开关、第二回路IGBT开关、IGBT驱动单元、IGBT RCD缓冲电路、大电流续流二极管组成。直流恒流源功率模块输出端的正极与储能电感输入端相连，储能电感的输出端同时与第一回路IGBT开关、第二回路IGBT开关的输入端相连，第一回路IGBT开关的输出端接回直流恒流源的输出端的负极，第二回路IGBT开关的输出端与大电流续流二极管的负极相连，大电流续流二极管的正极接回直流恒流源的输出端的负极。

标准源控制模块包括直流恒流源控制模块、回路IGBT开关控制模块和上位机通信模块。

直流恒流源功率模块由三相整流电路、DC/AC高频逆变电路、高频整流电路、输出滤波电路以及控制保护电路组成，如图2所示；功率变换模块为IGBT高频PWM变换功率模块，直流恒流源的控制模块集成在电流阶跃响应试验标准源的控制模块之中，三相交流电经过三相不控整流、DC/AC高频逆变、高频变压器输出再经过倍流整流、滤波最终得到所需低压大电流直流输出；直流恒流源功率模块可实现3kA及以下长时间稳态直流电流输出。

标准源输出端配置有大电流续流二极管，续流二极管可与负载构成续流回路，避免当第一回路IGBT开关组再次开通，第二回路IGBT开关关断时，由于负载电感的存在，回路电流减小时产生的过电压造成IGBT损坏。

直流电流测量装置电流阶跃响应标准源的控制流程如下：

步骤1：首先通过上位机设置电流幅值、电流脉宽参数，开机后，由直流恒流源控制模块控制恒流源功率模块，使试验标准源工作在恒流输出状态。

步骤2：触发第一回路IGBT开关,使支路1持续导通。然后触发导通第二回路IGBT开关,在2微秒后，第二回路IGBT开关处于完全导通状态，再关闭第一回路IGBT开关，避免恒流电流源出现瞬时开路状态。

步骤3：第二回路IGBT开关导通后，电流源输出电流开始分流，此时支路2电流上升速度取决于线路寄生电感和端口电压，由于线路电感较大且端口电压被钳位，支路2电流不会立刻明显上升，只有微小变化。第一回路IGBT开关关断后，输出电流开始完全切换到第二回路IGBT开关上，此时电流上升速度理论上(线路均为理想参数)取决于第一回路IGBT开关的关断速度，而实际上电流上升速度还是取决于线路寄生电感和端口电压，此时端口电压未被钳位，支路2的补偿电流以微秒级的速度快速上升至稳态，稳态电流值为恒流源输出电流。

步骤4：按照上位机操作预先设定的方波电流输出脉宽要求，在到达要求的脉宽时间的时刻，将第一回路IGBT开关开通，然后将第二回路IGBT开关关断，最终形成所需要脉宽的方波波形。

如图3所示，给出了微秒级上升时间长脉宽阶跃电流的试验波形。总电流上升时间由第二回路IGBT开关切换时间和IGBT RCD缓冲电路中的电容参数共同决定。

直流电流测量装置电流阶跃响应标准源可实现输出满足直流电流测量装置额定值(如3kA)及以下方波电流的系列试验要求，具备提供上升时间小于10us，维持时间大于5ms的阶跃大电流输出能力，最大暂态输出电流响应数率优于3kA/10uS；

直流电流测量装置电流阶跃响应标准源可通过上位机软件灵活设置阶跃电流峰值、电流维持时间等重要参数。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种直流电流测量装置电流阶跃标准源试验装置，其特征在于：包括上位机、标准源控制模块，直流恒流源功率模块、储能电感、第一回路IGBT开关、第二回路IGBT开关、IGBT驱动单元、IGBT RCD缓冲电路和大电流续流二极管；

其中，直流恒流源功率模块输出端的正极与储能电感输入端相连，储能电感的输出端同时与第一回路IGBT开关、第二回路IGBT开关的输入端相连，第一回路IGBT开关的输出端接回直流恒流源的输出端的负极，第二回路IGBT开关的输出端与大电流续流二极管的负极相连，大电流续流二极管的正极接回直流恒流源的输出端的负极；

所述上位机连接所述标准源控制模块，用于供用户配置方波电流输出参数并下发给标准源控制模块执行电流输出操作；

所述标准源控制模块包括直流恒流源控制模块，IGBT开关控制模块和上位机通信模块；

所述直流恒流源功率模块包括三相整流电路、DC/AC高频逆变电路、高频整流电路、输出滤波电路以及控制保护电路；功率变换模块为IGBT高频PWM变换功率模块，直流恒流源控制模块集成在电流阶跃响应试验标准源的控制模块之中，三相交流电经过三相不控整流、DC/AC高频逆变、高频变压器输出再经过倍流整流、滤波最终得到所需低压大电流直流输出；直流恒流源功率模块可实现3kA及以下长时间稳态直流电流输出。

2.如权利要求1所述的直流电流测量装置电流阶跃标准源试验装置，其特征在于：

所述IGBT开关的开通延迟时间小于1微秒，第一回路IGBT开关采用串联均压方式，根据电流变化率和负载电感的大小计算最大端电压(U＝L*(di/dt))，通过改变IGBT串联的个数提供耐压等级，保证在切换瞬间器件的安全性。

3.如权利要求1所述的直流电流测量装置电流阶跃标准源试验装置，其特征在于：

所述储能电感由两个或多个电感并联组成，以减小回路阻抗。

4.如权利要求1所述的直流电流测量装置电流阶跃标准源试验装置，其特征在于：

标准源输出端配置有大电流续流二极管，续流二极管与负载构成续流回路，避免当第一回路IGBT开关组再次开通，第二回路IGBT开关关断时，由于负载电感的存在，回路电流减小时产生的过电压造成IGBT损坏。

5.如权利要求1所述的直流电流测量装置电流阶跃标准源试验装置，其特征在于：

试验装置输出满足直流电流测量装置额定值及以下方波电流的系列试验要求，并满足上升时间小于10us，维持时间大于5ms的大电流输出能力，最大暂态输出电流响应数率达到3kA/10uS。

6.如权利要求1所述的直流电流测量装置电流阶跃标准源试验装置，其特征在于：

所述试验装置通过上位机设置阶跃电流峰值及电流维持时间，以满足不同试验的要求。

7.一种权利要求1所述直流电流测量装置电流阶跃标准源试验方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：首先通过上位机设置电流幅值、电流脉宽参数，开机后，由直流恒流源控制模块控制恒流源功率模块，使试验标准源工作在恒流输出状态；

步骤2：触发第一回路IGBT开关，使支路1持续导通；然后触发导通第二回路IGBT开关，在2微秒后，第二回路IGBT开关处于完全导通状态，再关闭第一回路IGBT开关，避免恒流电流源出现瞬时开路状态；

步骤3：第二回路IGBT开关导通后，电流源输出电流开始分流，此时支路2电流上升速度取决于线路寄生电感和端口电压，由于线路电感较大且端口电压被钳位，支路2电流不会立刻明显上升，只有微小变化；第一回路IGBT开关关断后，输出电流开始完全切换到第二回路IGBT开关上，此时电流上升速度理论上取决于第一回路IGBT开关的关断速度，而实际上电流上升速度还是取决于线路寄生电感和端口电压，此时端口电压未被钳位，支路2的补偿电流以微秒级的速度快速上升至稳态，稳态电流值为恒流源输出电流；

步骤4：按照上位机操作预先设定的方波电流输出脉宽要求，在到达要求的脉宽时间时刻，将第一回路IGBT开关开通，然后在2微秒后将第二回路IGBT开关关断，恒流电流输出被切换到第一回路，用于为直流电流测量装置提供方波阶跃响应电流的第二回路中电流幅值降为零，将最终形成所需要脉宽的方波波形。

8.根据权利要求7所述的直流电流测量装置电流阶跃标准源试验方法，其特征在于，上位机操作至少包括对上位机的通信控制、电流幅值设置、电流脉宽设置、开关机、标准波形显示。