CN109560708A - 一种数控高压直流发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控高压直流发生器装置及方法，属于高电压技术与电源技术领域。本发明装置包括：整流模块、滤波稳压电容C1、DC/DC降压模块、滤波稳压电容C2、逆变电路、高频变压器、倍压整流电路、稳压去耦电容C3、电阻分压器和控制驱动系统。本发明为高压直流输电系统用避雷器老化试验电源提供稳定可靠的直流电源，提高了直流发生器的输出电流。本发明能够单独提供直流电源，也可与其他纹波电源串联，组成特殊波形发生器。本发明确保在与其他电源串联工作时，直流输出电压波形保持稳定，具有良好的抗电磁干扰性能。

Description

一种数控高压直流发生装置及方法

技术领域

本发明涉及高电压技术与电源技术领域，并且更具体地，涉及一种数控高压直流发生器装置及方法。

背景技术

电力系统中用于高压直流(HVDC)输电系统的避雷器主要有直流极线避雷器、中性母线避雷器、阀桥避雷器和阀避雷器、直流滤波器避雷器等。在这些避雷器中，直流滤波器避雷器上的电压不存在直流分量，因此可以用交流电压对阀片进行老化试验；中性母线避雷器和直流极线避雷器上的电压基本上是纯直流电压，因此可以用高压直流电压发生器施加纯直流电压对阀片进行老化试验。而阀避雷器和阀桥避雷器上的电压是直流电压和脉动电压的叠加，波形复杂，目前国内外均采用缩小比例的背靠背直流输电系统所产生的阀电压和阀桥电压对阀片进行老化试验。

高压直流系统中避雷器需要按照其实际工况的电压波形进行老化性能试验，国内外相关标准(IEC TS 60071-5-2002、GB/T311.3-2007)规定了换流器用避雷器老化试验波形，如图1所示。标准中还推荐了用缩小比例的直流背靠背电源系统产生上述电压波形的方法，典型的缩比系统带负载时输出的电压波形具有明显的畸变。为了使直流避雷器阀片的老化性能能够在接近实际的电压波形下进行考验，能够得到真实的反映，有必要进行新的试验电源装置的研制。

计算机在数控系统的广泛应用为新的直流避雷器阀片老化试验装置原理提供了坚实的理论依据。首先，用计算机可以产生任意的信号波形，因此完全可以产生HVDC换流器任何一个元件的电压波形。这些数字化波形中包含了两个分量，一个直流分量和一个纹波分量。其中纹波分量经D/A转换成模拟量后可以通过功率放大器进行功率放大和适当的升压，再通过升压变压器进一步升高为可用于试验目的的高电压。其中直流分量则可由数控的高压直流电压发生器直接输出高电压。将数控高压直流电压发生器与升压变压器的高压绕组相串联从理论上即可得到所需的试验电压波形。

如果升压变压器处在高压直流电压发生器的顶部，这种布置方式下，高压直流电压发生器不存在绝缘问题，但是升压变压器的主绝缘需耐受很高的直流电压。为了研制漏电感小的升压变压器，一、二次绕组之间的距离又不能很大，这给升压变压器的研制增加了不小的困难。另外，由于受到功率放大器容量的限制，纹波电压的功率放大和升压需要采用多个功率放大器-升压变压器组的串并联才能实现，这样就需要多个具有较高绝缘水平的升压变压器。因此采用高绝缘水平的升压变压器的选择是不可取的。

升压变压器放置在高压直流电压发生器的下面，即倒换二者的位置，则既可以适当降低功放升压变压器的绝缘水平，又可使其主绝缘承受的电压为交流电压，受控直流电流源也避免了对地高绝缘隔离的问题。这种布置方式下唯一的缺点是高压直流电压发生器内部的升压变压器的绝缘水平需要提高到能够承受功放升压变压器二次输出电压，但是提高这个升压变压器的绝缘水平很容易做到。

根据以往对阀片进行交流老化试验的经验，施加的电压一般较高，荷电率有时会高于100％，电流有功分量的峰值会比较大。为了确保高压直流电压发生器具备充足的电流输出能力，这里确定该装置的直流额定电流输出能力为15mA。直流电压发生器位于纹波升压变压器的顶部，因此该装置需要对地承受一定水平的纹波交变电压。

从以上可知，需要设计一种体积结构紧凑的模块化高压直流发生器，能与上位机通信，能与其他电源串联，且能够处于上部，承受一定的交变电压。电流输出能力达15mA及以上。

市场上常见的高压直流发生器，通常由控制箱、高压倍压筒，微安表、放电棒、高压线、接地线等组成，属分体式结构，无法与其他电源串联，且不能对地承受一定的电压，也不具有通信功能。输出电压值可达数百千伏，但是输出电流通常不超过5mA。因此，已有成熟的高压直流发生器不能满足需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种数控高压直流发生装置，装置包括：

整流模块，所述整流模块接入交流电压并对交流电压进行整流；

滤波稳压电容C1，所述滤波稳压电容C1是对整流后直流电压进行稳压和滤波；

DC/DC降压模块，所述DC/DC降压模块对整流后的直流电压进行降压变换；

滤波稳压电容C2，所述滤波稳压电容C2对降压变换后的直流电压进行稳压滤波；

逆变电路，所述逆变电路是将直流电压转换为高频方波交流电压；

高频变压器，所述高频变压器是将高频方波交流电压以一定变比进行升压；

倍压整流电路，所述倍压整流电路将高频方波交流电压升压整流为直流电压；

稳压去耦电容C3，所述稳压去耦电容C3对倍压整流电路输出的直流电压的进行稳压；

电阻分压器，所述的电阻分压器是将去耦稳压电容C3输出的高电压变为低电压；

控制驱动系统，所述控制驱动系统控制逆变电路开关的关断。

可选的、装置于高电位串联纹波电源、于低电位串联纹波电源或单独使用，电压波形不改变。

可选的、DC/DC降压模块包括一个功率开关管Q1和一个限流电阻R，V1接限流电阻R的一端，电阻R的另外一端接开关管Q1的集电极端，Q1的发射极接电容器C2的高压端，C2的低压端接C1的低压端。C1、C2和开关管Q组成DC/DC降压电路，R为限流电阻，要求通流能力强。

可选的、逆变电路中，开关管选用IGBT或MOSFET功率开关管，并采用50％的固定占空比进行开通和关断。

可选的、稳压去耦电容C3为大容量的电解电容器和高频滤波电容器并联。

可选的、电阻分压器接在数控高压直流发生器的输出端，电阻分压器测量的电压是数控直流发生装置和纹波电源串联后对地输出的总电压。

可选的、总电压包括纹波电源输出的纹波电压和数控直流发生装置输出的直流电压。

可选的、控制驱动系统包括：纹波滤波器、数字控制芯片和脉冲驱动电路。

可选的、纹波滤波器能够滤除50Hz以上的谐波，数字控制芯片采用DSP，脉冲驱动电路采用驱动芯片。

可选的、耦稳压电容C3输出的高电压变为低电压，变比N公式如下：

可选的、高频变压器的绝缘水平能够承受串联的纹波电源输出的最大峰值电压。

可选的、装置还包括：驱动模块，所述驱动模块通过控制驱动系统控制，控制逆变电路开关的关断。

本发明还提供一种数控高压直流发生方法，方法包括：

整流模块接入交流电压并对交流电压进行整流，滤波稳压电容C1对整流后直流电压进行稳压和滤波，DC/DC降压模块对整流后的直流电压进行降压变换，滤波稳压电容C2对降压变换后的直流电压进行稳压滤波；

控制驱动系统控制逆变电路开关的关断，当控制驱动系统控制逆变电路的开关闭合时，逆变电路将直流电压转换为高频方波交流电压，高频变压器将高频方波交流电压以预定变比进行升压，倍压整流电路将高频方波交流电压整流升压为直流电压；

稳压去耦电容C3对倍压整流电路输出的直流电压的进行稳压，电阻分压器是将去耦稳压电容C3输出的高电压变为低电压。

可选的、方法还包括：控制驱动系统通过控制驱动模块，控制逆变电路开关的关断。

本发明为高压直流输电系统用避雷器老化试验电源提供稳定可靠的直流电源，提高了直流发生器的输出电流。

本发明能够单独提供直流电源，也可与其他纹波电源串联，组成特殊波形发生器。

本发明确保在与其他电源串联工作时，直流输出电压波形保持稳定，具有良好的抗电磁干扰性能。

本发明升压变压器的绝缘设计可以使其不接地，承受一定的对地电压。对逆变电路采用固定的占空比控制，开关占空比为50％，推荐采用成熟的单片集成PWM芯片SG3525。倍压整流电路根据输出电压的需要可改变极性和整流倍数。所设计的数控高压直流发生器能够单独使用，也能与其他纹波电源装置串联使用，且能够位于高电位。在与其他纹波电源串联使用时，纹波电压流过高压直流发生器，电阻分压器测量串联的总电源电压，反馈的电压经过滤波器可以将谐波电压滤除，通过滤波和计算，反馈电压中仅存直流电压，通过信号控制，直流发生器输出直流电压并不受影响，与单独使用时输出电压一致。本发明直流输出与纹波输出叠加可以组成任意波形，使得任意波形发生器的设计有了一种全新的思路。

附图说明

图1为本发明一种数控高压直流发生装置结构图；

图2为本发明一种数控高压直流发生方法流程图；

图3为本发明一种数控高压直流发生装置使用接线图；

图4为本发明一种数控高压直流发生装置DC/DC模块结构图；

图5为本发明一种数控高压直流发生装置倍压整流电路原理接线图；

图6为本发明一种数控高压直流发生装置电阻分压器原理图；

其中，1-交流220V电压、2-整流模块、3-滤波稳压电容、4-DC/DC降压模块、5-驱动模块、6、滤波稳压电容、7-逆变电路、8-高频变压器、9-倍压整流电路、10-稳压去耦电容、11-电阻分压器、12-控制驱动系统、13大地、14-外壳、B、C、D、E为接线端子。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本发明提供一种数控高压直流发生装置，如图1所示，包括：

整流模块2，整流模块2通过B和C接线端子接入交流220V电压1并对对交流电压进行整流；

滤波稳压电容C1，所述滤波稳压电容C1是对整流后直流电压进行稳压和滤波；

DC/DC降压模块4，DC/DC降压模块4对整流后的直流电压进行降压变换，DC/DC降压模块4结构，如图4所示，包括一个功率开关管Q1和一个限流电阻R，V1接限流电阻R的一端，电阻R的另外一端接开关管Q1的集电极端，Q1的发射极接电容器C2的高压端，C2的低压端接C1的低压端。C1、C2和开关管Q组成DC/DC降压电路，R为限流电阻，要求通流能力强。

滤波稳压电容C2，滤波稳压电容C2对降压变换后的直流电压进行稳压滤波；

逆变电路7，逆变电路7是将直流电压转换为高频方波交流电压，其中逆变电路7中，开关管选用IGBT或MOSFET功率开关管，并采用50％的固定占空比进行开通和关断；

高频变压器8，高频变压器8是将高频方波交流电压以预定变比进行升压，其中，高频变压器8的绝缘水平能够承受串联的纹波电源输出的最大峰值电压；

倍压整流电路9，如图5所示，倍压整流电路9将高频方波交流电压整流升压为直流电压，电容器C3一端接变压器T的其中一个端，电容C3的另外一端接二极管D1阴极和D2的阳极，电容C4两端接D1的阳极和D2的阴极。D1的阳极接入变压器的另外一端。与C3、C4、D1、D2相同结构的倍压模块可以串联，电容C6对地电压为6U。U为变压器二次侧电压的峰值；

稳压去耦电容10，所述稳压去耦电容10对倍压整流电路输出的直流电压的进行稳压，其中，稳压去耦电容10输出的高电压变为低电压，变比N公式如下：稳压去耦电容10为大容量的电解电容器和高频滤波电容器并联，稳压去耦电容的另一侧接D和E接线端子；

电阻分压器11，如图6所示，电阻分压器11由数个串联的电阻组成，其中R1为高压电阻，R1的高压端直流发生器输出的高压端和端子A，R1的另一端接R2和低压端子A1，R2的另外一端接大地13。电阻11分压器是将去耦稳压电容C3输出的高电压变为低电压，电阻分压器11接在数控高压直流发生器的输出端，电阻分压器测量的电压是数控直流发生装置和纹波电源串联后对地输出的总电压，电阻分压器11接在数控高压直流发生器的输出端，电阻分压器测量的电压是数控直流发生装置和纹波电源串联后对地输出的总电压，总电压包括纹波电源输出的纹波电压和数控直流发生装置输出的直流电压；

控制驱动系统12，所述控制驱动系统12控制逆变电路开关的关断，控制驱动系统12包括：纹波滤波器、数字控制芯片和脉冲驱动电路，其中，纹波滤波器能够滤除50Hz以上的谐波，数字控制芯片采用DSP，脉冲驱动电路采用驱动芯片；

驱动模块5，驱动模块5通过控制驱动系统控制，控制逆变电路开关的关断；

外壳14，外壳置于本发明整体装置的外部。

本发明装置，装置于如图3所示高电位串联纹波电源、于低电位串联纹波电源或单独使用，电压波形不改变。

本发明还提供一种数控高压直流发生方法，如图2所示，方法包括：

整流模块2接入交流电压并对交流电压进行整流，滤波稳压电容C1对整流后直流电压进行稳压和滤波，DC/DC降压模块4对整流后的直流电压进行降压变换，滤波稳压电容C2对降压变换后的直流电压进行稳压滤波；

控制驱动系统12控制逆变电路7开关的关断，当控制驱动系统12控制逆变电路7的开关闭合时，逆变电路7将直流电压转换为高频方波交流电压，高频变压器8将高频方波交流电压以预定变比进行升压，倍压整流电路9将高频方波交流电压整流升压为直流电压；

稳压去耦电容10对倍压整流电路9输出的直流电压的进行稳压，电阻分压器11是将去耦稳压电容输出的高电压变为低电压。

控制驱动系统12通过控制驱动模块5，控制逆变电路7开关的关断。

本发明为高压直流输电系统用避雷器老化试验电源提供稳定可靠的直流电源，提高了直流发生器的输出电流。

本发明能够单独提供直流电源，也可与其他纹波电源串联，组成特殊波形发生器。

本发明确保在与其他电源串联工作时，直流输出电压波形保持稳定，具有良好的抗电磁干扰性能。

本发明升压变压器的绝缘设计可以使其不接地，承受一定的对地电压。对逆变电路采用固定的占空比控制，开关占空比为50％，推荐采用成熟的单片集成PWM芯片SG3525。倍压整流电路根据输出电压的需要可改变极性和整流倍数。所设计的数控高压直流发生器能够单独使用，也能与其他纹波电源装置串联使用，且能够位于高电位。在与其他纹波电源串联使用时，纹波电压流过高压直流发生器，电阻分压器测量串联的总电源电压，反馈的电压经过滤波器可以将谐波电压滤除，通过滤波和计算，反馈电压中仅存直流电压，通过信号控制，直流发生器输出直流电压并不受影响，与单独使用时输出电压一致。本发明直流输出与纹波输出叠加可以组成任意波形，使得任意波形发生器的设计有了一种全新的思路。

Claims (14)

1.一种数控高压直流发生器装置，所述装置包括：

整流模块，所述整流模块接入交流电压并对交流电压进行整流；

滤波稳压电容C1，所述滤波稳压电容C1是对整流后直流电压进行稳压和滤波；

DC/DC降压模块，所述DC/DC降压模块对整流后的直流电压进行降压变换；

滤波稳压电容C2，所述滤波稳压电容C2对降压变换后的直流电压进行稳压滤波；

逆变电路，所述逆变电路是将直流电压转换为高频方波交流电压；

高频变压器，所述高频变压器是将高频方波交流电压以一定变比进行升压；

倍压整流电路，所述倍压整流电路将高频方波交流电压升压整流为直流电压；

稳压去耦电容C3，所述稳压去耦电容C3对倍压整流电路输出的直流电压的进行稳压；

电阻分压器，所述的电阻分压器是将去耦稳压电容C3输出的高电压变为低电压；

控制驱动系统，所述控制驱动系统控制逆变电路开关的关断。

2.根据权利要求1所述的装置，所述的装置于高电位串联纹波电源、于低电位串联纹波电源或单独使用，电压波形不改变。

3.根据权利要求1所述的装置，所述的DC/DC降压模块包括一个功率开关管Q1和一个限流电阻R，V1接限流电阻R的一端，电阻R的另外一端接开关管Q1的集电极端，Q1的发射极接电容器C2的高压端，C2的低压端接C1的低压端，C1、C2和开关管Q1组成DC/DC降压电路，R为限流电阻，要求通流能力强。

4.根据权利要求1所述的装置，所述的逆变电路中，开关管选用IGBT或MOSFET功率开关管，并采用50％的固定占空比进行开通和关断。

5.根据权利要求1所述的装置，所述的稳压去耦电容C3为大容量的电解电容器和高频滤波电容器并联。

6.根据权利要求1所述的装置，所述的电阻分压器接在数控高压直流发生器和纹波电源串联后的输出端，电阻分压器测量的电压是数控直流发生装置和纹波电源串联后对地输出的总电压。

7.根据权利要求6所述的装置，所述的总电压包括纹波电源输出的纹波电压和数控直流发生装置输出的直流电压。

8.根据权利要求1所述的装置，所述的控制驱动系统包括：纹波滤波器、数字控制芯片和脉冲驱动电路。

9.根据权利要求8所述的装置，所述的纹波滤波器能够滤除50Hz及以上的谐波，数字控制芯片采用DSP，脉冲驱动电路采用驱动芯片。

10.根据权利要求8所述的装置，所述的耦稳压电容C3输出的高电压变为低电压，变比N公式如下：

11.根据权利要求1所述的装置，所述的高频变压器的绝缘水平能够承受串联的纹波电源输出的最大峰值电压。

12.根据权利要求1所述的装置，所述的装置还包括：驱动模块，所述驱动模块通过控制驱动系统控制，控制逆变电路开关的关断。

13.一种数控高压直流发生方法，所述方法包括：

整流模块接入交流电压并对交流电压进行整流，滤波稳压电容C1对整流后直流电压进行稳压和滤波，DC/DC降压模块对整流后的直流电压进行降压变换，滤波稳压电容C2对降压变换后的直流电压进行稳压滤波；

控制驱动系统控制逆变电路开关的关断，当控制驱动系统控制逆变电路的开关闭合时，逆变电路将直流电压转换为高频方波交流电压，高频变压器将高频方波交流电压以预定变比进行升压，倍压整流电路将高频方波交流电压升压整流为直流电压；

稳压去耦电容C3对倍压整流电路输出的直流电压进行稳压，电阻分压器是将去耦稳压电容C3输出的高电压变为低电压。

14.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括：控制驱动系统通过控制驱动模块，控制逆变电路开关的关断。