一种电子式直流互感器暂态特性试验装置及控制方法与流程

本发明涉及互感器检测技术领域，更具体地说，涉及一种电子式直流互感器暂态特性试验装置及控制方法。

背景技术：

柔性直流输电技术是以电压源换流器(vsc)、可关断器件和脉宽调制(pwm)技术为基础的新一代直流输电技术，在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网方面具有较强的技术优势，弥补了传统直流输电的局限性。国家电网公司已经投运了舟山±200kv、厦门±320kv等多条柔性直流输电系统，正在建设张北±500kv、渝鄂背靠背等柔性直流工程。相对于传统高压直流输电系统，柔性直流输电系统的调控能力更强，但是由于柔性直流输电系统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互感器的暂态特性提出了更高的要求。

在相关的国家标准中，均对直流互感器的暂态特性及试验进行了规定。国家标准gb/t26216.1-2010《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》中明确规定电子式直流电流测量装置的阶跃响应上升时间应小于400us。柔性直流输电系统中的直流互感器暂态性能要求更高，阶跃响应上升时间应小于120us。作为柔性直流输电系统直流互感器的电流暂态响应测量系统，系统中的方波电流发生装置阶跃响应上升时间比互感器本身的阶跃响应上升时间还应再小一个数量级，才能确保测量的准确性，即方波电流发生装置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，输出电流峰值要求达到3000a，但是目前缺少相应检测设备，导致直流互感器的暂态特性试验无法正常开展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种电子式直流互感器暂态特性试验装置及控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电子式直流互感器暂态特性试验装置，包括合成回路控制系统、方波电源系统、组合开关、检测装置，所述方波电源系统包括直流陡化电源、陡化电源补偿装置及直流可控电源，所述合成回路控制系统与直流陡化电源、陡化电源补偿装置、直流可控电源三套电源通过网口连接，三套电源的输出端正负级分别并联连接；所述合成回路控制系统用于先计算直流陡化电源、陡化电源补偿装置、直流可控电流源各自的波形基准及合成时序再下发给各个电源装置，控制直流陡化电源、陡化电源补偿装置、直流可控电源按照既定路径再按合成时序输出受控的电流波形；所述直流陡化电源、陡化电源补偿装置用于产生陡化的类指数电流波形；所述直流可控电源用于进行方波电流的补偿；所述组合开关用于控制负载电流的持续时间；所述检测装置用于检测直流方波电流，和记录试验过程数据并返回给所述合成回路控制系统。

在上述方案中，所述合成回路控制系统包括方波电流检测装置、通信装置及上位机控制系统。合成回路控制系统具备误差和修正算法处理能力。

在上述方案中，所述直流可控电源包括三相整流电路、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组成。直流可控电源工作在恒流模式，产生补偿电流及平稳的大电流输出。

在上述方案中，所述组合开关由igbt并联组及其驱动电路组成，所述合成回路控制系统通过切换组合开关的线路通路来调节负载电流的持续时间，保持切断速度达到10微秒以内。

在上述方案中，所述直流陡化电源由高频电压脉冲电源、双掷开关、储能电容、续流二极管和可调电感组成，可产生百微秒级类指数电流波形。陡化电源补偿装置的电路结构与直流陡化电源相似，但内部电容和电感量相对较小，可产生微秒级类指数电流波形。

本发明还提供一种电子式直流互感器暂态特性试验装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤s010，所述合成回路控制系统接收试验指令和指标要求，计算出所需的合成电流波形、直流陡化电源幅值和上升下降时间常数、陡化电源补偿装置幅值和上升下降时间常数、直流可控电源的基准波形曲线，并下发给各个电源装置；

步骤s020，所述直流陡化电源接收控制指令，装载试验参数并待机；

步骤s030，所述直流陡化电源补偿装置接收控制指令，装载试验参数并待机；

步骤s040，所述直流可控电源接收波形基准曲线完成，启动，按照基准曲线的路径跟随波形并输出；

步骤s050，所述直流可控电源在第一个定时点启动直流陡化电源，所述直流陡化电源输出电流；

步骤s060，所述直流可控电源在第二个定时点启动直流陡化电源补偿装置，所述直流陡化电源输出电流；

步骤s070，所述直流陡化电源、陡化电源补偿装置、直流可控电源的输出电流在输出线路上完成波形合成，受线路杂散电容电感参数干扰，产生一个近似于方波的电流波形，该电流波局部形存在畸变；

步骤s080，第一轮试验完成，所述合成回路控制系统完成录波，并将录波波形与试验所需波形对比，计算出两者的波形误差，将该误差计算处理后加入到直流可控电源的波形基准中，让该基准产生一个反向的误差补偿量；

步骤s090，重复上述步骤1～3次，直到输出电流与目标电流波形一致，以此时各个电源装置的控制参数及基准曲线作为该试验点的控制方案。

在本发明中，合成回路控制系统通过对电流波形的计算，控制直流可控电源、直流陡化电源和陡化电源补偿装置产生各自最佳幅值和上升及下降时间常数的电流波形，三路电源的波形通过精确的时序配合，完成波形的合成。但此时合成的波形由于受到线路杂散电感、电容和磁场干扰会产生较大的波形畸变，该畸变的电流波形会在合成后，经检测装置反馈给合成回路控制系统，合成回路控制系统再通过对目标电流和畸变电流误差的计算，将新的波形基准下发给直流可控电源，使其对误差反向补偿。重复以上操作，第二次合成的电流波形会因直流可控电源的输出波形的修正而得到改善。经过多次的修正，得到理想的合成电流波形。

本发明利用直流可控电源、直流陡化电源和陡化电源补偿装置的不同输出特性，合成理想的电流。直流可控电源因其稳定性高，波形平稳、调节速度较慢，电流上升所需时间很大；直流陡化电源输出电流时，上升和下降的时间常数较大，但衰减较快，且不可持续；陡化电源补偿装置能产生理想波形的上升速度，但下降速度极快、不可持续。本发明通过直流陡化电源及其补偿装置产生一个陡化的类指数电流波形保证电流的上升速度和持续时间，再利用直流可控电源进行方波电流的补偿，最后将直流可控电源、直流陡化电源和陡化电源补偿装置的电流进行合成为阶跃方波，以提供上升速率快、平稳可保持的目标电流。

实施本发明一种电子式直流互感器暂态特性试验装置及控制方法，具有以下有益效果：

1、本发明采用直流陡化电源、陡化电源补偿装置、直流可控电源的组合，实现直流互感器暂稳态响应试验所需的电流大、上升快、波形平稳、持续可控的方波波形；

2、本发明的直流陡化电源、陡化电源补偿装置利用电容充放电外加补偿的形式，降低微秒级直流阶跃电流在回路中产生的功率冲击，能有效降低设备的体积和成本；

3、本发明中电流波形的合成过程由合成回路控制系统的内部软件计算完成，操作方便，控制精确度较高，实现了人为试验操作不可能实现的精确控制；

4、本发明中电流波形的修正，是通过重复误差修正、反向补偿抵消负载及回路中的寄生参数及电磁变化带来电流波形的畸变，该方法能极大地提升系统装置的抗干扰能力，适用于大电流试验这种对线路电感、电容、电阻参数稳定要求较高的场合；

5、本发明对电流基线跟随、快速补偿的方法能有效避免对电流输出的超调或欠调，符合直流互感器检测这种对电流波形要求严格的应用场合。

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互感器暂态响应测量用电流发生装置的原理示意图；

图2是本发明实施例中直流陡化电源的电路拓扑图；

图3是本发明实施例中直流可控电源的电路拓扑图；

图4是本发明实施例中方波电流的合成原理示意图；

图5是本发明实施例中直流陡化电源和陡化电源补偿装置的波形合成示意图；

图6是本发明实施例中直流可控电源、直流陡化电源和陡化电源补偿装置的波形合成示意图；

图7是本发明实施例中三电源的波形合成示意图；

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。

如图1所示，本发明提供一种电子式直流互感器暂态特性试验装置，包括合成回路控制系统、方波电源系统、组合开关、检测装置。

方波电源系统包括直流陡化电源、陡化电源补偿装置及直流可控电源。

直流陡化电源、陡化电源补偿装置用于产生陡化的类指数电流波形。直流陡化电源由高频电压脉冲电源、双掷开关、储能电容、续流二极管和可调电感组成，在本实施例中，直流陡化电源的电路结构如图2所示，直流陡化电源包括高频高压电容器充电电源dy1、充电控制开关k1、脉冲功率储能电容c1、大功率脉冲晶闸管d1、续流二极管d2和续流电感l1组成，充电控制开关k1、大功率脉冲晶闸管d1、续流电感l1依次连接在直流电容充电电源dy1的正极端与ect试品之间，大功率脉冲晶闸管d1连接在脉冲功率储能电容c1和续流二极管d2的正极端之间。该直流陡化电源工作时，依靠高频高压电容器充电电源dy1给储能电容c1充电，充电参数由合成回路控制系统下发，充电完成，切断电容c1与高压电容器充电电源dy1之间的通道，输出放电时将开关切换到负载回路，再触发大功率脉冲晶闸管d1，直流陡化电源就输出了指定电流幅值和时间常数的电流波形，输出电流波形的下降时间常数可以通过调节可调电感l1的值进行微调。陡化电源补偿装置与直流陡化电源具有基本相同的结构，仅在储能电容和输出电感的参数上不同，且参数较小，以此保证补偿电流的上升速率。

直流可控电源用于进行方波电流的补偿。直流可控电源包括三相整流电路、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组成。在本实施例中，直流可控电源的电路结构如图3所示，三相交流电压经整流桥(d1～d4)、再经电容(c1～c4)滤波后得到直流电压，经全桥逆变电路(由q1～q4四路igbt开关、高频变压器t组成)变换后得到高频脉冲电压，再由整流器整流及滤波器滤波后得到所需的可调直流电流。直流可控电源在控制上采用硬件pi环控制，对输出稳定性和调节速度有较高要求，保证它在基准电流曲线跟随及误差补偿功能上有足够的速度，再稳定输出具有较小的纹波。

合成回路控制系统包括方波电流检测装置、通信装置及上位机控制系统。合成回路控制系统与直流陡化电源、陡化电源补偿装置、直流可控电源三套电源通过网口连接，三套电源的输出端正负级分别并联连接，三套电源的电流在线路上直接合成，合成效果示意图如图4所示。用于先计算直流陡化电源、陡化电源补偿装置、直流可控电流源各自的波形基准及合成时序再下发给各个电源装置，控制直流陡化电源、陡化电源补偿装置、直流可控电源按照既定路径再按合成时序输出受控的电流波形。

检测装置用于检测直流方波电流，和记录试验过程数据并返回给合成回路控制系统。组合开关由igbt并联组及其驱动电路组成，合成回路控制系统通过切换组合开关的线路通路来调节负载电流的持续时间。

本发明还提供一种电子式直流互感器暂态特性试验装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤s010，合成回路控制系统接收试验指令和指标要求，计算出所需的合成电流波形、直流陡化电源幅值和上升下降时间常数、陡化电源补偿装置幅值和上升下降时间常数、直流可控电源的基准波形曲线，并下发给各个电源装置；

步骤s020，直流陡化电源接收控制指令，装载试验参数并待机；

步骤s030，直流陡化电源补偿装置接收控制指令，装载试验参数并待机；

步骤s040，直流可控电源接收波形基准曲线完成，启动，按照基准曲线的路径跟随波形并输出；

步骤s050，直流可控电源在第一个定时点启动直流陡化电源，直流陡化电源输出电流；

步骤s060，直流可控电源在第二个定时点启动直流陡化电源补偿装置，直流陡化电源输出电流；

步骤s070，直流陡化电源、陡化电源补偿装置、直流可控电源的输出电流在输出线路上完成波形合成，受线路杂散电容电感参数干扰，产生一个近似于方波的电流波形，该电流波局部形存在畸变；

步骤s080，第一轮试验完成，合成回路控制系统完成录波，并将录波波形与试验所需波形对比，计算出两者的波形误差，将该误差计算处理后加入到直流可控电源的波形基准中，让该基准产生一个反向的误差补偿量；

步骤s090，重复上述步骤1～3次，直到输出电流与目标电流波形一致，以此时各个电源装置的控制参数及基准曲线作为该试验点的控制方案。

结合本实施例中图1-3所示的电流发生装置、直流陡化电源、直流可控电源，对方波电流波形的合成过程进行如下详细说明，方波电流波形的合成过程包括以下步骤：

1)完成电源并联接线及系统控制接线，控制组合开关1导通。

2)直流陡化电源和直流陡化电源补偿装置合成，合成方法如图5所示，合成后，形成一个类指数电流波形，波形的上升速度快且下降速度较缓。

3)第二步合成的波形再跟直流可控电源输出电流合成，合成方法如图6所示，合成后，形成一个上升速度快持续平稳的电流波形。

4)试验中让合成电流流过负载后达到持续时间，定时关断组合开关1，而接通组合开关2，让电流迅速转移到旁路，在效果上达到切断负载的作用。

5)方波电流初步合成，方波电流检测装置完成录波。

6)录波后，得到方波电流合成波形，即直流可控电源、直流陡化电源和直流陡化电源补偿装置产生的合成波形。可以发现，上述过程完成电流合成波形效果并不理想，需要对已有波形进行修正，修正方法如图7所示。对于直流陡化电源及其补偿装置合成产生的误差波形，需要在直流可控电流源上产生一个反向补偿量，对于直流可控电源自身产生的误差，也采用相同的方法，这样修正后再次合成电流，会对畸变进行较好的矫正。重复本步骤，可得到近似于理想波形的电流。

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。