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.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103840674 A (43)申请公布日 2014.06.04 CN 103840674 A (21)申请号 201410075639.6 (22)申请日 2014.03.04 H02M 3/335(2006.01) G01R 35/02(2006.01) (71)申请人 国家电网公司 地址 100031 北京市西城区西长安街 86 号 申请人 中国电力科学研究院 (72)发明人 李金忠 张书琦 汤浩 刘锐 吴超 邓俊宇 (74)专利代理机构 北京安博达知识产权代理有 限公司 11271 代理人 徐国文 (54) 发明名称 一种校准直流互感器的自适应电流发生系统 及。

2、其发生方法 (57) 摘要 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。

3、法简单、 可靠， 采用本 发明技术方案的电流发生器轻便。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103840674 A CN 103840674 A 1/2 页 2 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。

4、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。 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， 其特征在于 ： 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。 3. 如权利要求 2 所述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 述电流发生模块包括 n 个电流发生模块 ； 所述多路通。

5、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。 4. 如权利要求 3 所述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 ； 。

6、所述高频变换器由脉冲宽度调制模块的 输出信号控制。 5. 如权利要求 4 所述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。 6. 如权利要求 4 所述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。

7、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。 7. 如权利要求 6 所述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。

8、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 权 利 要 求 书 CN 103840674 A 2 2/2 页 3 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。 8. 如权利要求 1-7 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。

9、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。 9.如权利要求8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。 10. 如权利要求 9 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。 11.如权利要求10所述的。

10、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。 权 利 要 求 书 CN 103840674 A 3 1/6 页 4 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 ： 0001 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 ： 0002 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、。

11、 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。 0003 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。

12、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。 0004 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。 0005 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 ： 0006 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。

13、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。 0007 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 ； 0008 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。

14、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。 0009 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 说 明 书 CN 103840674 A 4 2/6 页 5 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。 0010 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。 0011 本发明提供的另一优选的一种校准直流互感器的自。

15、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 ； 0012 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。 0013 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 ；。

16、 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。 0014 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 ； 0015 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。

17、过回路中电感值大小确定 ； 0016 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。 0017 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。

18、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。 0018 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 ： 0019 （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 ； 0020 （2） 确定电流输出值所需要投入的所述电流发生模块数量 ； 0021 （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。 0022 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。

19、发生模块处于工作状态， 说 明 书 CN 103840674 A 5 3/6 页 6 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。 0023 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。 0024 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。 0025 和最接近的现有技术比， 本发明提供技术方案具有以。

20、下优异效果 0026 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 ； 0027 2、 本发明的方法可用于超高压、 特高压直流互感器的校准 ； 0028 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 ； 0029 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 0030 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 ； 0031 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 0032 下面结合实施例对发明作进一步的详。

21、细说明。 0033 实施例 1 ： 0034 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 ； 0035 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。

22、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。 0036 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。 0037 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、 2n。 0038 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。

23、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 说 明 书 CN 103840674 A 6 4/6 页 7 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。 0039 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 20kH。

24、z 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。 0040 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 10H， 并联滤波电容取 4700F。 0041 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。

25、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。 0042 0043 式 （1） 中 tON为一个周期内功率晶体管导通时间， tOFF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。 0044 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 U。

26、3。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 （RL） 和电 流取样模块电阻 （RP） 之和的比值。 0045 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 （RP） 取 125。 0046 所述基准信号发生器的输出电压 （UQ）为电流取样模块电阻 （RP）和拟输出电流 （IQ） 的乘积。所述电流取样模块电阻 （RP） 上的电压与所述基准信号发生器的输出电压 （UQ） 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。

27、， 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。 0047 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RL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。

28、电流发生模块数 m ： 0048 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 说 明 书 CN 103840674 A 7 5/6 页 8 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 RL、 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。 0049 包括以上电流发生系统的发生方法包括以下步骤 ： 0050 （1。

29、） 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 ； 0051 （2） 确定电流输出值所需要投入的所述电流发生模块数量 ； 0052 （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。 0053 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。 0054 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。

30、生模块的输出能力 确定电流发生模块数量。 0055 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。 0056 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。 0057 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 ： 0058 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。

31、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 200 ； 0059 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 200， 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 ： 0060 0061 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。

32、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。 0062 输出电流的误差如下表 ： 0063 说 明 书 CN 103840674 A 8 6/6 页 9 0064 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。 说 明 书 CN 103840674 A 9 1/1 页 10 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103840674 A 10 。