專利名稱：一種高電位直流電壓取能電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高電位直流電壓取能電源。
背景技術(shù)：
隨著我國“西電東送”戰(zhàn)略的實施和互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模的擴大，電壓穩(wěn)定問題尤為突 出。東南沿海形成的超大型負荷中心存在的主要問題是動態(tài)無功支撐日益不足。近二十年 來，世界各地由電壓穩(wěn)定和電壓崩潰引發(fā)的大面積停電事故，在我國電壓崩潰事故也多次 發(fā)生。采用靜止同步無功補償器(STATCOM，Static Synchronous Compensator)是解決這 些問題的有效措施之一，它在提高線路輸送能力、阻尼功率振蕩、增強系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面具 有優(yōu)越性能，STATCOM在輸電網(wǎng)中已完全進入實用階段。其中，高電位直流電壓取能技術(shù)是 輸電網(wǎng)STATCOM研發(fā)的核心技術(shù)之一，輸電網(wǎng)STATCOM的電壓等級高，電子電路和閥體位于 高電位。閥體控制用電子電路若采用交流取能、高頻送能和激光送能等方式不能很好的滿 足STATCOM裝置緊湊型設(shè)計及長期穩(wěn)定運行的要求。因此，需要設(shè)計一種能夠滿足STATCOM 單元變流器的緊湊型設(shè)計和長期穩(wěn)定供能要求的高電位直流電壓取能電源。本發(fā)明所設(shè)計的直流電壓取能電源具有良好的電氣隔離，能夠滿足高電位電子電 路供電要求；能夠在較寬范圍的直流輸入電壓條件下穩(wěn)定工作；啟動速度快，可在直流電 壓輸入較低的情況下保持穩(wěn)定的額定輸出；抗干擾性好，能夠在惡劣電磁環(huán)境下正常工作； 直流取能電源體積小，可以滿足裝置的緊湊型設(shè)計。本發(fā)明的高電位直流電壓取能電源，在試驗中取得了良好的效果。本項技術(shù)的成 功開發(fā)，解決了 STATCOM單元變流器中控制電路的高電位取能問題，有效保障了控制電路 的穩(wěn)定可靠供電。同時，直流取能電路體積小，有利于單元變流器的緊湊型設(shè)計。高電位直 流取能電源對于今后STATCOM、電壓源型變流器、大功率電力電子裝置的緊湊型設(shè)計以及高 電位電子電路的供電技術(shù)具有重要意義。本發(fā)明所涉及的STATCOM的閥體由單元變流器構(gòu)成，單元變流器由全控型功率器 件IGBT組成。IGBT驅(qū)動電源對供電可靠性要求很高，在IGBT的集電極與發(fā)射極之間電壓 大于200V，IGBT門極受到干擾且未加驅(qū)動信號時，可能會造成器件的誤導通，若造成同一 橋臂直通，直流支撐電容將通過直通的橋臂瞬時放電，造成IGBT過流，可能損壞IGBT器件。 而驅(qū)動電源的不可靠也可能會造成IGBT過流保護失靈，導致IGBT器件的損壞。因此，必須 設(shè)計可靠的取能或送能電源來保障IGBT驅(qū)動的可靠供電。高電位電子電路常見的送能或取能方式有高頻送能、工頻送能、激光送能、交流 取能和直流取能等。(1)高頻/工頻送能 高頻送能方式需要采用高頻電源，全絕緣高頻變壓器和整流電路。在高頻情況下 設(shè)備局放大，高頻干擾嚴重，可能會影響周圍電子電路的正常工作；另外高頻變壓器損耗 大，一般采用充油式變壓器，這就存在漏油風險有安全隱患，維護不方便；高頻變壓器體積 較大，不利于單元變流器及整體裝置的緊湊型設(shè)計。
工頻送能方式下，變壓器的體積較高頻變壓器更大，向高電位送能時需要較大的 絕緣距離，不利于單元變流器及整體裝置的緊湊型設(shè)計。(2)激 光送能激光送能方式可以有效的從地電位向高電位送電，但是激光送能裝置屬敏感設(shè) 備，購買受到國外嚴格限制。此外，激光送能設(shè)備成本高，長期使用情況下設(shè)備老化較快，壽 命相對較短，因此不能滿足電力電子裝置中電子電路的長期可靠供電的要求。(3)交流電壓取能交流電壓取能方式對交流系統(tǒng)的可靠性要求很高。在系統(tǒng)出現(xiàn)短時故障的情況 下，取能電源將無法正常工作，而短時故障(故障時間一般不超過Is)在交流系統(tǒng)中是很可 能存在的，取能電源很難支持Is以上時間。如果單一采用交流電壓取能方式將會影響電力 電子裝置的運行可靠性。(4)直流電壓取能單元變流器直流側(cè)電壓高水平穩(wěn)定運行是保證其可靠工作的關(guān)鍵，在單元變流器 工作期間也是最有保障的直流電壓源。因此，采用直流電壓取能方式，通過合理的取能電源 設(shè)計就可以保障單元變流器的控制器長期穩(wěn)定可靠供電。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種高電位直流電壓取能電源。該直流電壓取能電源具有良好的電氣 隔離，能夠滿足高電位電子電路供電要求；能夠在較寬范圍的直流輸入電壓條件下穩(wěn)定工 作；啟動速度快，可在直流電壓輸入較低的情況下保持穩(wěn)定的額定輸出；抗干擾性好，能夠 在惡劣電磁環(huán)境下正常工作；直流取能電源體積小，可以滿足裝置的緊湊型設(shè)計。本發(fā)明的一種高電位直流電壓取能電源，包括直流電壓輸入、濾波及抗干擾回 路、切換/電壓檢測回路、低壓電源變換電路、高壓電源變換電路、輸出電路和故障檢測及 保護電路；所述直流電壓輸入并聯(lián)于直流電容的正負極；濾波及抗干擾回路，連接至直流電 壓輸入所在回路，用來濾除電容直流電壓的紋波電壓；切換/電壓檢測回路，連接至濾波及 抗干擾所在回路，檢測直流電容電壓的幅值，并將輸入的直流電壓切換至正確的電源變換 電路；低壓電源變換電路，分別連接至切換/電壓檢測回路和高壓電源變換電路，低壓電源 變換電路的工作電壓較低，作用是將輸入直流電壓變換為目標直流電壓輸出，同時在低壓 電源變換電路的輸入側(cè)與輸出側(cè)起到電氣隔離的作用；所述高壓電源變換電路，連接至切換/電壓檢測回路，在直流電容電壓幅值較高 時工作，將較高的直流電壓轉(zhuǎn)換為適合低壓電源變換電路工作的電壓，同時對高壓電源變 換電路的輸入側(cè)與輸出側(cè)進行起到電氣隔離作用；輸出電路連接至低壓電源變換電路，穩(wěn) 定目標直流電壓的輸出，同時保證取能側(cè)直流電容放電后直流取能電源還能夠維持一段時 間的額定輸出；故障檢測及保護電路，檢測低壓電源變換電路和輸出電路的工作狀態(tài)，在輸 出目標直流電壓超過設(shè)定范圍時，對電源進行保護，將電源退出工作狀態(tài)。其中，直流取能電源的工作原理為(1)直流電壓首先輸入“濾波及抗干擾回路”，保證輸入“切換/電壓檢測回路”的 電壓符合電源要求；
(2)經(jīng)過濾波的直流電壓輸入“切換/電壓檢測回路”，檢測輸入電壓水平，同時在 “高壓電源變換電路”和“低壓電源變換電路”之間迅速切換；(3)在直流 輸入電壓較低時，“高壓電源變換電路”被斷開，“低壓電源變換電路”工 作；(4)當直流輸入電壓較高時，“切換/電壓檢測回路”斷開向“低壓電源變換回路” 的輸入，開始向“高壓電源變換電路”輸入，“高壓電源變換電路”的輸出電壓再輸入“低壓 電源變換電路”；(5)故障保護及檢測回路用來檢測輸出電壓，在輸出電壓超過設(shè)定范圍時，對電源 進行保護，將電源退出工作狀態(tài)。其中，低壓電源變換電路采用單端反激電路，單端反激電路采用單只MOS管來控 制高頻變壓器的儲能，輸入電壓不能過高，因此令其工作在直流輸入電壓較低的工況；高壓電源變換電路采用雙管正激電路，雙管正激電路采用兩只功率開關(guān)管分別串 聯(lián)在高頻變壓器的上下兩側(cè)，這樣就可以夠承受較高的直流電壓輸入，從而可令其工作在 直流輸入電壓較高的工況下；在直流輸入電壓較高時，雙管正激電路的輸出的電壓在單端反激電路的正常工 作電壓范圍之內(nèi)，所以在直流電壓較高時，直流電壓取能電源經(jīng)過雙管正激電路和單端反 激電路兩級降壓、兩級電氣隔離輸出額定的直流電壓，從而滿足高電位取能的電氣隔離問 題；單端反激電路和雙管正激電路均需采用高頻變壓器，高頻變壓器具有良好的電氣 隔離作用，從而解決單元變流器IGBT觸發(fā)板及單元控制器的高電位電氣隔離問題；輸出電路在輸出端并聯(lián)有大容量直流電容，保證穩(wěn)定的直流電壓輸出，同時保證 取能側(cè)直流電容放電后直流取能電源還能夠維持一段時間的額定輸出，保證控制器有充足 的時間退出運行。其中，直流電壓取能電源中低壓變換電路與高壓變換電路的工作組合方式為經(jīng)過濾波的直流電壓輸入“切換/電壓檢測回路”，檢測輸入電壓水平，同時在“高 壓電源變換電路”和“低壓電源變換電路”之間迅速切換，在直流輸入電壓較低時，“高壓電 源變換電路”被斷開，“低壓電源變換電路”工作，當直流輸入電壓較高時，“切換/電壓檢測 回路”斷開向“低壓電源變換回路”的輸入，開始向“高壓電源變換電路”輸入，“高壓電源變 換電路”的輸出電壓再輸入“低壓電源變換電路”。其中，直流電壓取能電源采用冗余設(shè)計為保證直流電壓取能電源的工作可靠性，將多路高電位直流電壓取能電源并聯(lián)， 各路取能電源的輸出端正極分別串聯(lián)二極管之后進行并聯(lián)；其中冗余狀態(tài)的兩個電源處于 空載備用狀態(tài)，在工作電源出現(xiàn)故障退出時，另一個冗余電源立刻投入使用，從而有效的保 障變流器中控制器及驅(qū)動電路的供電可靠性。還涉及一種使用上述電源的靜止同步無功補償STATC0M裝置。還涉及一種使用上述電源的變流器設(shè)備。還涉及一種使用上述電源的大功率電力電子裝置，大功率電力電子裝置工作在較 高的電壓等級，高電位直流取能電源的高壓與低壓電源變換電路分別由單端反激電路和雙 管正激電路構(gòu)成，單端反激電路和雙管正激電路均需采用高頻變壓器，高頻變壓器具有良好的電氣隔離作用，從而解決變流器全控型器件觸發(fā)控制板及單元控制器的高電位電氣隔 離問題。本發(fā)明技術(shù) 方案的有益效果是(1)電源抗干擾能力強；(2)直流電壓取能電源具有兩級電氣隔離，可以滿足高電位電氣隔離；(3)直流電壓取能電源啟動速度快；(4)直流電壓取能電源的可輸入直流電壓范圍大；(5)直流電壓取能電源的冗余設(shè)計保證了控制電路供電的可靠性高；(6)直流電壓取能電源體積小，便于單元變流器及電力電子裝置的緊湊型設(shè)計。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。圖1示出直流電壓取能電源原理框圖。圖2示出單端反激電路原理圖(低壓電源變換電路)。圖3示出雙管正激電路原理圖(高壓電源變換電路)圖4示出直流電壓取能電源的冗余設(shè)計
具體實施例方式1.高電位直流電壓取能電源技術(shù)難點高電位直流電壓取能電源技術(shù)難點如下1)單元變流器的IGBT驅(qū)動電路及單元控制器處于高電位，必須解決高電位取能 的電氣隔離問題；2) STATC0M的單元變流器所處電磁環(huán)境惡劣，一方面輸電線路的大電流、高場強會 對電子電路造成較大的電磁干擾；另一方面，單元變流器IGBT快速開關(guān)過程也會產(chǎn)生大量 的強電磁干擾，因此必須解決直流電壓取能電源的抗干擾設(shè)計問題；3)在直流電壓輸入變化非常大的范圍內(nèi)，要求直流電壓取能電源能夠保證穩(wěn)定的 直流電壓輸出，能夠在單元變流器的直流電壓較低時保證直流電壓取能電源的穩(wěn)定額定輸 出，具有快速啟動的性能；4)要求取能電源能夠在直流輸入電壓低于最低輸入要求后能夠保持一段時間的 額定電壓輸出，保證單元變流器的正常退出。這些技術(shù)要求決定了高電位直流電壓取能電源的開發(fā)和研制具有非常大的技術(shù)難度。2.直流電壓取能電源的原理根據(jù)以上技術(shù)要求，本發(fā)明所設(shè)計的直流電壓取能電源的原理如圖1所示，直流 電壓輸入端與單元變流器的直流側(cè)并聯(lián)，直流取能電源的工作原理如下(1)直流電壓首先輸入“濾波及抗干擾回路”，保證輸入“切換/電壓檢測回路”的 電壓符合電源要求；(2)經(jīng)過濾波的直流電壓輸入“切換/電壓檢測回路”，檢測輸入電壓水平，同時在 “高壓電源變換電路”和“低壓電源變換電路”之間迅速切換；
(3)在直流輸入電壓較低時，“高壓電源變換電路”被斷開，“低壓電源變換電路”工 作；(4)當 直流輸入電壓較高時，“切換/電壓檢測回路”斷開向“低壓電源變換回路” 的輸入，開始向“高壓電源變換電路”輸入，“高壓電源變換電路”的輸出電壓再輸入“低壓 電源變換電路”；(5)故障保護及檢測回路用來檢測輸出電壓，在輸出電壓超過設(shè)定范圍時，對電源 進行保護，將電源退出工作狀態(tài)。其中，低壓電源變換電路采用單端反激電路，原理如圖2所示，單端反激電路采用 單只MOS管來控制高頻變壓器的儲能，輸入電壓不能過高，因此令其工作在直流輸入電壓 較低的工況。高壓電源變換電路采用雙管正激電路，原理如圖3所示，雙管正激電路采用兩只 功率開關(guān)管分別串聯(lián)在高頻變壓器的上下兩側(cè)，這樣就可以夠承受較高的直流電壓輸入， 因此令其工作在直流輸入電壓較高的工況下。在直流輸入電壓較高時，雙管正激電路的輸出的電壓在單端反激電路的正常工作 電壓范圍之內(nèi)，所以在直流電壓較高時，直流電壓取能電源經(jīng)過雙管正激電路和單端反激 電路兩級降壓、兩級電氣隔離輸出額定的直流電壓，這樣就可以滿足高電位取能的電氣隔 離問題。單端反激電路和雙管正激電路均需采用高頻變壓器，高頻變壓器具有良好的電氣 隔離作用，可以很好的解決單元變流器IGBT觸發(fā)板及單元控制器的高電位電氣隔離問題。輸出電路在輸出端并聯(lián)有大容量直流電容，可以保證穩(wěn)定的直流電壓輸出，同時 可以保證取能側(cè)直流電容放電后直流取能電源還能夠維持一段時間的額定輸出，保證控制 器有充足的時間退出運行。3.高電位直流電壓實施方案本發(fā)明所申請專利的直流取能電源具體工作原理如下(1)直流電壓輸入彡100V時，“切換/電壓檢測回路”和“低壓電源變換電路”啟 動，“高壓電源變換電路”處于關(guān)閉狀態(tài)，此時直流電壓取能電源能夠穩(wěn)定輸出+15V的直流 電壓；(2)500V彡直流電壓輸入< 600V時，“切換/電壓檢測回路”同時開通向高壓電源 變換電路的輸入，“高壓電源變換電路”啟動，工作在空載備用狀態(tài)；(3)直流電壓輸入彡600V時，“切換/電壓檢測電路”斷開向“低壓電源變換電路” 的輸入，“高壓電源變換電路”投入運行，“高壓電源變換電路”的輸出電壓小于500V，其輸 出直接輸入至“低壓電源變換電路”，通過“低壓電源變換電路”繼續(xù)完成電壓變換，保證直 流電壓取能電源穩(wěn)定的+15V輸出；(4) “故障檢測及保護電路”在直流取能電源的輸出電壓小于9. 5V，大于17. 5V、過 載150%、輸入過壓(> 2. 15kV)等故障時動作，將電源退出運行。4.直流電壓取能電源的冗余設(shè)計為保證直流電壓取能電源的工作可靠性，本發(fā)明中采用了電源的冗余設(shè)計，將3 路高電位直流電壓取能電源并聯(lián)，3路取能電源的輸出端正極分別串聯(lián)二極管之后進行并 聯(lián)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中冗余狀態(tài)的兩個電源處于空載備用狀態(tài)，在工作電源出現(xiàn)故障退出時，另一個冗余電源立刻投入使用，這種冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效的保障單元變流器中控 制器及驅(qū)動電路的供電可靠性。
此處已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實施例對本發(fā)明進行了描述。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來 說在不脫離本發(fā)明的范圍下進行適當?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅 是例證性的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1.一種高電位直流電壓取能電源，包括直流電壓輸入、濾波及抗干擾回路、切換/電 壓檢測回路、低壓電源變換電路、高壓電源變換電路、輸出電路和故障檢測及保護電路；其 特征在于所述直流電壓輸入并聯(lián)于直流電容的正負極；濾波及抗干擾回路，連接至直流電壓輸 入所在回路，用來濾除電容直流電壓的紋波電壓；切換/電壓檢測回路，連接至濾波及抗干 擾所在回路，檢測直流電容電壓的幅值，并將輸入的直流電壓切換至正確的電源變換電路； 低壓電源變換電路，分別連接至切換/電壓檢測回路和高壓電源變換電路，低壓電源變換 電路的工作電壓較低，作用是將輸入直流電壓變換為目標直流電壓輸出，同時在低壓電源 變換電路的輸入側(cè)與輸出側(cè)起到電氣隔離的作用；所述高壓電源變換電路，連接至切換/電壓檢測回路，在直流電容電壓幅值較高時工 作，將較高的直流電壓轉(zhuǎn)換為適合低壓電源變換電路工作的電壓，同時對高壓電源變換電 路的輸入側(cè)與輸出側(cè)進行起到電氣隔離作用；輸出電路連接至低壓電源變換電路，穩(wěn)定目 標直流電壓的輸出，同時保證取能側(cè)直流電容放電后直流取能電源還能夠維持一段時間的 額定輸出；故障檢測及保護電路，檢測低壓電源變換電路和輸出電路的工作狀態(tài)，在輸出目 標直流電壓超過設(shè)定范圍時，對電源進行保護，將電源退出工作狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于直流取能電源的工作原理為(1)直流電壓首先輸入“濾波及抗干擾回路”，保證輸入“切換/電壓檢測回路”的電壓 符合電源要求；(2)經(jīng)過濾波的直流電壓輸入“切換/電壓檢測回路”，檢測輸入電壓水平，同時在“高 壓電源變換電路”和“低壓電源變換電路”之間迅速切換；(3)在直流輸入電壓較低時，“高壓電源變換電路”被斷開，“低壓電源變換電路”工作；(4)當直流輸入電壓較高時，“切換/電壓檢測回路”斷開向“低壓電源變換回路”的輸 入，開始向“高壓電源變換電路”輸入，“高壓電源變換電路”的輸出電壓再輸入“低壓電源 變換電路”；(5)故障保護及檢測回路用來檢測輸出電壓，在輸出電壓超過設(shè)定范圍時，對電源進行 保護，將電源退出工作狀態(tài)。其中，低壓電源變換電路采用單端反激電路，單端反激電路采用單只MOS管來控制高 頻變壓器的儲能，輸入電壓不能過高，因此令其工作在直流輸入電壓較低的工況；高壓電源變換電路采用雙管正激電路，雙管正激電路采用兩只功率開關(guān)管分別串聯(lián)在 高頻變壓器的上下兩側(cè)，這樣就可以夠承受較高的直流電壓輸入，從而可令其工作在直流 輸入電壓較高的工況下；在直流輸入電壓較高時，雙管正激電路的輸出的電壓在單端反激電路的正常工作電壓 范圍之內(nèi)，所以在直流電壓較高時，直流電壓取能電源經(jīng)過雙管正激電路和單端反激電路 兩級降壓、兩級電氣隔離輸出額定的直流電壓，從而滿足高電位取能的電氣隔離問題；單端反激電路和雙管正激電路均需采用高頻變壓器，高頻變壓器具有良好的電氣隔離 作用，從而解決單元變流器IGBT觸發(fā)板及單元控制器的高電位電氣隔離問題；輸出電路在輸出端并聯(lián)有大容量直流電容，保證穩(wěn)定的直流電壓輸出，同時保證取能 側(cè)直流電容放電后直流取能電源還能夠維持一段時間的額定輸出，保證控制器有充足的時 間退出運行。
3.如權(quán)利要求2所述的電源，其特征在于直流電壓取能電源中低壓變換電路與高壓 變換電路的工作組合方式為經(jīng)過濾波的直流電壓輸入“切換/電壓檢測回路”，檢測輸入電壓水平，同時在“高壓電 源變換電路”和“低壓電源變換電路”之間迅速切換，在直流輸入電壓較低時，“高壓電源變 換電路”被斷開，“低壓電源變換電路”工作，當直流輸入電壓較高時，“切換/電壓檢測回路” 斷開向“低壓電源變換回路”的輸入，開始向“高壓電源變換電路”輸入，“高壓電源變換電 路”的輸出電壓再輸入“低壓電源變換電路”。
4.如權(quán)利要求3所述的電源，其特征在于直流電壓取能電源采用冗余設(shè)計為保證直流電壓取能電源的工作可靠性，將多路高電位直流電壓取能電源并聯(lián)，各路 取能電源的輸出端正極分別串聯(lián)二極管之后進行并聯(lián)；其中冗余狀態(tài)的兩個電源處于空載 備用狀態(tài)，在工作電源出現(xiàn)故障退出時，另一個冗余電源立刻投入使用，從而有效的保障變 流器中控制器及驅(qū)動電路的供電可靠性。
5.一種使用權(quán)利要求1-4所述電源的靜止同步無功補償STATCOM裝置。
6.一種使用權(quán)利要求1-4所述電源的變流器設(shè)備。
7.一種使用權(quán)利要求1-4所述電源的大功率電力電子裝置，其特征在于大功率電力電子裝置工作在較高的電壓等級，高電位直流取能電源的高壓與低壓電源 變換電路分別由單端反激電路和雙管正激電路構(gòu)成，單端反激電路和雙管正激電路均需采 用高頻變壓器，高頻變壓器具有良好的電氣隔離作用，從而解決變流器全控型器件觸發(fā)控 制板及單元控制器的高電位電氣隔離問題。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高電位直流電壓取能電源。該直流電壓取能電源具有良好的電氣隔離，能夠滿足高電位電子電路供電要求；能夠在較寬范圍的直流輸入電壓條件下穩(wěn)定工作；啟動速度快，可在直流電壓輸入較低的情況下保持穩(wěn)定的額定輸出；抗干擾性好，能夠在惡劣電磁環(huán)境下正常工作；直流取能電源體積小，可以滿足裝置的緊湊型設(shè)計。
文檔編號H02M3/335GK102097948SQ20101062422
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者傅堅, 楊武帝, 武守遠, 滕樂天, 熊超英, 王柯, 王軒, 袁蒙, 韓天緒 申請人:上海市電力公司, 中國電力科學研究院, 中電普瑞科技有限公司