控制动力半导体器件构成串联阀组的电源装置

摘要

控制动力半导体器件构成串联阀组的电源装置，以正弦曲线的电压源形式出现的电源连接在耦合变压器的输出端；电源变压器一次侧绕组的串联回路是以从高压绝缘过来的导线穿过电源变压器的磁环形式出现的；电抗器通过电源变压器一次绕组的串联回路连接在电源的输出端，补偿电容器直接连接在耦合变压器的二次绕组上。从高压绝缘过来的导线芯与动力半导体器件构成的串联阀组回路的中心点相连接，在这种情况下电源的耦合变压器的一次与二次绕组之间的绝缘必需是相对于地的阀组最大电位。阀组元件上的基本绝缘负载由耦合变压器承担。从高压绝缘过来的导线和电源变压器之间电压产生的局部放电水平明显是很小的。

权利要求

1.控制动力半导体器件构成串联阀组的电源装置，其特征在于，包括电源、电源变压器、电压调节器、驱动控制元件、串联的可控硅阀组、电抗器、补偿电容器；所述的电源为输出正弦曲线的电压源形式，耦合变压器位于电源的输出端；电源变压器有一个或多个二次绕组，电源变压器的一次绕组，是由一根或是多根从高压绝缘过来的导线穿过所述电源变压器的磁环而形成的；

所述的电压调节器为多个，每个电压调节器都包括有整流器、旁路元件、输出电容器，所述整流器的输入端即是电压调节器的输入，所述旁路元件并联在整流器的输入端或整流器的输出端，所述的输出电容器并联在电压调节器的输出端；

电源变压器的二次绕组经过相应的电压调节器和与电压调节器相应的驱动控制元件输入端相连接；电抗器通过电源变压器一次绕组的串联回路与电源的耦合变压器二次绕组相连接；补偿电容器直接连接在耦合变压器的二次绕组上；从高压绝缘过来的一根导线芯或几根导线芯与串联动力半导体器件构成的阀组回路中心点或近似中心点相连接。

2.根据权利要求1所述的控制动力半导体器件构成串联阀组的电源装置，其特征在于，所述电源的耦合变压器的一次绕组和二次绕组带有屏蔽，一次绕组的屏蔽接地，二次绕组的屏蔽与串联动力半导体器件构成的阀组回路中心点或近似中心点相连接。

3.根据权利要求2所述的控制动力半导体器件构成串联阀组的电源装置，其特征在于，所述电源设有电流保护装置，电流保护装置的输入端连接在耦合变压器一次绕组的屏蔽与地之间。

说明书

控制动力半导体器件构成串联阀组的电源装置

技术领域

[0001] 本发明是在电力电子行业内以动力电子技术为基础可以作为控制动力半导体器件构成串联阀组的电源装置使用，比如，作为检测可控硅构成TSC阀组，TCSC阀组或是其它可控硅阀组的全能实验站中控制串联阀组的电源。

背景技术

[0002] 背景技术中，专利 US 7,009,853 B2, Int. Cl. H02M 3/335具有整流作用控制串联动力开关高压阀组的电源装置，包括有：交流电源；有整流作用的电源变压器控制每个元器件；有整流作用的电源变压器一次侧绕组是串联回路，它是以高压导线穿过有整流作用的电源变压器磁环形式出现的，并且连接在交流电源的输出端；对于每个有整流作用的电源变压器包括有输出电压调节器，调节器由整流器组成，并且连接在有整流作用电源变压器的二次侧绕组上；还包括输出电容器和电子开关，整流器的输出端与电容器的输出端相连或者是与整流器输出端的旁路相连，电源变压器至少有一个附加绕组，除此之外交流电源是以降压变频器形式出现的。

[0003] 这个专利中有下列不足之处：使用普通的高压电缆，设备工作电压的上限为10-20kV。当设备的工作电压到20-30kV时，在高压电缆的绝缘和有整流作用的电源变压器的绝缘缝隙之间会产生局部放电，这些局部放电使高压电缆快速老化，当电缆击穿时设备也会损坏。最简单解决局部放电的方法就是增加电缆的直径。但是没有理由地加大具有整流作用电源变压器的尺寸会使设备的结构复杂化。加大电缆芯的半导体层也就加大了电缆的直径，但也减弱了绝缘的电气影响，主要表现在电缆的内部。更有效地解决局部放电产生的高电压可以在电缆绝缘表面进行半导体涂层处理。在这种情况下每一个电源变压器的电位在电缆表面和与之接触的地方之间转换，同时在电缆电介质表面的剩余部分艰难地积累电荷到达临界。举例，全能实验站在给TCR和TSC型阀组进行实验的时候，工作电压的上限会达到40 kV，上述装置在阀组使用驱动板电源的情况下就无法使用，特别是实验过程中频繁进行投切。尽管实验的持续时间并不长，但是存在由于多余的局部放电使电缆绝缘击穿的可能性。这样就不能保证操作人员的安全工作，并且可能使操作人员触电。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种控制动力半导体器件构成串联阀组的电源装置，该电源装置可大大提高高压电缆绝缘的安全和电源安全，同时大大提高了操作人员的工作安全性。

[0005] 为实现上述目的，本发明控制动力半导体器件构成串联阀组的电源装置所采用的技术方案是：

[0006] 控制动力半导体器件构成串联阀组的电源装置，包括电源、电源变压器、电压调节器、驱动控制元件、串联的可控硅阀组、电抗器、补偿电容器；所述的电源为输出正弦曲线的电压源形式，耦合变压器位于电源的输出端；电源变压器有一个或多个二次绕组，电源变压器的一次绕组，是由一根或是多根从高压绝缘过来的导线穿过所述电源变压器的磁环而形成的；

[0007] 所述的电压调节器为多个，每个电压调节器都包括有整流器、旁路元件、输出电容器，所述整流器的输入端即是电压调节器的输入，所述旁路元件并联在整流器的输入端或整流器的输出端，所述的输出电容器并联在电压调节器的输出端；

[0008] 电源变压器的二次绕组经过相应的电压调节器和与电压调节器相应的驱动控制元件输入端相连接；电抗器通过电源变压器一次绕组的串联回路与电源的耦合变压器二次绕组相连接；补偿电容器直接连接在耦合变压器的二次绕组上；从高压绝缘过来的一根导线芯或几根导线芯与串联动力半导体器件构成的阀组回路中心点或近似中心点相连接。在此情况下电源的耦合变压器一次和二次绕组之间的绝缘是相对于地的阀组最大电位。

[0009] 所述电源的耦合变压器的一次绕组和二次绕组带有屏蔽，一次绕组的屏蔽接地，二次绕组的屏蔽与串联动力半导体器件构成的阀组回路中心点或近似中心点相连接。

[0010] 所述电源设有电流保护装置，电流保护装置的输入端连接在耦合变压器一次绕组的屏蔽与地之间。

[0011] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0012] 1）本发明大大降低了高压电缆绝缘上的作用电压，从而提高了产生局部放电的电压水平，实现了从高压绝缘过来的导线芯与串联动力半导体器件阀组回路的中心点相连。在这种情况之下高压导线绝缘上的作用电压减小了两倍，阀组完整的工作电压叠加到了耦合变压器绕组之间的绝缘上，不难实现从100 kV以及更高的局部放电，比如，带有陶瓷外壳的充油变压器。

[0013] 2）当阀组整流时，耦合变压器一次和二次绕组上的屏蔽消除在微秒范围内的匝间过电压。阀组的整流容性电流直接地经过耦合变压器流到地。比如，可控硅阀组工作电压为40 kV耦合变压器就需要带有陶瓷的外壳，耦合变压器二次绕组屏蔽与地之间，一次绕组屏蔽与地之间的电容不大于50 pF， 此时整流脉冲电流经过这个电容的幅值不大于3A。当屏蔽之间的提升电流高于允许值（在绝缘恶化的情况时）时，这个电流经过输入电流保护流到地，电流保护启动连锁并产生必要的切断。耦合变压器绝缘击穿的可能性非常小。一旦发生这种可能，电流保护就会紧急切断设备。在这种情况下不会对工作中的设备操作人员造成触电。

[0014] 3）电抗器和补偿电容器在结构上是放置在阀组电位上的。在网络电源电压为220V可控硅阀组电压为40kV的情况下，经过耦合变压器的电流不是很大，比如，不大于5A。耦合变压器绕组之间的绝缘在电压上不需要特殊处理，只要比阀组上的电压大就可以。比如，在输电线路为110 kV的可控硅TSCS阀组而言，阀组在10 kV电压范围工作，而它的绝缘相对于地来说在66 kV或者110 kV。

[0015] 该电源装置可大大提高高压电缆绝缘的安全和电源安全，同时大大提高了操作人员的工作安全性。

附图说明

[0016] 图1是本发明电源装置的电气原理图。

[0017] 图2是电压调节器的电气原理图。

[0018] 图3是本发明电源装置元件的布置图。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图对本发明的技术内容作进一步详细描述。

[0020] 见图1，控制动力半导体器件构成串联阀组的电源装置，包括电源1；补偿电容器2；电抗器3；从高压绝缘过来的导线4；电源变压器；电压调节器；驱动控制元件；串联的可控硅组。

[0021] 所述的电源1为输出正弦曲线的电压源形式，耦合变压器19位于电源1的输出端；本实施例中，电源变压器由多个不带一次绕组的电流互感器5(1), 5(2) … 5(2N+2)组成的，多个电流互感器的二次绕组为电源变压器的二次绕组；电源变压器的一次绕组，是由两根从高压绝缘过来的高压电缆4（1）和高压电缆4（2）穿过电源变压器（电流互感器）的磁环而形成的。电压调节器多个，为6(1), 6(2) … 6(2N+2) (RV)；驱动控制元件多个，为7(1), 7(2) … 7(2N+2) (DR)；串联的可控硅组8(1), 8(2) … 8(2N)。电源变压器的二次绕组经过相应的电压调节器和与电压调节器相应的可控硅组驱动控制元件输入端相连接。

[0022] 串联的可控硅组8(1), 8(2) … 8(2N)，每个可控硅组都是由两个可控硅构成并且为正反并联，动力可控硅正方向的为9，反方向为10，保护RC回路为11，它是并联在动力可控硅组上的；保护电容器12和保护电容器13；阀基电子14（VBE）包括两个回路，每个回路都有串联 的光发送器，用于同时控制正方向可控硅9和反方向可控硅10，以及系统开关15，阀基电子14带着串联可控硅组8(1), 8(2) … 8(2N)通过不同的动力元件与动力网络相连，在图1中没有显示。从高压绝缘过来的导线4是以两个串联的高压电缆4(1)和4(2)形式出现的，穿过电流互感器的磁环，与之对应的标记为5(1), 5(2) … 5(N+1)和5(N+2), 5(N+3) … 5(2N+2)，作为这些电流互感器的串联一次绕组。引出端:B和:C是高压电缆4(1)和4(2)的导线芯，它们与串联可控硅组8(1), 8(2) … 8(N)和8(N+1),8(N+2) … 8(2N) 回路的中心点或近似中心点引出端（:F）和（:G）相连接。高压电缆4(1)的引出端（:A）和（:B）之间连接有保护电容器12，高压电缆4(2)的引出端（:C）和（ :D）之间连接有保护电容器13。每个电流互感器5(1…2N+2)的二次绕组经过对应的电压调节器6(1…2N+2)和对应的驱动控制元件7(1…2N+2) 输入端相连接。驱动控制元件7(1),
7(N+1), 7(N+2)和7(2N+2)是单通道的并且用于控制一个可控硅9或者10。驱动控制元件7(1) 和7(N+2)是用于控制反方向可控硅10（代码b），与之对应的可控硅组是8(1)和
8(N+1)。驱动控制元件7(N+1)和7(2N+2)是用于控制正方向可控硅9（代码d），与之对应的可控硅组是8(N)和8(2N)。驱动控制元件7(2) … 7(N), 7(N+3) ... 7(2N+1)是双通道的并且用于控制、连接阀组相邻的可控硅组9和10的阴极（正方向和反方向代码分别为d和b），比如8(1)和8(2)。通常每个电压调节器6(1…2N+2)和与之对应的驱动控制元件7(1…2N+2)在结构上是放在一个对应的印刷电路板16(1…2N+2) 上。除此之外，在电源1高频率的情况下当电流互感器5(1), 5(2) … 5(2N+2)的尺寸较小时，每个电流互感器5(1…2N+2)也可以放在印刷电路板16(1…2N+2)上。电源1包括开关17、耦合变压器18、调压器21。耦合变压器18的一次绕组和二次绕组都设有屏蔽，一次绕组标记为
19，二次绕组标记为20；调压器21的输入端经过开关17与带有为vS(θS)的电压和电源网络相连，调压器21的输出端和耦合变压器18的一次绕组连接；电流保护装置由电流传感器22和门槛元件23组成（比如用调节器TL431），耦合变压器18的一次绕组屏蔽19经过电流传感器22与地相连。电源1的输出电压频率可以高于电源网络频率。电抗器3经过从高压绝缘过来的导线4与电源1的耦合变压器18的二次绕组连接。补偿电容器2直接连接在耦合变压器18的二次绕组上。电源1的耦合变压器18二次绕组屏蔽20通过引出端（:F） 和（:G）与串联的可控硅组8(1), 8(2) … 8(N)和8(N+1), 8(N+2) … 8(2N)的中心点相连。电源1门槛元件23的输出端和系统开关15的输入端相连，它的输入端和阀基电子14 联锁，并且正的输出d1, d2 …d2N与对应的驱动输入通道7(2)-d …7(N+1)-d,
7(N+3)-d … 7(2N+2)-d相连，反的输出b1, b2 …b2N与对应的驱动输入通道7(1)-b …
7(N)-b, 7(N+2)-b … 7(2N+1)-b.相连。如图2所示，每个电压调节器6(K)，K= 1, 2 …
2N+2都是在以整流二极管24做为基础实现功能的，整流二极管24的输入（引出端“~”）为电压调节器6（K）的输入端，旁路元件25是以三极管形式出现的，二极管26，宽脉冲调节器
27（PWM）和并联在电压调节器6（K）输出端的输出电容器28，其中，整流器24输出端的正引线端“+”与三极管25的集电极连接并经过二极管26与对应的输出电容器28的引线端相连，整流器24的负引线端“-”和三极管25的发射极相连并与对应的输出电容器28的引线端连接，除此之外，宽脉冲调节器27的输入端连接在输出电容器28的输出端，而它的输出端与三极管25的基极连接。

[0023] 在图3中显示的是当电源1的频率为50 Hz，N=14的情况下设备基础元件的结构布置，这里除了标注的，所有的都与图1相对应，所标注的：29——油枕；30——油位指示器；31——陶瓷外壳；32——金属底座；33——绝缘垫；34, 35, 36 和37——支撑绝缘子。

[0024] 控制动力半导体器件构成串联阀组的电源装置按以下方式进行工作。电源1（图1）在输出端形成正弦电压：

[0025] v1(θ)=VM·sinθ, (1)

[0026] 这里， VM——电压幅值 v1(θ);

[0027] θ= 2·π·f·t;

[0028] f——电源1电压v1(θ)的频率；

[0029] t ——当前时间.

[0030] 对此，电源网络电压vS(θS)（比如，220V, 50 Hz）在开关17导通的情况下直接由调压器21转换，之后，经过耦合变压器18在电源1的输出端形成电压v1(θ)。这里θ=θS。调压器21保证把电压v1(θ)平滑地从零调节到额定值。耦合变压器18对电源1的输出端和电源网络电压vS(θS)进行隔离。电源1的电压v1(θ)叠加到串联电抗器3和电流互感器5(1), 5(2) … 5(2N+2)的一次绕组上（高压电缆4(1) 和 4(2)），经过它们流过的电流为i3(θ)。电流互感器5(K)，这里K = 1, 2 … 2N+2，转换电流i3(θ)到二次绕组：

[0031] i5K(θ)=[i0K(θ)-i3(θ)]/W5K, (2)

[0032] 这里, i0K(θ)——电流互感器铁芯磁化电流 5(K);

[0033] W5K——电流互感器二次侧匝数 5(K).

[0034] 电流i5K(θ)流到电压调节器6（K）的输入端（图2），经过整流器24和二极管26 给输出电容28单方向充电，在电压调节器6（K）的输出端电压为V6K。这里输出电压V6K是平均值。电压V6K的调节是通过宽脉冲调节器27（PWM）实现的，借助二极管24后面的三极管25，导通三极管25分流盈余的部分电流i5K(θ)。在三极管25导通的情况下二极管26联锁输出电容器28的放电。输出电容器28的电容值在输出电压V6K的波动ΔV6K不能高于最大电流I6k的最大允许值，这个值就是与对应驱动控制元件7（K）所需的。在电流互感器5（K）输出端电压v5K(θ)的幅值和在电压调节器6（K）（图2）输入端的幅值为：

[0035]

[0036] 这里， ΔV24——在整流器二极管24上的压降；

[0037] ΔV26——在二极管26上的压降。

[0038] 电源1的幅值电压VM和电抗器3上电感量L3（要考虑到高压电缆4（1）的电感量和电流互感器一次绕组5(1), 5(2) ... 5(2N+2)的漏电感器，用L4表示）的选择要由电抗器3的电流幅值常数i3(θ)在功率变化的所有范围内来决定的，这个功率就是与之对应驱动控制元件7(1), 7(2) … 7(2N+2)所需要的。这同时也保证了电压调节器6(1), 6(2) … 6(2N+2)的稳定安全工作。电抗器电流i3(θ)的高次谐波电流很少，近似于正弦曲线。在这种状态时，当电流互感器一次绕组总的电动势幅值变化从零到EM变化时，电抗器3的电流变化值δI很小，这里

[0039]

[0040] 数值δI≤0.05 符合 VM/EM≥(8.5÷10)。

[0041] 保护电容12连接在高压电缆4（1）的引出端:A 与:B之间，保护电容13连接在高压电缆4（2）的引出端:C与:D之间，分流了微秒级的过电压，过电压是由于阀组动力可控硅9和10整流时相对于高压电缆4（1）和4（2）与电流互感器5(1), 5(2), ... 5(2N+2)二次绕组分布电容的过充电产生的，同时保护电抗器3的绝缘不被击穿。保护电容12和13本身的电容量很小并且对工作过程的影响不明显。在电源1上的频率很高的情况下要减小这个影响可以在保护电容12和13的位置上替换成半导体电压限制器或者是RC回路。

[0042] 我们考虑到装置功率负载在临界状态时，每个电压调节器6（K）在输出电压V6K的额定值情况下给出最大电流I6K，电流经过电压调节器6（K）的旁路元件（三极管25见图2）为零。在这种情况下电流互感器5（K）的二次绕组电流i5K(θ)完全没有限制地给电压调节器6（K）的输出电容28充电。经过电抗器3的有功有效值和电感有效值等于，如下：

[0043]

[0044]

[0045] 这里， L=L3+L4; (9)

[0046] ——相对于电压v1(θ)的电流i3(θ)的相移；

[0047]

[0048] λ——在电流互感器5（K）二次绕组上电流i5K(θ)的长度(0.9·π≤λ≤π)；

[0049]

[0050] L0——电流互感器铁芯磁化电感量。

[0051] 电抗器3上的电流I3L包含有近似于恒量的电感，它对电容器2的容性电流进行了补偿，有效值如下

[0052]

[0053] 此时

[0054]

[0055] 归根到底电源 1 的电流 I1基本上等于有功 成分：。电源1装载的功率极小，在电压为正弦曲线的情况下，
功率很轻松地通过耦合变压器18传递到高电压电位，到电抗器3和补偿电容器2上。虽然耦合变压器18二次绕组是在电压的平均电位上VFG=0.5·(VE+VH)直接与可控硅组8(1),
8(2), … 8(2N)连接，在大多数情况下耦合变压器18的一次绕组和二次绕组之间的绝缘是更大的电压VE或者VH，可控硅导通时这个电压作用于这个中心点上。而电缆4（1）的绝缘和电缆4（2）的绝缘电压为0.5·|VE+VH|或者是更大值，如果在最开始的时候可控硅组的数量不能平均地分成两部分，或者由于可控硅组被击穿而不能分成两部分，要预先考虑到冗余数量。当可控硅组整流时电压VFG在阀组中心点的变化是突变的。在这种情况下耦合变压器18的一次绕组和二次绕组之间由于通过电容的过充电，流过浪涌电流。为了消除一次绕组和二次绕组的匝间击穿，通过低压解决这个问题，绕组分别带有屏蔽19和20，经过屏蔽把容性电流短接到地。在设备运行过程中一次绕组和二次绕组绝缘击穿时增大的电流通过屏蔽19和20到地。电流传感器22把这个电流的比例信号转换到门槛元件23的输入，当在门槛元件23的输入端出现不允许的信号值时转换和形成信号切断系统开关15，联锁阀基电子14，用于取消与驱动控制元件7(2)-d …7(N+1)-d, 7(N+3)-d … 7(2N+2)-d 和7(1)-b …7(N)-b, 7(N+2)-b … 7(2N+1)-b对应的控制脉冲d1, d2 …d2N和b1, b2 …b2N。对于消除由于整流干扰在门槛元件23上产生的假联锁动作可以在它的输入端放置低频滤波器。通常，耦合变压器18直接放在可控硅阀组的旁边，而电抗器3和补偿电容器2放在这个阀组的电压高电位上。在图3中显示的是设备结构布置。支撑绝缘子36和37保证可控硅阀组相对于地的绝缘，同时它们的电压要大于支撑绝缘子34和35，在这个示例中的电源转换装置的电位值很大，比在自身阀组的电压大（可控硅阀组等效实验站）。在某些情况下电压叠加到耦合变压器18绕组之间的绝缘上，这个电压可能，甚至大于在阀组上的电压，比如，电压为110 kV或是220 kV的串补TCSC。在支撑绝缘子34的位置上可以用不带绝缘的支撑元件，把电抗器3和补偿电容器2坚固在它上面。耦合变压器18（图3）有陶瓷外壳31——绝缘体，和标准的电流互感器所使用的电气原理图相同。这个带有金属底座外壳的耦合变压器可以转动地摆放并且内部充满变压器油。在陶瓷外壳上部有油枕29，并且电气上与二次绕组的屏蔽20相连。耦合变压器放在绝缘垫33上与地隔开用于电流保护的正常工作。耦合变压器也可以使用六氟化硫绝缘。在耦合变压器绕组之间的通过电容不大于50 pF。

[0056] 最后需要说明的是，电源1频率的增大是通过独立电压逆变器来实现的，频率的增大减小了设备中电流互感器5(1), 5(2) ... 5(2N+2)，电抗器3，补偿电容器2（由于有功损耗的增加并不明显）和耦合变压器18（由于绝缘距离的限制并不明显）的重量和尺寸。当独立电压逆变器频率调节的时候实现了在电源1输出上的无功功率调节。即补偿了在耦合变压器18阻抗上的压降。