一种高幅值多状态单序列波形可控输出装置及方法

摘要

本发明的目的是提供一种高幅值多状态单序列波形可控输出装置及方法，该装置高幅值输出装置的控制部分设计了一套含IGBT高速电力电子开关的高速多倍数分档单元，同时对高幅值输出装置一次侧进行了改造，增加了高速并行输出单元。采用IGBT高速电力电子开关高速控制不同档位开关开合，改变第一变压器二次侧的电压大小，同时选择第二变压器一次侧不同的绕组大小，进而调节第二变压器二次输出值，档位转化时间短，暂态过程可忽略不计。采用本发明的技术方案具备波形输出稳定、波形转变速度快特点，可高度模拟电力系统中线路单相电流的变化状态，如短路、重合闸、接地、涌流等，也可用于模拟电流系统中的单相电压变化，或应用到需高精度大波动波形输出的其它领域中，如地震学、声学等，应用范围广和实用性强。

权利要求

1.一种高幅值多状态单序列波形可控输出装置，包括依次高速多倍分档单元、高速并行高幅值波形输出单元，其特征在于：所述高速多倍分档单元包括第一变压器及K1-1至K1-N的N个开关；第一变压器一次侧接电源， N个开关并联于第一变压器二次侧；所述高速并行高幅值波形输出单元包括K2-1至K2-M的M个开关及第二变压器；所述第二变压器为带M个中心抽头的变压器；中心抽头由可控开关K2-1至K2-M独立调节；开关K2-1至K2-M的一端分别接第一变压器二次侧一端；开关 K2-1至K2-M另一端与M个中心抽头的变压器的M个中心抽头一一对应连接，带M个中心抽头的变压器二次侧直接输出高幅值波形；所述N、M均为大于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的高幅值多状态单序列波形可控输出装置，其特征在于：开关K1-1…K1-N及K2-1…K2-M均为IGBT开关。

3.一种基于权利要求1或2所述的高幅值多状态单序列波形可控输出装置的方法，其特征在于：高速多倍数分档单元内利用开关控制档位高速分合， K1-1对应的是第一变压器输出的基础电压值，记为X，X不可调，其余开关对应的电压值均与该基础电压值呈正倍数关系，记为A，且倍数关系固定、只可从已列定的数值中选择；高速并行高幅值波形输出单元中每个开关K2-1～K2-M对应一个可调电压或可调电流初始值，记为B，开关间相互独立，最终输出值Y=A×X×B，其中A 可选限定值、B可调任意值，即实际输出值为第一变压器的倍数乘以基础电压值再乘以第二变压器的初始值，改变二次输出电压值输出倍数，同时一次快速切换初始值，最终实现单序列多状态波形的高速输出。

4.根据权利要求3所述的高幅值多状态单序列波形可控输出装置的方法，其特征在于：

包括以下具体步骤：

步骤S1：设备工作前，带M个中心抽头的变压器的中心抽头调节至0位，此时，开关K1-1至K1-N均断开；

步骤S2：开关 K1-n闭合， 开关K2-m闭合，开关K2-m档位调到相应位置，第二变压器一次侧的其他开关的档位不变，1≤n≤N,n为自然数，1≤m≤M,m为自然数；

步骤S3：开关K1-n断开， 开关K2-m断开，开关K2-m档位保持在预调位置；

步骤S4：按需求多次重复S2～S3步骤，记为S2-1、S3-1、S2-2、S3-2、…SN-M，且执行时，每次第二变压器动作的电力电子开关编号均不相同；

步骤S5：执行阶段，采用IGBT高速电力电子开关高速控制不同二次档位开关开合，改变第一变压器二次侧的电压倍数及第二变压器一次侧绕组编号，进而调节第二变压器二次侧输出。

说明书

一种高幅值多状态单序列波形可控输出装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统波形控制，特别是一种高幅值多状态单序列波形可控输出装置及方法。

背景技术

[0002] 目前，市场上对于设备输出波形的精度、变化即时性要求越来越高。而能实现任意波形输出的装置均为小波形输出装置，而电力系统中的线路电压、电流值均较大，小波形输出装置无法有效模拟真实的电力系统线路波形状态。因此，具备输出高幅值波形，且变化状态满足要求的设备，对于电力系统的研究工作中是非常必要的。市场上的高幅值波形输出装置主要为大电压/大电流输出装置，大电压/大电流输出装置只可输出一种状态的稳态波形，如图1，或无法在两种稳态波形间高速转换，不具备高速连续输出多个状态的波形，多个状态的波形如图2。

[0003] 现有的大电压/大电流输出装置原理如图3所示，一次的幅值变化输出主要依靠调值部分来完成，只可输出一种状态的稳态波形，或不具备波形高速跃变能力。针对这些缺点，本技术同时解决两方面问题：（1）一次侧输出的稳态波形幅值可控，幅值范围从小幅值波形到大幅值波形；（2）两种稳态波形间的暂态变化过程足够短暂。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明提出一种高幅值多状态单序列波形可控输出装置及方法。本发明采用以下技术方案实现：一种高幅值多状态单序列波形可控输出装置，包括高速多倍分档单元、高速并行高幅值波形输出单元，其特征在于：所述高速多倍分档单元，包括第一变压器及K1-1至K1-N的N个开关；第一变压器一次侧接电源， N个开关并联于第一变压器二次侧；所述高速并行输出单元包括K2-1至K2-M的M个开关及第二变压器；所述第二变压器为带M个中心抽头的变压器；中心抽头由可控开关K2-1至K2-M独立调节；K2-1至K2-M的一端分别接第一变压器二次侧一端； K2-1至K2-M开关另一端与带M个中心抽头的变压器的M个中心抽头一一对应连接，带M个中心抽头的变压器二次侧直接输出高幅值波形；所述N、M均为大于1的自然数。

[0005] 较佳的，K1-1…K1-N及K2-1…K2-M均为IGBT开关。

[0006] 本发明还提供一种基于上述的高幅值多状态单序列波形可控输出装置的方法，其特征在于： 高速多倍数分档单元内利用开关控制档位高速分合， K1-1对应的是第一变压器输出的基础电压值，记为X，X不可调，其余开关对应的电压值均与该基础电压值呈正倍数关系，记为A，且倍数关系固定、只可从已固定的数值中选择；高速并行输出单元中每个开关K2-1～K2-M对应一个可调电压或可调电流初始值，记为B，开关间相互独立。最终输出值Y=A×X×B，其中A 可选限定值、B可调任意值，即实际输出值为二次侧的倍数乘以一次侧的初始值，改变二次输出电压值输出倍数，同时一次快速切换初始值，最终实现单序列多状态波形的高速输出。

[0007] 进一步的，包括以下具体步骤：步骤S1：

[0008] 设备工作前，带M个中心抽头的变压器的中心抽头调节至0位，K1-1至K1-N均断开；步骤S2： K1-n闭合， K2-m开关闭合，第二变压器二次侧绕组调到相应位置，第二变压器一次侧的其他开关的档位不变，1≤n≤N,n为自然数，1≤m≤M,m为自然数；步骤S3：K1-1至K1-N断开， K2-m开关断开，K2-m档位保持在预调位置；步骤S4：多次重复S2～S3步骤，记为S2-
1、S3-1、S2-2、S 3-2、…SN-M，且执行时，每次第二变压器动作的电力电子开关编号均不相同；步骤S5：执行阶段，按前面步骤依次开合S2、S2-1、S2-2、…SN-M中记忆的开关。通过采用IGBT高速电力电子开关高速控制不同二次档位开关开合，改变第一变压器二次侧的电压大小，进而调节第二变压器二次侧输出。

[0009] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：解决目前市场上的高幅值波形输出装置大部分只可输出单状态的稳态波形，部分装置输出的稳态波形转换速度慢；采用本发明技术方案具备波形输出稳定、波形转变速度快特点，可高度模拟电力系统中线路单相电流的变化状态，如短路、重合闸、接地、涌流等，也可用于模拟电流系统中的单相电压变化，或应用到需高精度大波动波形输出的其它领域中，如地震学、声学等，应用范围广和实用性强。

附图说明

[0010] 图1为现有技术的单状态单序列有效值波形。

[0011] 图2为目前市场需求的多状态单序列有效值波形。

[0012] 图3为现有技术中的大电压/大电流输出装置原理图。

[0013] 图4为本发明的装置示意图。

[0014] 图5为本发明一实施例的设备初始化示意图。

[0015] 图6为本发明一实施例的调试阶段第一状态调试示意图。

[0016] 图7为本发明一实施例的调试阶段第一状态调试结束示意图。

[0017] 图8为本发明一实施例的调试阶段第二状态调试示意图。

[0018] 图9为本发明一实施例的调试阶段第二状态调试结束示意图。

[0019] 图10为本发明一实施例的测试结果。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

[0021] 在电力系统中，目前采用上位机控制大幅值波形输出装置控制波形输出。按照这个模型来制作一个实物的线路模型，仅适用于输出单序列单状态的大幅值波形。

[0022] 本发明提供一种高幅值多状态单序列波形可控输出装置，包括依次高速多倍分档单元、高速并行高幅值波形输出单元，所述高速多倍分档单元，包括第一变压器及K1-1至K1-N的N个开关；第一变压器一次侧接电源， N个开关并联于第一变压器二次侧；所述高速并行输出单元包括K2-1至K2-M的M个开关及第二变压器；所述第二变压器为带M个中心抽头的变压器；中心抽头由可控开关K2-1至K2-M独立调节；K2-1至K2-M的一端分别接第一变压器二次侧一端； K2-1至K2-M开关另一端分别串联与带M个中心抽头的变压器的M个中心抽头一一对应连接，带M个中心抽头的变压器二次侧直接输出高幅值波形；所述N、M均为大于1的自然数。

[0023] 较佳的，K1-1…K1-N及K2-1…K2-M均为IGBT开关。

[0024] 本发明一实施例的结构示意图参见图4。采用IGBT高速电力电子开关，实现波形的快速切换；第一变压器二次侧的高速多倍数分档单元采用倍数档位切换技术；第二变压器一次侧的高速并行输出单元采用多档位初始值记忆技术。

[0025] 本发明还提供一种基于上述的高幅值多状态单序列波形可控输出装置的方法，其高速多倍数分档单元内利用开关控制档位高速分合， K1-1对应的是第一变压器输出的基础电压值，记为X，X不可调，其余开关对应的电压值均与该基础电压值呈正倍数关系，记为A，且倍数关系固定、只可从已固定的数值中选择；高速并行输出单元中每个开关K2-1～K2-M对应一个可调电压或可调电流初始值，记为B，开关间相互独立。最终输出值Y=A×X×B，（A 可选限定值、B可调任意值，X固定不可调），即实际输出值为二次侧的倍数乘以一次侧的初始值，改变二次输出电压值输出倍数，同时一次快速切换初始值，最终实现单序列多状态波形的高速输出。

[0026] 进一步的，包括以下具体步骤：步骤S1：设备工作前，带M个中心抽头的变压器的中心抽头调节至0位，K1-1至K1-N均断开；步骤S2： K1-n闭合， K2-m开关闭合，第二变压器二次侧绕组调到相应位置，第二变压器一次侧的其他开关的档位不变，1≤n≤N,n为自然数，1≤m≤M,m为自然数；步骤S3：K1-1至K1-N断开， K2-m开关断开，K2-m档位保持在预调位置；步骤S4：多次重复S2～S3步骤，记为S2-1、S3-1、S2-2、S 3-2、…SN-M，且执行时，每次第二变压器动作的电力电子开关编号均不相同；步骤S5：执行阶段，按前面步骤依次开合S2、S2-1、S2-2、……中记忆的开关。通过采用IGBT高速电力电子开关高速控制不同二次档位开关开合，改变第一变压器二次侧的电压大小，进而调节第二变压器二次侧输出。

[0027] 在本发明一具体实施例中：

[0028] 如附图5，设备工作前，一次档位应为0点，二次侧开关均断开；

[0029] 如附图6，调试阶段第一状态调试，二次侧对应开关闭合，一次侧K2-1开关闭合，K2-1档位，一次侧其它档位不变，预调到位；

[0030] 如附图7，第一状态调试调试结束后，二次侧开关断开，一次侧K2-1开关断开，K2-1档位保持在预调位置。如附图8，调试阶段第一状态调试，二次侧对应开关闭合，一次侧K2-2开关闭合，K2-2档位调到相应位置，一次侧其它档位不变，预调到位；

[0031] 如附图9，第一状态调试调试结束后，二次侧开关断开，一次侧K2-2开关断开，K2-2保持在预调位置。

[0032] 本发明在执行阶段，采用igbt高速电力电子开关高速控制不同二次档位开关开合，改变二次侧的电压大小，进而调节一次输出值，档位转化时间短，暂态过程可忽略不计。动作状态从初始状态（附图9）到附图6，再到附图8，最后到初始状态快速转换。

[0033] 基于该控制技术做成的装置模型具备波形稳定，转换速度快等特点，现实际模拟单序列多个状态的电流波形，要求最终输出电流波形的有效值依次为70A、0A、280A、70A、0A。波形经二次反馈后记录，从附图10的反馈结果可以看出，输出波形符合预期。

[0034] 以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。