用于电力系统电气设备过压检测的高压电源研究

引言

近年来,电力系统设备过压检测等领域对高压电源的体积和电压增益提出了更高的要求。部分电力系统中的设备往往暴露在较为恶劣的环境中,如果受到诸如雷击、误操作等影响,会引起局部电压过高,因此对于电气设备的绝缘和过压检测显得尤为重要。作为电气设备绝缘检测激励源的高压电源在该应用领域受到了业界的广泛关注[1—2],这也对激励源的体积提出了要求,因此本文对适用于电气设备绝缘检测的高压电源开展研究。图1给出了电气设备耐压检测的场景。

1高压电源的拓扑组成

本文提出的高压电源由整流模块、高频变压器和倍压单元组成。图2为整流模块,该模块由整流二极管和滤波模块组成。图3为高频变压器和倍压单元,其中高频变压器由升压比为1:N的升压变压器和开关管S1组成,CW电压倍增电路是由多个倍增电容和倍增二极管进行串并联构成的升压网络,当该网络的输入电压呈现交替变化时,输出电压随着倍压单元级数成倍增加[3]。图3为级数为n的CW电压倍压网络,通过多级倍压网络的升压作用,负载端会得到高电压等级且高功率密度的直流电压。在级数为n的CW倍压电路中,当S1导通时,二极管按照D2、D4、D2n的顺序导通,当开关管S1关断时,倍增二极管按照D2n—1、D3、D1的顺序导通。

图4为本文所提出的高压电源拓扑图,该电源由整流单元、高频隔离升压变压器和倍压单元级联而成,市电经过整流单元后馈入隔离升压变压器单元进行升压,再经过后级的倍压单元对电压进行进一步的提升,从而提高了该电源的电压增益,而该级联的结构也减小了电源的体积,从而提高了电源的功率密度[4],降低了高频变压器的工艺难度。本文所提出的高压电源非常适合应用于电力系统中电气设备的过压检测[5—6]。

2高压电源的设计和工作特性分析

2.1电压增益分析

交流电经过整流单元整流后电压vin/为:

整流后的电压馈入后级变压器和倍压单元,可以根据升压变压器的励磁电感Lm上的伏秒平衡进行推导,开关管导通和关断时励磁电感Lm上的电压VLmon、VLmoff分别如式(2)和(3)所示:

为了获取10 kv的输出电压,并使有源器件的电压应力较低,最终选取倍压单元的级数为5,变压器的升压比为6,该高压电源可以在AC220 v的输入下,在较低占空比(D=0.4)的条件下实现输出电压为10 kv的升压变换。

3高压电源的控制回路

图5所示为本文提出的高压电源的控制回路,其中k1为输出电压的采样比。该变换器采用闭环控制来控制输出电压vo,电压比较器副边控制电路产生的误差信号oe1通过电压比较器与锯齿信号进行比较,得到复位信号ore,其中oe1是PI补偿下ors1与参考电压vref1之间的误差电压,从而实现恒压输出。控制回路的隔离通过光耦元件实现,从而保证了该高压电源运行的可靠性。

4仿真验证

本文搭建了一台高压电源的仿真平台,在表1给出的参数条件下进行实验。经过上述分析,开关管的占空比选取在0.4左右。与单开关高增益变换器相同,选取倍压单元级数n=5,并选择合适的变压器匝比N。

图6为高压电源的变压器原边和副边电流波形图,原边电流为谐振电流和励磁电感电流波形的叠加,副边电流波形为谐振电流波形,在谐振期间,原边电流波形近似为正弦波形;图7为稳定后的输出电压的波形,由图可知,输出电压vo稳定在10 kv。

结束语

本文基于电力系统中电气设备过压检测的应用场景设计了一款高压电源,该电源由整流模块、高频变压器和倍压单元组成,从而有效提高了高压电源的功率密度,并降低了高频变压器的工艺难度。该电源可以实现最高电压10 kv的恒压输出,本文详细介绍了高压电源的参数设计、工作特性和损耗分析,并通过仿真验证了其可行性,以证明该高压电源在电气设备过压检测场景中的适用性。