基于線性功率放大器的直流電流階躍源實現技術

翟少磊 崔野 李方青 王任 蘇文婧 李樹斌

摘 要 依據直流電流互感器關于暫態階躍的測試指標及定義，針對現有直流電流階躍源存在的問題，提出一種基于線性功率放大器軟硬件相結合的直流電流階躍電源。通過分析線性功率放大器架構、電流輸出原理和暫態特性，對硬件電路中的濾波回路、功率管分布電容和負載阻抗進行優化，以獲得最佳階躍電流輸出效果，通過控制線性功率放大器的輸入電壓來獲得測試所需的階躍電流波形。直流電流階躍源在現場進行直流電流互感器暫態階躍響應試驗的結果，證實了技術方案的可行性。

關鍵詞 直流電流互感器 直流電流階躍源 線性功率放大 階躍電流 暫態階躍響應測試

中圖分類號 TH862+.7；TM93? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 1000?3932（2023）03?0331?05

作者簡介：翟少磊（1984-），高級工程師，從事高壓互感器計量檢測試驗工作，791467856@qq.com。

引用本文：翟少磊，崔野，李方青，等.基于線性功率放大器的直流電流階躍源實現技術［J］.化工自動化及儀表，2023，50（3）：331-335.

直流電流互感器暫態階躍特性是衡量一次系統電氣量發生變化時的重要參數指標，是直流控保系統正確可靠運行的重要保障，對直流輸電系統的工程實施應用有極大影響［1～6］。

目前，直流電流互感器的暫態測試主要采用閉環階躍響應測試來進行代替測試［7～9］，測試系統由直流暫態階躍電流源、直流暫態電流標準器和直流互感器暫態測試儀3部分組成［10～12］，其中，直流電流暫態階躍電流源的主要作用是施加測試源信號，該電流信號的幅值、過沖、上升時間和趨穩時間都直接影響直流電流互感器的暫態測試結果。目前，國內的直流暫態階躍電流源基本采用電力電子開關電源實現，普遍存在帶負載能力差、電流輸出值低、上升時間過長及輸出穩定性差等缺點，使得直流電流互感器的現場測試工作一直沒有得到很好的開展。為此，筆者提出一種基于線性功率放大器的直流電流階躍電源實現技術，利用線性功率放大器輸出信號穩定性好的特點，采用多路功率管并聯、共用電阻閉環反饋和軟硬件結合的方式，實現直流暫態階躍電流源的快速輸出。

1 直流電子式互感器階躍響應測試

1.1 直流電流互感器暫態測試技術指標要求

按照IEC 61869?14《互感器 第14部分：直流電流互感器的補充技術要求》對于暫態階躍響應的技術要求，測試的輸入電流相對于被試品的響應過程來說近似是一個理想階躍信號。而測試指標主要是階躍響應時間、趨穩時間和階躍過沖3個參數，柔性直流電流互感器對于階躍響應時間的要求進一步提高。另外，受測試回路負載電感的影響，這種近似理想的大電流階躍源是很難實現的。所以目前一般采用閉環測試的方式，同步采集標準源信號與試品的信號，通過計算獲得直流電流互感器的階躍響應指標，因此具有可控的直流電流源，并且能夠適應不同負載參數指標測試的要求。

在直流電流互感器測試過程中，不同應用場合和采樣速率的直流電流互感器的階躍響應指標要求是不一樣的，并且由于測試回路負載電感的影響，根本無法輸出真正意義上的理想階躍電流。此時就需要直流電流階躍電源能夠實現可控的輸出方式，以適應不同測試回路負載電感，從而滿足直流電流互感器在階躍響應時間、趨穩時間和階躍過沖上的測試指標要求。

1.2 電力電子開關電源的實現方式

電力電子開關電源的實現方式如圖1所示。

電力電子開關電源包括依次串聯的濾波電路、整流單元、開關模塊單元、串聯諧振電路、輸出整流單元、控制單元等。

控制單元連接開關模塊單元，對開關模塊單元提供控制及驅動信號；控制單元接收模擬采集單元反饋的被測模擬量電壓值，對開關模塊發送導通信號［13，14］。

濾波電路對交流信號進行低通濾波處理，該電路由三相LC電路組成，在阻帶內將交流信號中的共模干擾和差模干擾信號進行衰減。

整流單元由三相橋式整流器組成，將濾波后的交流電能轉換為直流電能。

開關模塊單元由MOSFET開關單元組成，對整流單元后的電能進行傳輸。

串聯諧振電路由LC和高頻變壓器中初級進行串聯，形成串聯諧振開關電路。

輸出整流單元由隔離二極管及續流二極管組成。

模擬采集單元采集電流源輸出信號并反饋回控制單元進行電流輸出的調制，最終輸出方波電流。

電力電子開關電源是采用交流調制方式產生直流階躍電流信號的，所以只能輸出方波電流，并且由于受負載感性特性和紋波的影響，電流輸出時會產生較大過沖，輸出穩定度較差，趨穩時間很長。

2 基于線性功率放大器的直流電流階躍電源實現方法

線性電源又稱為模擬電源，其實現方式與輸出波形無關，是將小電壓信號按照某種比例通過大功率電源放大成所需要的電流信號。

如圖2所示，基于線性功率放大器的階躍電流源由信號發生模塊、線性功率放大器模塊和電源模塊組成。信號發生模塊因為它的工作點在功率管的線性區域，所以優點是波形穩定性好、可控且不易失真，但輸出特性受功率管的特性和負載阻抗特性影響較大，單管的電流輸出能力有限。因此，筆者提出利用線性電源受控的特點采用軟硬件結合的方式實現直流電流階躍電源，以適應測試時的不同負載，滿足直流電流階躍響應測試的指標要求。

如圖3所示，線性功率放大器回路由濾波回路、功率管、電源偏置和取樣電阻4部分組成。其中，U為輸入控制電壓信號；R和C分別為濾波回路的電阻與電容；C為阻尼電容；電源偏置回路實現電流的雙極性輸出；R為取樣電阻；U為電壓輸出信號；I為最終輸出的電流。將多路功率管級聯以增加整個電源回路的電流輸出能力。

由式（2）可知濾波回路的階躍響應直接影響輸入回路的響應速度。

為了提高整體電流回路的響應速度，按照階躍電流源信號發生裝置數模轉換芯片D/A的響應速率進行設計，調節電容值，使得τ=R1C1=T（T為D/A回路的一個采樣點的采樣間隔時間）。這樣設計，既可保證功率管的安全性又可以不降低輸入信號階躍特性。

3 直流電流階躍電源的測試

采用上述技術設計的直流電流階躍電源在現場對已運行的直流電流互感器進行測試。

由于現場接線時導線過長，使得負載電感增大，當電感加大時受振蕩角頻率的影響，上升時間會變得很長。為了減少負載電感對于階躍電源上升速度的影響，信號發生器采用超調控制，加快上升時間，試品的采樣頻率設定為10 kHz，額定延時100 μs。

測試時，由于試品的采樣率較低，過沖測試基本沒有意義，測試過程階躍電流源上升速度越快越能正確反映試品的階躍響應指標。此時，采用軟硬件配合的方式，來適應現場導線負載變化等復雜場景，從而完成直流電流互感器的暫態階躍響應測試工作。

直流電流互感器階躍響應測試界面如圖4所示。可以看出，在固定負載下，軟硬件配合的直流電流階躍電源的輸出穩定性可以得到有效保證，測試結果滿足直流電流互感器在現場對直流電流互感器階躍響應的測試需求。

4 結束語

隨著直流輸電技術的發展，直流電流互感器對暫態階躍響應特性的要求越來越高，暫態階躍響應測試對直流電流階躍電源輸出電流的幅值、上升時間、階躍過沖及趨穩時間等技術指標也有了更高的要求。利用線性功率放大器輸出波形穩定、可控且不易失真的特點，實現對階躍電流的上升時間、階躍過沖等技術指標的控制，在某特高壓直流換流站現場的直流電流階躍電源對直流電流互感器進行階躍響應測試，結果證明該電源在進行暫態階躍響應特性時，上升時間小于200 μs，過沖低于10%，趨穩時間小于1 ms。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2022-10-09，修回日期：2023-01-04）

Realization of DC Current Step Source Based on Linear?Power Amplifier

ZHAI Shao?lei1， CUI Ye2， LI Fang?qing3， WANG Ren1， SU Wen?jing1， 4， LI Shu?bin5

（1. Electric Power Research Institute， Yunnan Power Grid Co.， Ltd.； 2. Shandong Nuclear Power Co.， Ltd.；?3. College of Humanities， Qujing Medical College； 4. North China Electric Power University；?5. Kunming Luquan Power Supply Bureau）

Abstract? ?Basing on both test index and definition for the transient step of DC current transformer and considering the problems in the existing DC current step source， a DC current step power supply based on the combination of linear power amplifiers software and hardware was proposed.Through analyzing linear power amplifiers architecture， the principle of current output and transient characteristics， the hardware loops filter circuit， the distributed capacitance of the power tube and the load impedance were optimized to obtain the best step current output effect， including having input voltage of the linear power amplifier controlled to obtain step current waveform required for the test. The transient step response test of the DC current transformer carried out on the site for the DC current step source verified the technical schemes feasibility.

Key words? ?DC current transformer， DC current step source， linear power amplifier， step current， transient step response test