CN118487578A - 电压器件、电压模拟装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种电压器件、电压模拟装置及控制方法。电压器件包括至少两个电压源，各电压源的输出端依次串联，各电压源包括直流电压源和电压选择单元，直流电压源与电压选择单元连接；电压选择单元包括第一输出端子和第二输出端子，作为该电压源的输出端；至少两个电压源各自具有对应的电压幅值权重，至少两个电压源通过电压选择单元输出的电压包括对应电压幅值权重的电平电压或者零电平电压，通过不同电压幅值权重的电压源的串联组合，使得电压器件输出任意电压。基于不同权重电压逼近的电压拟合算法，解决现有实验设备无法准确输出复杂变化电压的问题，拓扑结构简单、控制精度高、能够实现对各类快速变化的复杂电压波形进行us级跟踪模拟。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种电压器件、电压模拟装置及控制方法。
背景技术
高压电力电子设备在全球获得越来广泛的应用，在不同应用场合往往需要电压源设备输出种类繁多的电压波形。
例如在高压检验领域，为验证高压设备的各项性能，经常需为试品施加各种电压应力。由于电压波形需求各异，为了提供这样的试验条件，厂商往往需要采购不同的电压源设备、并建设占地庞大的实验室，耗资巨大、建设周期长、维护费用大。
又如在一些并联补偿领域，根据谐波电压情况不同，高压补偿设备需要提供含不同谐波类型的电压脉冲，现有设备很难满足需求。。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提出一种电压器件、电压模拟装置及控制方法。
根据本申请的第一方面，提出一种电压器件，所述电压器件包括至少两个电压源，各电压源的输出端依次串联，各所述电压源包括直流电压源和电压选择单元，
所述直流电压源与所述电压选择单元连接；
所述电压选择单元包括第一输出端子和第二输出端子，作为该电压源的输出端；
所述至少两个电压源各自具有对应的电压幅值权重，所述至少两个电压源通过所述电压选择单元输出的电压包括对应电压幅值权重的电平电压或者零电平电压，通过不同电压幅值权重的电压源的串联组合，使得所述电压器件输出任意电压。
根据一些实施例，所述直流电压源包括四个开关单元，所述四个开关单元两两串联形成串联支路，各串联支路并联。
根据一些实施例，所述直流电压源包括六个开关单元，所述六个开关单元两两串联形成串联支路，各串联支路并联。
根据一些实施例，所述直流电压源还包括交流变压器和直流电容器，其中：
所述交流变压器与各所述串联支路的中点连接；
所述直流电容器与各所述串联支路并联。
根据一些实施例，所述开关单元包括至少一级串联或并联连接的功率半导体器件，所述功率半导体器件包括二极管、晶闸管、IGBT、IEGT、IGCT、GTO、MOSFET、BJT、GTR中的至少一种。
根据一些实施例，所述电压选择单元包括第一开关单元和第二开关单元，其中：
所述第一开关单元与所述第二开关单元串联的串联中点为所述电压选择单元的第一输出端子，所述第二开关单元未与所述第一开关单元相连的端子为所述电压选择单元的第二输出端子。
根据一些实施例，所述电压选择单元包括第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元和第六开关单元，其中：
所述第三开关单元与所述第六开关单元的串联中点为所述电压选择单元的第一输出端子；
所述第四开关单元与所述第五开关单元的串联中点为所述电压选择单元的第二输出端子；
所述电压选择单元输出对应电压幅值权重的正极性电平、零电平或者负极性电平。
根据一些实施例，所述第一开关单元、所述第二开关单元、所述第三开关单元、所述第四开关单元、所述第五开关单元和所述第六开关单元中任一者包括至少一级串联或并联连接的全控型功率半导体器件，所述全控型功率半导体器件包括IGBT、IEGT、IGCT、GTO、MOSFET、BJT、GTR中的至少一种。
根据本申请的第二方面，提出一种电压模拟装置的控制方法，其特征在于，所述电压模拟装置包括控制器和如第一方面中任一者所述的电压器件，用于所述控制器，所述方法包括：
根据参考电压波形，控制所述电压器件解锁；
根据所述电压器件的状态反馈信号，判断是否需要执行保护动作；
在不需要执行保护动作的情况下，控制所述电压器件输出对应的电压波形。
根据一些实施例，所述参考电压波形包括内部参考电压波形或者外部输入参考电压波形。
根据一些实施例，所述控制所述电压器件输出对应的电压波形，包括：
根据所述参考电压波形，控制电压器件中对应电压幅值权重电压源的电压选择单元输出正极性电平或者负极性电平，其他电压幅值权重的电压源的电压选择单元输出零电平，以产生与所述参考电压波形对应的电压波形。
根据一些实施例，还包括：
根据设置选择单次、多次或连续运行模式。
根据一些实施例，还包括：
在需要执行保护动作的情况下，控制所述电压模拟装置停机。
根据本申请的第三方面，提出一种电压模拟装置，包括：
如第一方面中任一项所述的电压器件，用于执行如第二方面中任一项所述的控制方法的控制器，其中：
所述控制器与所述电压器件连接，根据所述参考电压波形，向所述电压器件下发第一控制信号，以控制所述电压器件中对应电压幅值权重的电压源的电压选择单元输出正极性电平或者负极性电平，其他电压幅值权重的电压源的电压选择单元输出零电平，并获取所述电压器件的状态反馈信号。
根据一些实施例，所述控制器包括输入单元、供电单元、人机接口单元、运算单元、保护单元和脉冲控制单元，其中：
所述输入单元用于接收所述第一状态反馈信号，其中，所述第一状态反馈信号用于确定所述电压器件的解锁情况；
所述输入单元与所述运算单元、所述保护单元和所述人机接口单元分别进行信号交互；
所述供电单元用于给所述输入单元、所述人机接口单元、所述运算单元、所述保护单元和所述脉冲控制单元供电，并监视供电电压幅值；
所述脉冲控制单元用于获取经过所述运算单元处理过的信息，并根据所述处理过的信息输出控制脉冲至所述电压器件，以控制所述电压器件解锁；
所述保护单元用于获取所述输入单元、所述人机接口单元、所述运算单元、所述脉冲控制单元的数据，并根据所述数据判断是否控制所述脉冲控制单元输出闭锁脉冲或者使所述控制器提供报警。
根据一些实施例，所述电压模拟装置还包括输出单元，其中：
所述控制器与所述输出单元连接，用于向所述输出单元下发第二控制信号，使所述输出单元解锁；
所述输出单元与所述电压器件连接，用于接收所述电压器件的输出电压，并根据所述输出电压向所述控制器发送第二状态反馈信号。
根据一些实施例，所述输出单元包括过电压限制单元、电压传感器和电流传感器，其中：
所述电压传感器与所述过电压限制单元并联，所述电流传感器与所述过电压限制单元串联，用于检测所述电压器件的输出电压与输出电流；
所述过电压限制单元根据所述控制器的所述第二控制信号解锁，接收所述电压器件输出的电压以限制所述电压器件过电压。
根据一些实施例，所述过电压限制单元包括开关单元、阻尼单元和瞬态过电压吸收模块，其中：
所述开关单元与所述阻尼单元串联后与所述瞬态过电压吸收模块并联；
所述瞬态过电压吸收模块包括金属氧化物避雷器。
本申请提出一种电压器件、电压模拟装置及控制方法，基于不同权重电压逼近的电压拟合算法，解决现有实验设备无法准确输出复杂变化电压的问题，拓扑结构简单、控制精度高、能够实现对各类快速变化的复杂电压波形进行us级跟踪模拟。功能强大、性能优越、经济性好、占地小、维护方便。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，而不是对本申请的限制。
图1示出一示例性实施例的电压器件示意图；
图2示出一示例性实施例的电压源的示意图；
图3示出一示例性实施例的直流电压源的示意图；
图4示出示例性的直流电压源的又一实施例；
图5A示出一示例性实施例的开关单元的示意图；
图5B示出示例性的开关单元的又一实施例；
图5C示出示例性的开关单元的又一实施例；
图5D示出示例性的开关单元的又一实施例；
图5E示出示例性的开关单元的又一实施例；
图6示出一示例性实施例的电压选择单元的示意图；
图7示出示例性的电压选择单元的又一实施例；
图8A示出一示例性实施例的开关单元的示意图；
图8B示出示例性的开关单元的又一实施例；
图8C示出示例性的开关单元的又一实施例；
图9示出一示例性实施例的电压模拟装置示意图；
图10示出一示例性实施例的控制器示意图；
图11示出一示例性实施例的输出单元示意图；
图12示出一示例性实施例的过电压限制单元示意图；
图13示出一示例性实施例的缓冲电路示意图；
图14示出一示例性实施例的电压模拟装置的控制方法的流程图；
图15示一示例性实施例的电压模拟输出波形图；
图16示出示例性的电压模拟输出波形图的又一实施例；
图17示出一示例性实施例的模拟三角波的波形图；
图18示出示例性的模拟三角波的波形图的又一实施例。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的，因此不能用于限制本申请的保护范围。
图1示出一示例性实施例的电压器件示意图。
参见图1，电压器件120包括至少两个电压源11、22、...、nn，各电压源的输出端依次串联，第一个电压源1200的一端和最后一个电压源1220的一端为最终至输出单元。
根据示例实施例，每个电压源接受来自控制器的控制脉冲，并向控制器返回电压源的状态反馈信号，包括：电压输出信号及电流输出信号。
根据一些实施例，电压器件120中多个电压源能够输出的不同幅值权重，至少包含两种权重。
根据一些实施例，电压源分为多种电压等级，如设置电压源11、电压源22、电压源33与电压源44为1U、2U、2U及4U电压等级；或者设置电压源11、电压源22、电压源33与电压源44为10U、20U、20U及40U电压等级；或者设置电压源11、电压源22、电压源33与电压源44为100U、200U、200U及400U电压等级。
图2示出一示例性实施例的电压源的示意图。
如图2所示，各所述电压源包括直流电压源12000和电压选择单元12300，直流电压源12000通过两个端子与电压选择单元12300连接，直流电压源12000与电压选择单元12300获取控制器的控制脉冲，电压选择单元12300包括第一输出端子和第二输出端子，作为该电压源的输出端，与下一个电压源的输出端子连接或者作为电压器件的输出端。
根据示例实施例，至少两个电压源各自具有对应的电压幅值权重，至少两个电压源通过电压选择单元输出的电压包括对应电压幅值权重的电平电压或者零电平电压，通过不同电压幅值权重的电压源的串联组合，使得电压器件输出任意电压。
根据一些实施例，电压源还包括电压传感器12100、12400和电流传感器12200。电压传感器12100与直流电压源12000并联，电压传感器12400与电压选择单元12300并联，以输出直流电压源12000和电压选择单元12300的电压信号至控制器；电流传感器12200串联于电压选择单元的一个输出端，以输出电流信号至控制器。
图3示出一示例性实施例的直流电压源的示意图。
如图3所示，直流电压源12000包括四个开关单元12011、12012、12013、12014，四个开关单元两两串联形成串联支路，各串联支路并联。
根据示例实施例，直流电压源12000包括交流变压器12018、直流电容器12019，其中，交流变压器12018连接于串联支路的中点，直流电容器12019与串联支路并联。
根据示例实施例，控制器输出的控制信号作用于四个开关单元，控制器实时调整控制信号，使得直流电压源的电压稳定在设定值。
根据一些实施例，直流电压源中的开关单元包括至少一级串联或并联连接的功率半导体器件，功率半导体器件包括二极管、晶闸管、IGBT、IEGT、IGCT、GTO、MOSFET、BJT、GTR中的至少一种。如图5A为开关单元包括并联连接的多个串联的晶闸管；图5B为并联连接的多个串联的GTO；图5C为并联连接的多个串联的二极管；图5D为并联连接的多个串联的IGBT；图5E为并联连接的多个串联的常闭开关。
图4示出示例性的直流电压源的又一实施例。
如图4所示，直流电压源12000包括六个开关单元12021、12022、12023、12024、12025、12026，六个开关单元两两串联形成串联支路，各串联支路并联。
根据示例实施例，直流电压源12000包括交流变压器12028、直流电容器12029，其中，交流变压器12028连接于串联支路的中点，直流电容器12029与串联支路并联。
根据示例实施例，控制器输出的控制信号作用于六个开关单元，控制器实时调整控制信号，使得直流电压源的电压稳定在设定值。
根据一些实施例，直流电压源中的开关单元包括至少一级串联或并联连接的功率半导体器件，功率半导体器件包括二极管、晶闸管、IGBT、IEGT、IGCT、GTO、MOSFET、BJT、GTR中的至少一种。如图5A为开关单元包括并联连接的多个串联的晶闸管；图5B为并联连接的多个串联的GTO；图5C为并联连接的多个串联的二极管；图5D为并联连接的多个串联的IGBT；图5E为并联连接的多个串联的常闭开关。
图6示出一示例性实施例的电压选择单元的示意图。
如图6所示，电压选择单元12300包括第一开关单元12311和第二开关单元12312，其中：第一开关单元12311与第二开关单元12312串联的串联中点为电压选择单元12300的第一输出端子Pout，第二开关单元12312未与第一开关单元12311相连的端子为电压选择单元的第二输出端子Nout。
根据示例实施例，控制器输出的控制信号作用于第一开关单元12311和第二开关单元12312，控制器实时调整控制信号，控制目标是将Pout端与Nout端之间电压进行切换，以输出+Upn与0。
根据一些实施例，电压选择单元中的开关单元包括至少一级串联或并联连接的全控型功率半导体器件，全控型功率半导体器件包括IGBT、IEGT、IGCT、GTO、MOSFET、BJT、GTR中的至少一种；如图8A为并联连接的多个串联的GTO；图8B为并联连接的多个串联的IGBT；图8C为并联连接的多个串联的常闭开关。
图7示出示例性的电压选择单元的又一实施例。
如图7所示，电压选择单元12300包括第三开关单元12321、第四开关单元12322、第五开关单元12323和第六开关单元12324，其中：第三开关单元12321与第六开关单元12324的串联中点为电压选择单元12300的第一输出端子Pout；第四开关单元12322与第五开关单元12323的串联中点为电压选择单元的第二输出端子Nout。
根据示例实施例，控制器输出的控制信号作用于第三开关单元12321、第四开关单元12322、第五开关单元12323和第六开关单元12324，控制器实时调整控制信号，控制目标是将Pout端与Nout端之间电压进行切换，以输出+Upn、-Upn与0。
根据一些实施例，电压选择单元中的开关单元包括至少一级串联或并联连接的全控型功率半导体器件，全控型功率半导体器件包括IGBT、IEGT、IGCT、GTO、MOSFET、BJT、GTR中的至少一种；如图8A为并联连接的多个串联的GTO；图8B为并联连接的多个串联的IGBT；图8C为并联连接的多个串联的常闭开关。
图9示出一示例性实施例的电压模拟装置示意图。
如图9所示，电压模拟装置包括控制器110和电压器件120。其中：控制器110与电压器件120连接，根据参考电压波形，向电压器件120下发第一控制信号，以控制电压器件120中对应电压幅值权重的电压源的电压选择单元输出正极性电平或者负极性电平，其他电压幅值权重的电压源的电压选择单元输出零电平，并获取电压器件的状态反馈信号。
根据示例实施例，参考电压波形包括内部参考电压波形或者外部输入参考电压波形。
根据一些实施例，控制器110接入外部输入信号，以获取外部输入参考电压波形，一般采用电信号或者光信号进行连接。
根据一些实施例，控制器110还通过与外部PC连接，实现PC对控制器110的控制，实现触发录波、数据导入导出等功能。
根据一些实施例，电压模拟装置还包括输出单元130，控制器110与输出单元130连接，用于向输出单元130下发第二控制信号，使输出单元130解锁；输出单元130与电压器件120连接，用于接收电压器件120的输出电压，并根据输出电压向控制器110发送第二状态反馈信号。
根据示例实施例，输出单元130的两个电压端子与试品140连接，用于向试品140输出电压模拟装置产生的电压波形。
图10示出一示例性实施例的控制器示意图。
如图10所示，控制器110包括输入单元1120、供电单元1100、人机接口单元1110、运算单元1130、保护单元1140和脉冲控制单元1150，其中：
输入单元1120用于接收第一状态反馈信号和第二状态反馈信号，其中，第一状态反馈信号用于确定电压器件120的解锁情况，第二状态反馈信号用于确定电压器件120的输出电压是否在阈值内；
输入单元1120与运算单元1130、保护单元1140和人机接口单元1110分别进行信号交互；
供电单元1100用于给输入单元1120、人机接口单元1110、运算单元1130、保护单元1140和脉冲控制单元1150供电，并监视供电电压幅值；
脉冲控制单元1150用于获取经过运算单元1130处理过的信息，并根据处理过的信息输出控制脉冲至电压器件120和输出单元130，以控制电压器件120和输出单元130解锁；
保护单元1140用于获取输入单元1120、人机接口单元1110、运算单元1130、脉冲控制单元1150的数据，并根据数据判断是否控制脉冲控制单元1150输出闭锁脉冲或者使控制器110提供报警。
根据示例实施例，输入单元1120接入外部输入信号，以获取外部输入参考电压波形，一般采用电信号或者光信号进行连接。
根据示例实施例，人机接口单元1110通过与外部PC连接，实现PC对控制器110的控制，实现触发录波、数据导入导出等功能。
图11示出一示例性实施例的输出单元示意图。
如图11所示，输出单元130包括过电压限制单元1300、电压传感器1310和电流传感器1320，其中：
电压传感器1310与过电压限制单元1300并联，电流传感器1320与过电压限制单元1300串联，用于检测电压器件120的输出电压与输出电流；过电压限制单元1300根据控制器110的第二控制信号解锁，接收电压器件120输出的电压以限制电压器件120过电压。
图12示出一示例性实施例的过电压限制单元示意图。
如图12所示，过电压限制单元1300包括开关单元13010、阻尼单元13011和瞬态过电压吸收模块13012，其中：开关单元13010与阻尼单元13011串联后与瞬态过电压吸收模块13012并联；瞬态过电压吸收模块13012包括金属氧化物避雷器。
根据一些实施例，出现过电压时，开通开关单元13010，过电压能量得到释放；同时，瞬态过电压吸收模块13012也在电压超过一定程度会起作用。
图13示出一示例性实施例的缓冲电路示意图。
根据一些实施例，开关单元包括功率半导体器件，图13中以IGBT为例，触发单元12514连接于IGBT的驱动门极侧以控制开关单元，可以在开关单元并联缓冲电路12510。
根据示例实施例，缓冲电路12510包括电阻电路12511，电阻电容串联电路12512，电阻电容二极管电路12513中的一种或多种。
图14示出一示例性实施例的电压模拟装置的控制方法的流程图。
S101，启动电压模拟装置。
S102，判断控制器、电压器件、输出单元的状态信号是否正常。
根据示例实施例，检查控制器、电压器件、输出单元的状态信号是否正常；若正常，则转到S103；若不正常，则报警问题处理，完成之后转到S102。
S103，判断是否跟踪内部参考电压；
根据示例实施例，电压模拟装置根据参考电压波形产生电压波形，参考电压波形包括内部参考电压波形或者外部输入参考电压波形。若是，则转到S104；若否，则转到S105。
S104，确定内部参考电压波形；
S105，确定外部输入参考电压波形；
S106，根据设置选择单次、多次或连续运行模式。
根据一些实施例，单次模式是指对输入的参考电压波形的限定段只输出一次，多次模式是指对输入的参考电压波形的限定段输出设定次数，连续运行模式是指对输入的参考电压波形的限定段连续输出。
S107，控制电压器件解锁。
根据示例实施例，根据参考电压波形，控制电压器件中对应电压幅值权重电压源的电压选择单元输出正极性电平或者负极性电平，其他电压幅值权重的电压源的电压选择单元输出零电平，以产生与参考电压波形对应的电压波形。
根据一些实施例，电压器件包括四个电压源，如设置电压源11、电压源22、电压源33与电压源44为1U、2U、2U及4U电压等级；若要输出-4U的电压等级，则控制电压源22、33的电压选择单元输出负极性电平，电压源11、44的电压选择单元输出零电平，以产生对应的电压波形。
根据一些实施例，还控制输出单元解锁，输出单元与电压器件连接，用于接收电压器件的输出电压，并根据输出电压向控制器发送第二状态反馈信号。
S108，根据电压器件的状态反馈信号，判断是否需要执行保护动作。
根据示例实施例，电压源接收来自控制器的控制脉冲，并向控制器返回电压源的第一状态反馈信号，第一状态反馈信号用于确定电压器件的解锁情况，包括：电压输出信号及电流输出信号。在电压器件电压输出或者电流输出错误的情况下，转到S109；若输出正常，则转到S110。
根据一些实施例，控制器还接收输出单元的第二状态反馈信号；第二状态反馈信号用于确定电压器件的输出电压是否在阈值内；在输出单元检测到电压器件输出电压超过阈值的情况下，则转到S109；在输出单元未检测到电压器件输出电压未超过的情况下，则转到S110。
S109，执行保护动作。
根据示例实施例，在需要执行保护动作的情况下，控制电压模拟装置停机。
S110，电压正常输出。
根据示例实施例，在不需要执行保护动作的情况下，控制电压模拟装置输出对应的电压波形至试品。
本申请提供一种电压模拟装置的控制方法，电压模拟装置可以实现对外部输入波形信号的实时跟踪，也可以对内部典型的波形信号进行输出。基于不同权重电压逼近的电压拟合算法，解决现有实验设备无法准确输出复杂变化电压的问题，拓扑结构简单、控制精度高、能够实现对各类快速变化的复杂电压波形进行us级跟踪模拟。功能强大、性能优越、经济性好、占地小、维护方便。
图15示一示例性实施例的电压模拟输出波形图。
以包含四个电压源为例：四个电压源包括三种权重，分别为1U、两个2U与4U。
t1时刻参考电压从零提高到+1U，只需1U电压源输出+1U、其它电压源输出0；
t2时刻参考电压从+1U提高到+2U，只需一个2U电压源输出+2U、其它电压源输出0；
t3时刻参考电压从+2U提高到+3U，需一个2U电压源输出+2U、1U电压源输出+1U、其它电压源输出0；
t4时刻参考电压从+3U提高到+4U，只需4U电压源输出+4U、其它电压源输出0；
t5时刻参考电压从+4U提高到+5U，需4U电压源输出+4U、需1U电压源输出+1U、其它电压源输出0；
t6时刻参考电压从+5U提高到+6U，需4U电压源输出+4U、需一个2U电压源输出+2U、其它电压源输出0；
t7时刻参考电压从+6U提高到+7U，需4U电压源输出+4U、需一个2U电压源输出+2U、需1U电压源输出+1U、其它电压源输出0；
t8时刻参考电压从+7U提高到+8U，需4U电压源输出+4U、需2U电压源输出+2U、需另一2U电压源输出+2U、其它电压源输出0；
t9时刻参考电压从+8U提高到+9U，需4U电压源输出+4U、需2U电压源输出+2U、需另一2U电压源输出+2U、需1U电压源输出+1U；
t10时刻参考电压从+9U降低到+5U，需4U电压源输出+4U、需1U电压源输出+1U、其它电压源输出0；
t11时刻参考电压从+5U降低到+3U，需一个2U电压源输出+2U、需1U电压源输出+1U、其它电压源输出0；
t12时刻参考电压从+3U降低到+1U，只需1U电压源输出+1U、其它电压源输出0；
t13时刻参考电压从+1U降低到-1U，只需1U电压源输出-1U、其它电压源输出0；
t14时刻参考电压从-1U降低到-2U，只需2U电压源输出-2U、其它电压源输出0；
t15时刻参考电压从-2U降低到0，全部电压源输出0。
图16示出示例性的电压模拟输出波形图的又一实施例。
以包含四个电压源为例：四个电压源包括三种权重，分别为1U、两个2U与5U。
t1时刻参考电压从零提高到+1U，只需1U电压源输出+1U、其它电压源输出0；
t2时刻参考电压从+1U提高到+2U，只需一个2U电压源输出+2U、其它电压源输出0；
t3时刻参考电压从+2U提高到+3U，需一个2U电压源输出+2U、需1U电压源输出+1U、其它电压源输出0；
t4时刻参考电压从+3U提高到+4U，两个2U电压源输出+2U、其它电压源输出0；
t5时刻参考电压从+4U提高到+5U，需5U电压源输出+5U、其它电压源输出0；
t6时刻参考电压从+5U提高到+6U，需5U电压源输出+5U、需1U电压源输出+1U、其它电压源输出0；
t7时刻参考电压从+6U提高到+7U，需5U电压源输出+5U、需一个2U电压源输出+2U、其它电压源输出0；
t8时刻参考电压从+7U提高到+8U，需5U电压源输出+5U、需一个2U电压源输出+2U、1U电压源输出+1U、其它电压源输出0；
t9时刻参考电压从+8U提高到+9U，需5U电压源输出+5U、需2U电压源输出+2U、需另一2U电压源输出+2U、其它电压源输出0；
t10时刻参考电压从+9U降低到+5U，需5U电压源输出+5U、其它电压源输出0；
t11时刻参考电压从+5U降低到+3U，需一个2U电压源输出+2U、需1U电压源输出+1U、其它电压源输出0；
t12时刻参考电压从+3U降低到+1U，只需1U电压源输出+1U、其它电压源输出0；
t13时刻参考电压从+1U降低到-1U，只需1U电压源输出-1U、其它电压源输出0；
t14时刻参考电压从-1U降低到-2U，只需一个2U电压源输出-2U、其它电压源输出0；
t15时刻参考电压从-2U提高到0，全部电压源输出0。
图17示出一示例性实施例的模拟三角波的波形图。
电压模拟装置包括20kV电压源、10kV电压源、4kV电压源、2kV电压源、2kV电压源、1kV电压源共6个电压源，对高压三角波进行模拟，输出电压与参考电压基本一致。
图18示出示例性的模拟三角波的波形图的又一实施例。
电压模拟装置包括20kV电压源、10kV电压源、4kV电压源、2kV电压源、2kV电压源、1kV电压源共6个电压源对复杂变化的电压进行模拟，输出电压与参考电压基本一致。
若需要输出电压更加精细可以考虑再增加400V、200V、200V与100V电压源。
应清楚地理解，本申请描述了如何形成和使用特定示例，但本申请不限于这些示例的任何细节。相反，基于本申请公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。
此外，需要注意的是，上述附图仅是根据本申请示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
以上具体地示出和描述了本申请的示例性实施例。应可理解的是，本申请不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本申请意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。
Claims (18)
1.一种电压器件，其特征在于，所述电压器件包括至少两个电压源，各电压源的输出端依次串联，各所述电压源包括直流电压源和电压选择单元，
所述直流电压源与所述电压选择单元连接；
所述电压选择单元包括第一输出端子和第二输出端子，作为该电压源的输出端；
所述至少两个电压源各自具有对应的电压幅值权重，所述至少两个电压源通过所述电压选择单元输出的电压包括对应电压幅值权重的电平电压或者零电平电压，通过不同电压幅值权重的电压源的串联组合，使得所述电压器件输出任意电压。
2.如权利要求1所述的电压器件，其特征在于，所述直流电压源包括四个开关单元，所述四个开关单元两两串联形成串联支路，各串联支路并联。
3.如权利要求1所述的电压器件，其特征在于，所述直流电压源包括六个开关单元，所述六个开关单元两两串联形成串联支路，各串联支路并联。
4.如权利要求2或3所述的电压器件，其特征在于，所述直流电压源还包括交流变压器和直流电容器，其中：
所述交流变压器与各所述串联支路的中点连接；
所述直流电容器与各所述串联支路并联。
5.如权利要求2或3所述的电压器件，其特征在于，所述开关单元包括至少一级串联或并联连接的功率半导体器件，所述功率半导体器件包括二极管、晶闸管、IGBT、IEGT、IGCT、GTO、MOSFET、BJT、GTR中的至少一种。
6.如权利要求1所述的电压器件，其特征在于，所述电压选择单元包括第一开关单元和第二开关单元，其中：
所述第一开关单元与所述第二开关单元串联的串联中点为所述电压选择单元的第一输出端子，所述第二开关单元未与所述第一开关单元相连的端子为所述电压选择单元的第二输出端子。
7.如权利要求1所述的电压器件，其特征在于，所述电压选择单元包括第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元和第六开关单元，其中：
所述第三开关单元与所述第六开关单元的串联中点为所述电压选择单元的第一输出端子；
所述第四开关单元与所述第五开关单元的串联中点为所述电压选择单元的第二输出端子；
所述电压选择单元输出对应电压幅值权重的正极性电平、零电平或者负极性电平。
8.如权利要求6或7所述的电压器件，其特征在于，所述第一开关单元、所述第二开关单元、所述第三开关单元、所述第四开关单元、所述第五开关单元和所述第六开关单元中任一者包括至少一级串联或并联连接的全控型功率半导体器件，所述全控型功率半导体器件包括IGBT、IEGT、IGCT、GTO、MOSFET、BJT、GTR中的至少一种。
9.一种电压模拟装置的控制方法，其特征在于，所述电压模拟装置包括控制器和如权利要求1至8任一者所述的电压器件，用于所述控制器，所述方法包括：
根据参考电压波形，控制所述电压器件解锁；
根据所述电压器件的状态反馈信号，判断是否需要执行保护动作；
在不需要执行保护动作的情况下，控制所述电压器件输出对应的电压波形。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述参考电压波形包括内部参考电压波形或者外部输入参考电压波形。
11.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制所述电压器件输出对应的电压波形，包括：
根据所述参考电压波形，控制电压器件中对应电压幅值权重电压源的电压选择单元输出正极性电平或者负极性电平，其他电压幅值权重的电压源的电压选择单元输出零电平，以产生与所述参考电压波形对应的电压波形。
12.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，还包括：
根据设置选择单次、多次或连续运行模式。
13.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，还包括：
在需要执行保护动作的情况下，控制所述电压模拟装置停机。
14.一种电压模拟装置，其特征在于，包括：
如权利要求1-8中任一项所述的电压器件，用于执行如权利要求9-13中任一项所述的控制方法的控制器，其中：
所述控制器与所述电压器件连接，根据所述参考电压波形，向所述电压器件下发第一控制信号，以控制所述电压器件中对应电压幅值权重的电压源的电压选择单元输出正极性电平或者负极性电平，其他电压幅值权重的电压源的电压选择单元输出零电平，并获取所述电压器件的状态反馈信号。
15.如权利要求14所述的电压模拟装置，其特征在于，所述控制器包括输入单元、供电单元、人机接口单元、运算单元、保护单元和脉冲控制单元，其中：
所述输入单元用于接收所述第一状态反馈信号，其中，所述第一状态反馈信号用于确定所述电压器件的解锁情况；
所述输入单元与所述运算单元、所述保护单元和所述人机接口单元分别进行信号交互；
所述供电单元用于给所述输入单元、所述人机接口单元、所述运算单元、所述保护单元和所述脉冲控制单元供电，并监视供电电压幅值；
所述脉冲控制单元用于获取经过所述运算单元处理过的信息，并根据所述处理过的信息输出控制脉冲至所述电压器件，以控制所述电压器件解锁；
所述保护单元用于获取所述输入单元、所述人机接口单元、所述运算单元、所述脉冲控制单元的数据，并根据所述数据判断是否控制所述脉冲控制单元输出闭锁脉冲或者使所述控制器提供报警。
16.如权利要求14所述的电压模拟装置，其特征在于，所述电压模拟装置还包括输出单元，其中：
所述控制器与所述输出单元连接，用于向所述输出单元下发第二控制信号，使所述输出单元解锁；
所述输出单元与所述电压器件连接，用于接收所述电压器件的输出电压，并根据所述输出电压向所述控制器发送第二状态反馈信号。
17.如权利要求16所述的电压模拟装置，其特征在于，所述输出单元包括过电压限制单元、电压传感器和电流传感器，其中：
所述电压传感器与所述过电压限制单元并联，所述电流传感器与所述过电压限制单元串联，用于检测所述电压器件的输出电压与输出电流；
所述过电压限制单元根据所述控制器的所述第二控制信号解锁，接收所述电压器件输出的电压以限制所述电压器件过电压。
18.如权利要求17所述的电压模拟装置，其特征在于，所述过电压限制单元包括开关单元、阻尼单元和瞬态过电压吸收模块，其中：
所述开关单元与所述阻尼单元串联后与所述瞬态过电压吸收模块并联；
所述瞬态过电压吸收模块包括金属氧化物避雷器。
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