電力操作系統(tǒng)中高頻開關(guān)電源的并聯(lián)均流技術(shù)

1 引言

在發(fā)電廠和變電所中，為了給控制、信號、保護、自動裝置、事故照明和交流不停電電源等裝置供電，一般都要求有可靠的直流電源。為此，發(fā)電廠和110kV以上的變電所通常用蓄電池作為直流電源，但要求上述電源具有高度的可靠性和穩(wěn)定性，并且其電源容量和電壓能在最嚴重的事故情況下保證用電設(shè)備的可靠工作。

另外，目前由于半導體功率器件、磁性材料等方面的原因，單個開關(guān)電源模塊的最大輸出功率只有上kW，而實際應用中往往需用幾十kW甚至幾百kW以上的開關(guān)電源為系統(tǒng)供電，因此，要通過電源模塊的并聯(lián)運行來實現(xiàn)。大功率電源系統(tǒng)需要采用若干臺開關(guān)電源并聯(lián)的形式，以滿足負載的功率要求。在并聯(lián)系統(tǒng)中，每個變換器應處理較小的功率以降低應力，還應采用冗余技術(shù)來提高系統(tǒng)的可靠性。電源并聯(lián)運行是電源產(chǎn)品模塊化、大容量化的一個有效方法，同時也是實現(xiàn)組合大功率電源系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2 常用的均流方法

由于大功率電源負載需求的增加以及分布式電源系統(tǒng)的發(fā)展，開關(guān)電源并聯(lián)技術(shù)的重要性也日益增加。但是并聯(lián)的開關(guān)變換器在模塊間通常需要采用均流（Current sharing）措施。它是實現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)的關(guān)鍵，其目的在于保證模塊間電源應力和熱應力的均勻分配，防止一臺或多臺模塊運行在電流極限（限流）狀態(tài)。因為并聯(lián)運行的各個模塊特性并不一致，外特性好（電壓調(diào)整率小）的模塊可承擔更多的電流，甚至過載，從而使某些外特性較差的模塊運行于輕載狀態(tài)，甚至基本上是空載運行。其結(jié)果必然加大了分擔電流多的模塊的熱應力，從而降低了可靠性。

開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)常用的均流方法有：
（1）輸出阻抗法；
（2）主從設(shè)置法；
（3）按平均電流值自動均流法；
（4）外加均流控制器法；
（5）最大電流自動均流法（又叫自主均流法）。

直流模塊并聯(lián)的方案很多，但用于電力操作電源，都存在著這樣或者那樣的缺陷。其主要表現(xiàn)在：輸出阻抗法的均流精度太低；主從設(shè)置法和平均電流法都無法實現(xiàn)冗余技術(shù)，因而并聯(lián)電源模塊系統(tǒng)的可靠性得不到很好的保證；外加均流控制器法使系統(tǒng)變得過于復雜，不利于把這一技術(shù)轉(zhuǎn)化成實際的產(chǎn)品。而自主均流法以其均流精度高，動態(tài)響應好，可以實現(xiàn)冗余技術(shù)等特點，越來越受到產(chǎn)品開發(fā)人員的青睞。

所謂自主均流技術(shù)，就是在n個并聯(lián)模塊中，以輸出電流最大的模塊為主模塊，而以其余的模塊為從模塊。由于n個并聯(lián)模塊中，一般都沒有事先人為設(shè)定哪個模塊為主模塊，而是通過電流的大小自動排序，電流大的自然成為主模塊，“自主均流法”因此而得名。

3 220/10A整流模塊

筆者設(shè)計了一個220V/40A高頻開關(guān)電源，可用于發(fā)電廠、變電所、變電站等電力控制的直流屏系統(tǒng)。該設(shè)計方案采用4個220V/10A模塊并聯(lián)來實現(xiàn)模塊間的自主均流，從而為電力系統(tǒng)提供了一種重量更輕、體積更小、效率更高、安全性更好的整流模塊實現(xiàn)方案。由于篇幅所限，本文只介紹220V/10A整流模塊的實現(xiàn)方法。

高頻開關(guān)電源性能優(yōu)于相控整流電源，它能否得到廣泛工業(yè)應用的關(guān)鍵是其可靠性，特別是當輸出直流電壓較高時應能可靠工作。除元器件及生產(chǎn)工藝等因素外，開關(guān)電源的可靠性主要取決于其主電路拓撲結(jié)構(gòu)及控制方法。在設(shè)計該電源模塊時，選用了可靠性很高的三相電流型PWM整流器來完成三相功率因數(shù)校正及移相全橋諧振拓撲，從而實現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換；PWM控制則采用電流型控制方法來實現(xiàn)。

3.1 三相PWM整流器

圖1所示是一種三相PWM整流器的主電路，該電路的每個橋臂均由2只IGBT和2只二極管組成。其中IGBT的驅(qū)動脈沖采用正弦PWM調(diào)制脈沖，因此，輸入電流和輸出調(diào)制電壓Vd中就只含有下式所示的諧波：

式中：Id為輸出電感中的電流；VL為輸入線電壓有效值；P為0°～60°區(qū)間內(nèi)的脈沖數(shù)；M為調(diào)制系數(shù)，M=U_o/U_m。

PWM整流器具有輸入功率因數(shù)高，輸入電流的低次諧波電流含量少，PWM調(diào)制脈沖易實現(xiàn)以及成本低等優(yōu)點。

3.2 全橋DC/DC變換器

（1）主電路拓撲

根據(jù)該高頻開關(guān)電源的輸出功率較大(220V、10A)且工作頻率較高(100kHz)等實際情況，選用了全橋隔離式PWM變換器，圖2是其電路圖。

這種線路的優(yōu)點有二：一是主變換器只需一個原邊繞組，通過正、反向電壓即可得到正、反向磁通，副邊繞組采用全橋全波整流輸出。因此變壓器鐵芯和繞組可得到最佳利用，從而使效率密度得到提高；二是功率開關(guān)可在非常安全的情況下運行。

（2）控制與保護

DC/DC變換器采用峰值電流型PWM控制，并采用自主均流法實現(xiàn)多個模塊并聯(lián)運行時的均流控制。這種均流控制方法與電源模塊數(shù)目無關(guān)，且任意1個模塊發(fā)生故障或退出運行時，均不影響其它模塊的均流功能，從而真正實現(xiàn)了N+1冗余運行。

PWM脈沖寬度調(diào)制開關(guān)變換器的控制芯片采用UC3875移相專業(yè)控制芯片，該芯片主要應用于全橋變換器電路。它有電壓型和電流型控制模式可供選擇。UC3875具有限流、輸入過壓、輸出過壓、輸入欠壓等保護功能。自動均流電路采用以最大電流自動均流法為原理的集成均流芯片UC3907，應用UC3907可以調(diào)節(jié)電源模塊的電壓并實現(xiàn)并聯(lián)模塊間的均流。

（3）DC/DC變換器的技術(shù)指標

用于電力系統(tǒng)的高頻開關(guān)電源可滿足的技術(shù)指標如下：
①輸入交流電壓：380V；
②紋波系數(shù)：≤0.5%；
③電網(wǎng)頻率：50Hz；
④功率因數(shù)：≥0.9；
⑤輸出直流電壓：220V；
⑥穩(wěn)壓精度：≤0.5%；
⑦模塊輸出電流：10A；
⑧穩(wěn)流精度：≤0.5%；
⑨整機輸出電流：40A；
⑩均流不平衡度：≤0.5%。

4 結(jié)束語

本文通過對高頻開關(guān)電源的研究，設(shè)計了一種用于電力系統(tǒng)直流操作電源的高頻開關(guān)電源整流模塊，與現(xiàn)在使用的相控整流電源相比，該模塊的重量更輕、體積更小、效率更高、安全性更好。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，均流技術(shù)將會更加成熟完善，也必將推動高頻開關(guān)電源朝著更大規(guī)模的方向發(fā)展。

參考文獻：

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