智能模块化高频变换直流电源系统

刘文华¹　秦荃华¹　赵素阁¹　刘文辉²
1.清华大学电机系　北京　100084　2.长沙电力学院　湖南长沙　410077

直流操作电源(220、110 V)系统在发电厂、变电站具有重要的地位，其可靠性与稳定性直接影响到发、变电运行及设备的安全性。传统的直流操作电源采用相控整流电源，具有体积大、重量大、输出电压纹波大、可维护性差等缺点。MOSFET、IGBT等高速功率半导体器件及高频磁芯的发展，使得采用高频开关变换技术实现操作电源成为可能。高频开关电源由于具有更高的效率、更小的体积和重量及更快速的动态响应，正在逐步取代传统的相控整流型一次电源。此外，对电网谐波污染的限制、电池自动充放电管理以及遥信、遥测功能的要求，使得高输入功率因数及智能化成为这种电源的发展方向。对大容量的电源系统，采用多电源模块并联运行的模块化结构方式，可更好地提高系统的可靠性和可维护性。

1　电源系统构成
　　为满足高可靠性及智能化等要求，本电源系统采用了图1所示的结构，它由交流配电单元、整流模块、信号转换单元、直流配电单元、监控模块、接地检测模块、电池巡检模块及远地监控计算机组成。交流配电单元输入2路380 V交流电源，2路电源互为备用；整流模块为三相输入高功率因数高频开关电源，若干台整流模块以N+1冗余方式并联运行，并以无主方式均分总负载电流，使得系统具有高可靠性；监控模块可对系统各部分进行实时监测，并自动完成电池的充放电控制；监控模块还具有RS232/RS485通信接口，可与各种RTU通信，构成系统的远地集中监控。监控模块扩展的CAN总线通信接口可与整流模块、接地检测模块及电池巡检模块通信，构成完整的电源系统监控。

图1　智能模块化高频变换直流电源系统

2　高功率因数220 V/10 A整流模块
　　高频开关电源性能优于相控整流电源，它能否得到广泛工业应用的关键是其可靠性，开关电源的可靠性主要取决于其主电路拓扑及控制方法。在设计该电源模块时，选用了可靠性很高的三相电流型PWM整流器，完成三相功率因数校正及双正激变换拓扑完成DC/DC变换；PWM控制采用电流型控制方法。
2.1　三相PWM整流器
　　三相PWM整流器主电路，每个桥臂由1只IGBT和1只二极管组成。IGBT的　驱动脉冲采用如图2所示正弦PWM调制脉冲^［1］，使得输入电流I_ac和输出直流电压V_d中，只含有如式(1)～(3)所示谐波。输出电压稳定于400 V。正弦PWM调制脉冲采用离线计算，并存储于EPROM芯片中，由同步触发电路和波形合成电路实时生成。同步触发时钟频率由锁相环生成，而触发计数的基地址由输出电压闭环反馈控制电路的输出电压控制。

　　　　　　　　　　(1)

　　　　　　　　　　　　(2)

　　　　　　　　　　(3)

式中　I_d——输出电感中电流；
　　　V_L——输入线电压有效值；
　　　p——0～60°区间内的脉冲数；
　　　M——调制系数，M=U₀/U_m 。
　　PWM整流器有以下优点：(1)输入功率因数在所有负载情况下均保持不变(接近1.0)，这是因为只有调制系数M变化，输入电流相角一直与输入电压相角保持一致；(2)输入电流中低次谐波电流含量小，这可减少输入滤波电感；(3)输出直流电压稳定于400 V，使得输出DC/DC 变换器可选用500～600 V耐压器件作为开关器件，且DC/DC变换变压器和输出滤波电感利用充分，效率得到提高；(4)PWM调制脉冲易实现，成本低。

图2　正弦PWM调制波形

2.2　DC/DC变换器
2.2.1　主电路拓扑
　　全桥相移谐振变换拓扑是目前较实用的高效率的大功率DC/DC变换拓扑，但由于有易发生桥臂直通短路及变压器原边偏磁饱和的缺点，使其可靠性难以保证。正激变换拓扑完全避免了以上缺点，其可靠性很高，在要求高可靠性的开关电源中越来越多地被采用。本系统采用双管双正激拓扑完成DC/DC变换^［2］(见图3)。
　　在图3中，S1、S2及D1、D2、T1、D5、D6组成第1个正激变换器；S3、S4、D3、D4、T2、D7、D8组成第2个正激变换器；这种双管单正激可降低开关管耐压要求。S1～S4采用高速IGBT器件IRG4PC40W(600 V/40 A)，开关频率为80 kHz；2个正激变换器的驱动脉冲相位相差180°；功率变压器及输出滤波电感磁心都采用H7C1材料的EE70磁心。由于输出电压较高，2个正激变换器的输出整流电路相串联，以解决整流二极管的耐压问题。L和E组成输出滤波回路。

图3　双管双正激DC/DC变换器

2.2.2　控制与保护
　　DC/DC变换器采用峰值电流型PWM控制，并采用最大值均流控制法实现多个模块并联运行时的均流控制，这种均流控制方法与电源模块数目无关，且任意1台故障或退出运行，均不影响其它模块的均流功能，真正实现了N+1冗余运行。
　　为了使电源模块在任何运行工况及环境下不会损坏，在电源内设置了以下保护：温度控制的风冷、输入交流电压欠压和过压保护、输出电流限流、输出过压保护、输出过流保护、散热器过温保护。
2.2.3　主要性能指标
　　交流输入电压为342～456 V、45～60 Hz；功率因数＞0.95；直流输出电压为198～286 V;额定直流输出电流10 A；效率88%；纹波电压有效值＜0.1%；稳压、稳流精度均＜±0.5%；多机并联均流精度＜2%；体积为400 mm×140 mm×260 mm。

图4　监控块构成

2.3　CAN通信接口
　　为减少监控模块与整流模块的连线，在整流模块内，通过80C196单片机控制一CAN总线控制器来构成CAN总线通信接口。CAN总线通过双绞线实现高速串行通信，是一种高可靠、低成本的现场总线^［3］，可实现比RS232/RS485更远、更快速的通信。80C196采集整流模块输出电压、输出电流、散热器温度、开/关机状态、故障状态等信号，并通过CAN总线通信传送给监控模块；同时通过通信将监控模块的充电电压给定、充电电流给定、开/关机信号、故障复位信号传送给整流模块。

3　监控模块
　　监控模块位于电源屏内，它除了具有对电源系统各单元运行状态与参数的采集、显示、参数设置及电池自动充放电控制功能外，还具备与上位监控计算机的通信功能，即能不断接受上位机送来的命令，并根据命令对电源系统进行操作或将电源系统各单元的运行状态、参数传送给上位机。监控模块结构见图4，它由80C196单片机、交直流配电参数采集单元、点阵液晶汉字显示与键盘操作单元、串行口通信单元、CAN总线通信单元组成。通过RS485或RS232串行通信，实现对电源系统的“四遥”通信，通信协议采用串校验和协议^［4］；通过CAN总线控制器扩展CAN通信总线与接地检测模块、电池巡检模块通信，完成对接地故障及电池故障的集中监测。

4　结束语
　　智能模块化高频变换直流电源系统已成为发电厂、变电站220 V直流电源系统的发展方向。它具有：
4.1　采用模块化结构，系统可靠性高，维护简单、迅速。
4.2　整流模块采用高频变换，体积小、重量轻，输出电压纹波小、噪音小。
4.3　整流模块采用三相功率因数校正技术实现功率因数校正，对电网谐波污染小。
4.4　采用微机监控模块实现电源系统的监控和电池的自动充放电管理，并通过串行通信实现多个电源系统的远地集中监控。
4.5　采用CAN总线通信技术，实现整流模块、接地检测模块和电池巡检模块的统一监控。

　

5　参考文献
　1　Tino F Vescovi and Nicholas C H Vun.A Switched-mode 200 A 48 V Rectifier/Battery Charger for Telecommunications Applications. INTELEC’90:112～118
　2　刘文华，马晓军.高功率因数220 V/10 A电力系统直流操作开关电源.清华大学学报，1997，37(7)：48～51
　3　邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，1996
　4　刘文华，蒙　岩.通信开关电源系统的微机监控.电力系统自动化，1997，21(6)：64～67

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