并聯(lián)均流高頻開(kāi)關(guān)電源的研究
摘要:隨著分布式電源系統(tǒng)的發(fā)展,開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)技術(shù)的重要性日益增加。文中介紹了一種新型高頻開(kāi)關(guān)電源及220V/10A整流模塊的實(shí)現(xiàn)方案。其中整流模塊采用高可靠性電流型PWM整流器及全橋變換電路來(lái)分別實(shí)現(xiàn)三相功率因數(shù)校正和DC/DCF變換,并在模塊間采用最大電流自動(dòng)均流法實(shí)現(xiàn)自主均流。
關(guān)鍵詞:開(kāi)關(guān)電源 PWM 并聯(lián) 均流 模塊
1 引言
在發(fā)電廠(chǎng)和變電所中,為了給控制、信號(hào)、保護(hù)、自動(dòng)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(chǎng)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(yán)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(dǎo)體功率器件、磁性材料等方面的原因,單個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊的最大輸出功率只有上千瓦,而實(shí)際應(yīng)用中往往需用幾十千瓦甚至幾百千瓦以上的開(kāi)關(guān)電源為系統(tǒng)供電,因此,要通過(guò)電源模塊的并聯(lián)運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)。大功率電源系統(tǒng)需要采用若干臺(tái)開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)的形式,以滿(mǎn)足負(fù)載的功率要求。在并聯(lián)系統(tǒng)中,每個(gè)變換器應(yīng)處理較小的功率以降低應(yīng)力,還應(yīng)采用冗余技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。電源并聯(lián)運(yùn)行是電源產(chǎn)品模塊化、大容量化的一個(gè)有效方法,同時(shí)也是實(shí)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(fù)載需求的增加以及分布式電源系統(tǒng)的發(fā)展,開(kāi)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(kāi)關(guān)變換器在模塊間通常需要采用均流(Current sharing)措施。它是實(shí)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(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻分配,防止一臺(tái)或多臺(tái)模塊運(yùn)行在電流極限(限流)狀態(tài)。因?yàn)椴⒙?lián)運(yùn)行的各個(gè)模塊特性并不一致,外特性好(電壓調(diào)整率?。┑哪K可承擔(dān)更多的電流,甚至過(guò)載,從而使某些外特性較差的模塊運(yùn)行于輕載狀態(tài),甚至基本上是空載運(yùn)行。其結(jié)果必然加大了分擔(dān)電流多的模塊的熱應(yīng)力,從而降低了可靠性。
開(kāi)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(dòng)均流法
(4)最大電流自動(dòng)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(wú)法實(shí)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(guò)于復(fù)雜,不利于把這一技術(shù)轉(zhuǎn)化成實(shí)際的產(chǎn)品。而自主均流法以其均流精度高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,可以實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)等特點(diǎn),越來(lái)越受到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員的青睞。
所謂自主均流技術(shù),就是在n個(gè)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(gè)并聯(lián)模塊中,一般都沒(méi)有事先人為設(shè)定哪個(gè)模塊為主模塊,而是通過(guò)電流的大小自動(dòng)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(jì)了一個(gè)220V/40A高頻開(kāi)關(guān)電源,可用于發(fā)電廠(chǎng)、變電所、變電站等電力控制的直流屏系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)方案采用4個(gè)220V/10A模塊并聯(lián)來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)方案。由于篇幅所限,本文只介紹220V/10A整流模塊的實(shí)現(xiàn)方法。
高頻開(kāi)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(yīng)用的關(guān)鍵是其可靠性,特別是當(dāng)輸出直流電壓較高時(shí)應(yīng)能可靠工作。除元器件及生產(chǎn)工藝等因素外,開(kāi)關(guān)電源的可靠性主要取決于其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法。在設(shè)計(jì)該電源模塊時(shí),筆者選用了可靠性很高的三相電流型PWM整流器來(lái)完成三相功率因數(shù)校正及移相全橋諧振拓?fù)?,從而?shí)現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換;PWM控制則采用電流型控制方法來(lái)實(shí)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(gè)橋臂均由2只IGBT和2只二極管組成。其中IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖采用正弦PWM調(diào)制脈沖,這樣,輸入電流和輸出調(diào)制電壓Vd中就只含下式所示的諧波:
式中:Id為輸出電感中的電流;Vl為輸入線(xiàn)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=Uo/Um。
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(shí)現(xiàn)以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。
3.2 全橋DC/DC變換器
a.主電路拓?fù)?/P>
根據(jù)該高頻開(kāi)關(guān)電源的輸出功率較大(220V、10A)且工作頻率較高(100kHz)等實(shí)際情況,筆者選用了全橋隔離式PWM變換器,圖2是其電路圖。
這種線(xiàn)路的優(yōu)點(diǎn)有二:一是主變換器只需一個(gè)原邊繞組,通過(guò)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(kāi)關(guān)可在非常安全的情況下運(yùn)行。
b.控制與保護(hù)
DC/DC變換器采用峰值電流型PWM控制,并采用自主均流法實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的均流控制。這種均流控制方法與電源模塊數(shù)目無(wú)關(guān),且任意1個(gè)模塊發(fā)生故障或退出運(yùn)行時(shí),均不影響其它模塊的均流功能,從而真正實(shí)現(xiàn)了N+1冗余運(yùn)行。
PWM脈沖寬度調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器的控制芯片采用UC3875移相專(zhuān)業(yè)控制芯片,該芯片主要應(yīng)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(guò)壓、輸出過(guò)壓、輸入欠壓等保護(hù)功能。自動(dòng)均流電路采用以最大電流自動(dòng)均流法為原理的集成均流芯片UC3907,應(yīng)用UC3907可以調(diào)節(jié)電源模塊的電壓并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)模塊間的均流。
●輸入交流電壓:380V;
●紋波系數(shù):≤0.5%;
●電網(wǎng)頻率:50Hz;
●功率因數(shù):≥0.9;
●輸出直流電壓:220V;
●穩(wěn)壓精度:≤0.5%;
●模塊輸出電流:10A;
●穩(wěn)流精度:≤0.5%;
●整機(jī)輸出電流:40A
●均流不平衡度:≤0.5%。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源的研究,設(shè)計(jì)了一種用于電力系統(tǒng)直流操作電源的高頻開(kāi)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(huì)更加成熟完善,也必將推動(dòng)高頻開(kāi)關(guān)電源朝著更大規(guī)模的方向發(fā)展。
評(píng)論