電力操作系統中高頻開關電源的并聯均流技術

1 引言

在發電廠和變電所中，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以上的開關電源為系統供電，因此，要通過電源模塊的并聯運行來實現。大功率電源系統需要采用若干臺開關電源并聯的形式，以滿足負載的功率要求。在并聯系統中，每個變換器應處理較小的功率以降低應力，還應采用冗余技術來提高系統的可靠性。電源并聯運行是電源產品模塊化、大容量化的一個有效方法，同時也是實現組合大功率電源系統的關鍵。

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的發展，開關電源并聯技術的重要性也日益增加。但是并聯的開關變換器在模塊間通常需要采用均流（Current sharing）措施。它是實現大功率電源系統的關鍵，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。因為并聯運行的各個模塊特性并不一致，外特性好（電壓調整率小）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，甚至基本上是空載運行。其結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。

開關電源并聯系統常用的均流方法有：
（1）輸出阻抗法；
（2）主從設置法；
（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。其主要表現在：輸出阻抗法的均流精度太低；主從設置法和平均電流法都無法實現冗余技術，因而并聯電源模塊系統的可靠性得不到很好的保證；外加均流控制器法使系統變得過于復雜，不利于把這一技術轉化成實際的產品。而自主均流法以其均流精度高，動態響應好，可以實現冗余技術等特點，越來越受到產品開發人員的青睞。

所謂自主均流技術，就是在n個并聯模塊中，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個并聯模塊中，一般都沒有事先人為設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

筆者設計了一個220V/40A高頻開關電源，可用于發電廠、變電所、變電站等電力控制的直流屏系統。該設計方案采用4個220V/10A模塊并聯來實現模塊間的自主均流，從而為電力系統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方案。由于篇幅所限，本文只介紹220V/10A整流模塊的實現方法。

高頻開關電源性能優于相控整流電源，它能否得到廣泛工業應用的關鍵是其可靠性，特別是當輸出直流電壓較高時應能可靠工作。除元器件及生產工藝等因素外，開關電源的可靠性主要取決于其主電路拓撲結構及控制方法。在設計該電源模塊時，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校正及移相全橋諧振拓撲，從而實現DC/DC轉換；PWM控制則采用電流型控制方法來實現。

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的驅動脈沖采用正弦PWM調制脈沖，因此，輸入電流和輸出調制電壓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°區間內的脈沖數；M為調制系數，M=U_o/U_m。

PWM整流器具有輸入功率因數高，輸入電流的低次諧波電流含量少，PWM調制脈沖易實現以及成本低等優點。

3.2 全橋DC/DC變換器

（1）主電路拓撲

根據該高頻開關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多個模塊并聯運行時的均流控制。這種均流控制方法與電源模塊數目無關，且任意1個模塊發生故障或退出運行時，均不影響其它模塊的均流功能，從而真正實現了N+1冗余運行。

PWM脈沖寬度調制開關變換器的控制芯片采用UC3875移相專業控制芯片，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可以調節電源模塊的電壓并實現并聯模塊間的均流。

（3）DC/DC變換器的技術指標

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

4 結束語

本文通過對高頻開關電源的研究，設計了一種用于電力系統直流操作電源的高頻開關電源整流模塊，與現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。隨著電力電子技術的不斷發展，均流技術將會更加成熟完善，也必將推動高頻開關電源朝著更大規模的方向發展。

參考文獻：

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