（电力电子与电力传动专业论文）用于电力系统短路限流器的辅助电源系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t e 1 e c 廿i c i t ys y s t e mi so n eo ft l l em a i l la p p l i c a t i o n so fp o w e re 1 e c t m n i c s s o h d s t a t ef a u l c u n e n tl i l l l i t e s s f c l h a st l l ea b i n 珂t o 面tt h ef a u l tc u 盯e n ta sq u i c k l ya s p o s s i b l e 1 1 l i sp a p e rp r e s e n t san e w k i n do fp o w e rs u p p l yw i 也t l i g hi s 0 1 舢甜v o l t a g e a i i dm u 撕 c h a l l i l e lo u q m t i tc a np r o v i d e 曲v i n gp u l s ef 醢s c ra n da tt h esa m et i m e p m v i d ep o w e rf o rd s pc o n d ls y s t e i n sp a p e rm i n l yi n c l u d e s 恤c o n t e n t sa s f o l l o w s i nt 1 1 ef i r s tc h a p t e r p a p e ri n 仃o d u c e s 山eb a c k g r o u n d 觚e ri n d u c i i l gm e n ya 1 1 k i l l d so fm e 血o d st oh i i l i t 也ef a u n t t 量1 i sp a p e rp r e s e n t sp a m c u l 盯l ym e p n n d p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fs s f c l f r o mt h j sc h 印t 瓯w ec 粕g e tm ea 1 1 一r 0 曲d i n f o m a 廿o na b o u tm ew h 0 1 es y s t e m h lt l es e c o n dc h a p t 暑p a p e fi i l 拄o d u c e st w ok n d s0 fa cb u s n l i sc h a p t e fm a i n l y m a l e sp r 印删0 nf o rm e f 0 1 1 0 w i n gc i r c u i td e s i g l l t h et h i r da n df o u n i lc h a p t e ra r et l l ee m p h a s i so f t l l ew h o i e p a p e r a cc u r i 即tb u s a i l da cv 0 1 诅g eb u sa r ea d o p t e di nm e s ec h a p t e r s h a l fm d g ec i r c u i tp m v i d e sp o w e r f o rd s p s y s t e m a cc u r r e n tb u sc i r c u i ti sm a d eu po fb u c kc o n v e n e r f u ub r i d g e c o n v e r t e ra n dr e s o n a n tn e t w o r k w ea d o p tm e o r ra i l a l y s i s e m u l a t e 脚n n a 吐o na i l d t r i a la d j u s 廿n e n tm e m o d s 铀en f n lp a r ti n t r o d u c e s 咖ed e s 国0 fs c r 衄v e m o d u l e 1 1 1 ed 吲9 1 1o f s w i t c h i i l gm o d ec i r c l l i ti st 1 1 ek e y s t o n eo fm ep a n f i n a l l b a s e do nt i l ea i l a l y s i so fa b o v ep a i t s p a p e ri n 廿0 d u c e sam o r em a r i o 5 k w 1 0 0 zp r o t o t y p e 1 1 1 ee x p 酣m t a lr e s u h sv e r i f y 山ea v a i l a b i l i t yo ft h e c i i l i t 髓 啪s ln 盯s o l i ds t t ef 叽l tc i 垃r 曲tl i i i t c 删s r e b 蛐吐tn e t t 2 浙江大学硕士学位论文 第一章新型桥式固态短路限流器 电力电子学是介于电力 电子 自动控制三门学科之间的边缘学科 它主 要研究如何高效地对电功率进行控制和变换 电力电子的最大用户之一是电力系 统 高电压 大功率半导体器件的不断更新和发展 功率变换控制技术的日臻完 善 极大地推动了电力电子技术在电力系统中的应用 如发电机晶闸管励磁系统 高压直流输电 h v d c 静止无功补偿 s v c 无功发生器 s v g 有源电力滤 波器 a p f 统一功率激流控制 v p f c 可再生能源和蓄能系统与电网的互联 等 电力电子技术在电力工业中的广泛应用 对增强电力系统运行的稳定性和安 全性 提高输电能力和用电效率 以及在节能和改善电能质量等方面正发挥着越 来越重要的作用1 1 1 短路限流器 1 1 1 短路限流器的种类及特点 短路限流器也是电力电子在电力系统中的重要应用 电力系统在运行中 会发生各种故障和不正常运行状态 最常见同时也是最危险的故障原因是相与相 之间发生短路 此时短路电流会达到上万安甚至十几万安 这样大的电流所产生 的热和力的作用会使电力设备遭到破坏 引起导体及绝缘体的严重发热从而使故 障元件损坏 引起导体或线圈变形以致损坏或缩短使用寿命甚至引起系统解列或 导致电网枢纽点电压的崩溃 大面积停电 使整个系统瓦解 通常可从电网结构 系统运行方式和设备三方面考虑限流短路电流与切断故 障线路的措施 常规或传统的措施归纳起来主要有 1 安装串联电抗器 高阻抗变压器 分裂电抗器 分段电抗器和出线电抗 器等 但压降损耗增大 存在操作振荡和过电压隐患 2 采用熔断式保护器 1 但反应速度较慢 不利于电网的稳态稳定和暂态稳定 且对电网的瞬间电动 力没有任何抑制作用且熔断式保护器一般是一次性的 给电网的维护以及自动化 带来不便 3 p t c 电阻限流器9 浙江大学硕士学位论文 p t c 电阻是一种非线性电阻 在室温时电阻非常低 当温度升高到某一值时 电阻迅速增加 在电路正常运行时电阻小压降低 产生的焦耳热损耗不用专门的 散热设备处理 通过和空气发生传导 对流 辐射等途径就能达到热平衡 当发 生过热或短路时电流增加超过临界电流值 引起p t c 电阻发热膨胀 热量来不及 散发使电阻温度迅速增加 p t c 电阻阻值在琊时间内增加为高电阻值 从而起 到限制故障电流的作用 4 磁元件限流器 由铁芯 一次和二次线圈 直流偏置电源等组成 铁芯在正常工作时处于磁 饱和 一次线圈的阻抗很低 当故障电流通过一次线圈时 两个电抗器铁芯分别 工作正负半波不饱和 使一次线圈的阻抗值很大 限制了故障短路电流 5 超导短路限流器 当电力系统正常工作时 电网电流在超导体临界电流以下 超导体的电阻几 乎为零 对电力系统的正常工作没有影响 当电网发生短路故障 断流电流急速 上升超过超导体临界电流时 超导体瞬时失超转变为正常电阻 使超导体电阻迅 速增加限制短路电流 当故障被切除以后经过一段时间又能恢复超导态 但目前 超导技术在电工领域的应用还受到许多条件的限制 特别是在大功率场合的应用 技术尚不成熟 成本也极其昂贵 而且超导体恢复超导态时间太长 不能满足电 力系统快速恢复的要求 失超安全断开也是个问题 因此目前尚无大量实用化的 可能 除此以外 还有基于电力电子技术的固态短路限流器 由各种限流技术构成 的混合型短路限流器 固态开关和机械式断路器构成的混合式短路限流器 超导 体或p t c 电阻与固态开关构成的混合式短路限流器等 下面详细介绍随着电力电 子器件革新和控制策略发展起来的固态短路限流器 1 1 2 固态短路限流器 随着电力电子器件向高压大电流 性能好价格低 抗高温和恶劣环境 功耗 降低等趋势的发展 以s c r g t 0 i g b t 等大功率电力电子器件构成的固态短路 限流器得到了广泛的研究 固态短路限流器 3 克服了超导限流器 p t c 电阻限流 器的缺点 当短路故障清除后 固态短路限流器可以立即恢复稳态运行 几乎没 有任何时间延迟 同时满足多次重合闸的要求 因此具有相当的竞争力 4 浙江大学硕士学位论文 1 g t l d 开关型固态限流器 该限流器的结构如图1 1 所示 其结构主要是一组反并联的g t 0 与限流电感 l 并联 正常运行是g t 0 常通 将限流电感短接 一旦发生短路 在短路电流达 到第一个峰值前迅速将g t o 断开 使电感l 插入短路回路以限制短路电流 其缺 点是 g t o 价格昂贵 要求保护电路具有极快的响应速度 会产生极大的d f 出及 砌 出必须另外采取有效措施以抑制其产生的高压及附加振荡 图l 1g t 0 开关型固态限流器图1 2 串联谐振式固态限流器 2 串联谐振式固态短路限流器 串联谐振式固态短路限流器9 1 的结构如图1 2 所示 当系统正常工作时 晶闸管不导通 电感l 并不参与电路工作 串联电感l 和电容c 谐振而表现为 低阻抗 不会影响系统的正常运行 当线路内发生短路故障 晶闸管对触发导通 使l 和c 脱离谐振增加短路限流器的阻抗 达到限制短路电流的目的 3 并联谐振式固态短路限流器 并联谐振式限流器 的结构如图1 3 a 和 b 所示 图 a 中 电容c 与线路串联 提供串联补偿 当短路发生时 晶闸管s c r 触发导通 使电感l 与电容c 并联谐振 阻抗瞬间增大 限制故障电流 图 b 中 正常运行情况 下 电流流过g t o 开关 当故障发生时 g t o 开关被切断 l 和c 并联谐振 抑 制故障电流 l 图1 3 a s c r 控制的并联谐振限图1 3 b g t o 控制的并联谐振限流器 浙江大学硕士学位论文 4 可变阻抗星阻流器 可变阻抗型限流器 o 是在串联限流器的基础上发展上来的 其中一种拓扑 与图1 2 相同 正常情况下l l 与c 串联谐振 s c r 关断 使线路阻抗为o 当故 障时 通过s c r 的控制 使k 以c 并联谐振 线路阻抗很大 从而起到限流的 作用 改变s c r 的触发角 等效于改变电感l 的大小 即可控制装置阻抗大小 5 无损耗电阻型限流器 l 图1 4无损耗式电阻限流器 其拓扑如图1 4 所示 该限流器由4 个i g b t 和4 个续流二极管组成 其电 阻值由电感或电容模拟而成 通过p w m 技术控制i g b t 开关频率来调节该桥路 的等效电阻 工作过程中不会产生功率损耗和焦耳热量 当发生故障时可迅速有 效的控制短路电流的峰值和稳态值 由于i g b t 调制频率高 装置开关损耗大 并会产生一定的谐波电流 1 1 3短路限流器的发展与现状 1 国外短路限滚器的进展 9 1 1 9 9 3 年 美国新泽西m o r tm o 衄o u t h 军事电力中心的4 6 l v 交流馈电线路 上安装了一个由反并联g t 0 构成的6 6 删的固态断路器 平均工作电流为 8 0 0 a 在发生短路故障3 0 0 j 的时间内可切断故障 1 9 9 5 年西屋公司与e p r i 合 作 制造出一台 1 3 8 k v 6 7 5 a 限流器 o 并在p s e g 的变电站运行 日本东北 电力公司及日立公司研制了d c l d d i s t r i b u t i o nc u r r e n tl i m i t i n gd e v i c e 的实验装置 并进行了实验研究 在实验装置中g t 0 开关放在密闭的容器中 采用液体自循环冷却系统 实验发现d c l d 的动作十分迅速 在电流为4 0 0 a 电 压为6 6 k v 通过功率为4 5 7 0 k w 的情况下 g t 0 及二极管的损耗不大于通过功率 的0 2 表明采用自循环冷却系统完全可行 2 0 世纪9 0 年代末 日本富士电 6 浙江大学硕士学位论文 机与关西电力公司联合开发的4 0 0 v 配电用混合式限流分短装置 由真空开关和 g t o 并联构成 可交赢流两用并己形成商业化 对于超导限流器装置 日本于1 9 9 2 年用n b t i 制备了2 0 0 v 1 3 a 的三相电抗型超导限流器 并于1 9 9 6 年成功投入实 用 1 9 9 9 年 俄罗斯研制出一台三相饱和铁芯电抗器型超导固态限流器 它能 将1 1 0 a 左右的短路电流限制在3 0 a 以内 2 0 0 0 年 日本研制了6 6 k v 等级的桥 路型高温超导限流器 能将1 2 5 i 认的短路电流限制在1 2 l a 当前引人注目的 一个研究课题是美国通用原子公司g a 等六家公司的联合研制的容量达 1 5 k v 1 2 0 0 a 的超到限流器 并且已在某变电站投入使用 2 国内固态限流器研究现状 主要有 华东冶金学院的无损耗电阻式短路限流器研究取得一定进展并获得 国家专利 华中科技大学的基于串联补偿作用的限流器 8 使用了真空触发间隙 或高速斥力机构操作的合闸开关 具有动作时间快 成本较低的有点 中国科学 院电工研究所与北京开关厂 北京紫微星实业有限公司等合作开发了 7 2 k v 4 0 0 a 和2 0 k v 1 5 i a 高温超导限流装置 的研制 并于2 0 0 2 年3 月成功 研制出了一台4 0 0 v 2 5 a 的样机 其短路电流缩减率达到8 0 东北大学物理系 也开展了屏蔽型高温超导限流装置研制 并完成一台实验样机 特别提出的是 我校电力电子国家重点实验室在国内外已有的各种限流器原理的基础上 提出了 一种新型固态短路限流方法 获得多项国家专利9 2 1 在此基础上提出并实现了 能实用于电网的多种拓扑结构 1 2 新型桥式固态短路限流器 1 2 1 新型固态短路限流器单相拓扑 图1 5 是新型固态短路限流器单相拓扑结构 9 原理图 t 一t 为晶闸 管 t t 为固态开关 r t 3 常加触发脉冲 电感电流0 可经t t 3 续流 限 流器投入后 电感中的电流即可达到负载电流峰值 当电感己充电 t t 3 加触 发脉冲 则可保持恒续流导通 如假设晶闸管压降为零 正常的负载电流f 流经 该限流器时压降亦为零 即限流器几乎呈现零阻抗 如果在电源电压正半波时负 载侧发生短路 电流f 跳至f 时t 截止 电感l 立即自动串入短路回路限制了短 路电流的上升速率及其最大峰值 只要及时封锁t t 4 触发脉冲 则最多在半周 浙江大学硕士学位论文 波 1 0 触 左右时间内 当短路电流过零时t 1 t 4 关断 短路故障被迅速切除 而较大的电感电流经t t 续流而短接 不会产生过电压 图1 5 新型固态短路限流单相拓扑 1 2 2 变压罂藕合三相桥式固态限流器 餐 p 蟋 醛 图1 6 变压器耦合三相桥式固态限流器拓扑 三相电网固态限流器拓扑 可以分为直接连接法和耦合法 图1 6 为变压器耦合三相桥式固态限流器主电路拓扑 系统正常工作时 换流桥三相桥 臂t t 全开通 续流管t t 日全导通为限流电感l 提供续流回路 换流桥直流 侧处于 短接 状态 耦合变压器副边等效于短接状态 原边压降等效为 零 整个限流器对系统呈 零阻抗 短路时负载电压通过耦合变压器突然加到换流 桥上 使得t t 8 管其中之一或两个被追关断 限流电感通过耦合变压器自动串 入系统 达到短路瞬间即能自动限制故障电流迅速上升的目的 但是该方法控制策略较为复杂 本质还是通过改变换流桥各桥臂触发相角来 浙江大学硕士学位论文 达到控制目的 处理不同类型短路故障时对限流器主控软件要求较高 1 2 3 带旁路电感的变压器耦合兰相桥式限流器 图1 7带旁路电感的变压器耦台三相限流器拓扑 带旁路电感的变压器耦合三相桥式限流器 6 舫邶3 与变压器耦合三相桥式 限流器在电路结构上主要改动就是在耦合变压器三相原边分别并联交流限流电 感 这样短路故障发生时 旁路交流电感共同参与限制短路电流 它采用逆变续 流混合控制方案 在系统正常运行时 t l t 6 自然换相点加门极触发脉冲 构 成全导通换流桥 t 7 t 8 门极加常导通脉冲 提供限流电感l 续流回路 稳态 运行时 电感电流在启动若干周波后即达到负载电流峰值 并经t 7 t 8 续流 因此祸合变压器副边仅为t 7 t 8 管开通产生的微小压降 近似于短接状态 使 得其原边压降几乎为零 旁路电感近似被短接 当发生短路故障时 电源电压将 全部加在旁路电感及耦合变压器原边上 并通过耦合变压器副边加到换流桥上 从而使直流限流电感经耦合变压器耦合到原边并与交流旁路电感并联后自动串 入电网 限流短路电流的上升率 之后在控制系统的作用下 短路电流很快被控 制到设定水平 1 3 该实验系统供电及晶闸管驱动的特殊性 1 3 1 晶闸管系列器件 晶闸管 t h y r i s t o r 又称硅可控整流器 s c r s i l i c o nc o n t r 0 1 1 e d r e c t i f i e r 是诞生最早的半控型电力电子器件 它工作于工频电网 采用自然换 9 浙江大学硕士学位论文 流的方法关断 具备快速开关特性 自1 9 5 7 年生产出第一只晶闸管以来 其额定 值已提高到l 0 0 0 a 1 2 0 0 0 v 并正在向超功率级发展 晶闸管具有体积小 重量轻 效率高 反应快 控制特性好 高压大容量 低损耗等优点 光触发晶闸管是近年来发展很快的器件 它用光直接或通过光纤照射p n p n 四层管的中间那个p n 结 在空间电行区产生自由电子和空穴对 在电场下形成触 发电流 光源和晶闸管间是电绝缘的 可以直接用于高压系统中 此外 由于采 用光信号触发 抗干扰能力大为增强 简化了监控系统 提高了可靠性 可关断晶闸管除了可以象s c r 一样利用正的门极触发脉冲使其导通外 还可 以在门极上通过加上足够大的负脉冲使其关断 所以 g t 0 在继承s c r 耐压高 容 量大的特点外 又具有自关断能力的优点 用于变流系统不但结构简单 可靠性 得以提高 且利于实现系统的小型 轻量 低噪声及高效率化 1 3 2 晶闸管的工作特性及触发要求 晶闸管的静态特性如图1 8 所示 其门极触发的要求是 f c t 芷向导通 l j 7 n l h争捌 r 一 o 6 7 屠崩击穿 0 u 图1 8晶闸管阳极伏安特性 1 要求合格的晶闸管触发电压u 和触发电流 均在可靠触发区内 且有一 定的余量 如触发电压设置得太低 则易受外界干扰造成误触发 为了防止误触 发 可在门极加上负偏置电压 2 门极触发功率不能超过极限值 为了能承受强触发脉冲信号 应增大门极 区面积和门极内引线与焊点的面积 触发信号可分为交流或直流式脉冲形式 不管那种形式 它们对门极一阴极 来说 必须是正极性的 由于晶闸管到头那个之后 门极触发信号就失去了控制 作用 故为了减少门极的损耗 一般不采用交流或直流触发信号 而常用脉冲形 式的触发信号 l o 浙江大学硕士学位论文 a b c 图1 9触发脉冲波形 a 尖脉冲 b 矩形脉冲 c 强触发脉冲 1 触发信号应有足够的功率 也就是说 触发脉冲的电压和电流要大于相 应元件的触发电压u 和触发电流k 常采用的有尖脉冲 矩形脉冲和强触发脉 冲 带尖脉峰的矩形脉冲 如图1 9 所示 对于尖脉冲和矩形脉冲 其幅值应大于元件的触发电流j 对强触发脉冲 其电流尖峰部分一般为3 5 倍j 平顶部分略大于 g 触发电压不能过大 以 免损坏门极 一般为4 l o v 脉宽很窄时允许略高一些 另外 门极的平均功 耗应小于允许值 2 触发脉冲应有一定的宽度 以保证被触发的晶闸管可靠导通 一般晶闸 管的导通时间为几微秒到十几微秒 触发脉冲宽度最好有2 0 5 0 丘s 对于电感 性负载 触发脉冲宽度还应加大 否则在脉冲终止时 在主回路电流还未上升到 晶闸管的挚住电流以上时 晶闸管就会又重新关断 故脉冲宽度不小于1 0 0 口s 一般要到lm s 相当于5 0 h z 正弦波的1 8 电角度 对于三相全控桥电路 采用单 脉冲工作制时 要求脉冲宽度大于6 0 采用双脉冲工作时 脉宽可以小得多 通常1 5 3 0 对于双反星形整流电路 为了使两组星形能可靠地并联运行 其 触发脉宽一般应大于3 0 1 3 3 本课题中晶闸管驱动的特殊性 晶闸管驱动系统的主要任务是将低电位的驱动控制信号传送到高电位的晶 闸管的门极 一般可采用3 种方法 电磁驱动方式 将低位驱动信号经脉冲变 八一址 浙江大学硕士学位论文 压器隔离后送到高位晶闸管门极 但电磁干扰严重 且制造几万伏耐压的脉冲变 压器技术上很困难 直接光驱动方式 将驱动脉冲信号转变为光脉冲 直接驱 动高位光控晶闸管 间接光驱动方式 即利用光纤通信的方法 将低位驱动脉 冲信号送到高位 经处理后耦合到晶闸管门极 这种方式既可以克服电磁干扰 又可以采用普通晶闸管 降低系统成本 我们采用了这种方式 但是由于光纤接 受端的输出信号不可能直接驱动晶闸管 要对其进行处理也必须要有隔离驱动电 源 同时在保证系统稳定可靠运行的前提下 考虑到安装 散热等因素 希望驱 动电源能做到高频化 小型化 简单化 根绝前面章节对带旁路电感的变压器耦合三相桥式限流器的分析可知 该 系统既有能耐上万伏高压 上千安培电流冲击的强电系统 又有控制系统及交互 界面的弱电系统 晶闸管的驱动需要独立供电 d s p 控制系统也可设计成由同一 电源系统供电 而且考虑到电源电压的波动 晶闸管阻断电压限制和均压系数 每个如图1 7 所示的固态限流器的晶闸管在实际1 5 k v 的电力系统中必须用8 个 根据电压等级 6 i v 等级的晶闸管串联来替代 这样使用在固态限流器中的晶 闸管总数达到6 4 个 至少需要6 l 路有高压隔离性能的驱动电源用到晶闸管的门 极驱动电路中 因此需要一个具有多路输出能力及能承受较高电压的供电电源系 统 捌 1 4 本课题研究的内容及意义 浙江大学电力电子国家重点实验室主持的固态短路限流器课题是利用电力 电子技术应用于电力系统来迅速快速限制短路电流的 这种限流方式控制简单 限流迅速 几乎没有延迟 可多次重复限流等 自1 9 9 7 年以来在国家自然科学基 金的支持下取得了重大突破 目前已完成4 0 0 v 3 0 0 a 最大短路限流1 5 0 0 a 的实 验室样机研制 1 0 k v 1 0 0 0 a 最大短路限流6 0 0 0 a 工业性试验样机也进行现场调 试 根据新型固态短路限流器对电源的要求 基于专利技术 研制了一种具有 多路输出 高压隔离性能的实用新型开关电源系统 相比以往开发的电源系统 该电源具有如下优点 1 具有两种母线系统 由半桥电路产生的电压交流母线系统可为d s p 控制系 统及霍尔元件等供电 由b u c k 电路 全桥逆变及谐振网络产生1 a 3 a 的正弦电流 浙江大学硕士学位论文 经可耐受较高电压的电缆穿过高导磁磁环耦合为各晶闸管驱动模块供电 该电源 系统控制简单 结构紧凑 在需要承受较高电压和需要多路输出的系统中具有极 大的优势 2 电路效率得到很大提高 经改进后该电源系统输出正弦电流 相比于以 前的方波电流 谐波含量明显减少 同时新电源可去掉假负载 不仅可减少近2 0 0 w 的热量损失 大大提高效率 同时也有利于实验调试的安装和固定 经磁环的比 较和研究 选用传输效率较高的高导磁铁氧体磁环 以前的晶闸管驱动模块采用 线性稳压电路 开关管工作于线性放大区 这样会产生很大的热量 改进为开关 型稳压模式 m o s 管工作在饱和区和截止区 快速通过放大区 开关管基本不发 热 不仅可以提高效率 同时可去掉散热板 有利于模块的小型化 轻型化 本硕士论文结合新型固态短路限流器的开发进行 第一章作为整篇论文的综 述部分 介绍了电力电予技术在电力系统中的一个重要应用 短路限流器 着 重介绍了我校电力电子国家重点实验室主持的新型桥式固态短路限流器的原理 及实验系统 并根据新型固态限流器驱动要求的特殊性和重要性 提出论文的选 题理由 第二章介绍了两种母线系统 并对母线设计中需要考虑的几个主要方面 问题做了比较和分析 第三章详细介绍了主电源系统的设计过程 主要采用了理 论分析 仿真及实验调整的设计方法 第四章介绍了晶闸管驱动电源模块的结构 及设计 对耦合磁环的选用进行了理论分析和实验比较 分析了传统的线性稳压 电源的工作原理并对开关型稳压电源的设计做了一些探索 第五章介绍了主电源 的调试情况 谐振实验 隔离驱动电源模块的实验 以及固态限流器实验室样机 的调试情况 结论与展望中 总结了新型多输出隔离电源的特点 并对该电源系 统还存在的问题做了一些介绍以利于以后的研究工作 浙江大学硕士学位论文 第二章交流母线系统 本章首先引入了分布式电源系统的概念 介绍了直流母线和交流母线两种结 构 交流母线有电压型 并联型 和电流型 串联型 两种类型 本电源正是采用了 这两种交流母线结构 由电压型交流母线为d s p 控制系统供电 电流型交流母线 为晶闸管驱动电路供电 本章对母线类型的选择 总线电压值 或电流值 的选 择 前端及负载端变换器的拓扑比较及选用 跏i 滤波器设计等方面进行了详细 的比较和分析 为后面章节电路设计做一些准备 2 1 分布式电源系统 2 1 1 分布式电源系统的概念及分类 以前大多采用集中式电源系统供电 即把输入的电网电压直接变换成系统需 要的电压 一般要通过较长的连线把输出电压连接到负载上 分布式电源阳9 1 阻o d p s 是把输入的电网电压变换成某一规定的直流电压 在需要的地方用一批 d c d c 变换器把这一规定的直流电压变换成系统所需要的电压 使用分布式电源 系统 一般把后级的d c d c 变换器放到离负载很近的地方 甚至放到负载上 一j a 直流母线分布式电源系统 b 交流母线分布式电源系统 圈2 1 两种分布式电源系统 d p s 由多级多个变换器构成 同时工作分担负载功率 负载所需的电压经两 级变换 分布式电源系统 d p s 的总线结构分为直流总线和交流总线两种 如 图2 1 所示 根据负载电压和功率的要求 每个子系统又可由多个变换器 简称p p u 按 不同方式联接而成 各种联接方式的结构示意图如图2 2 所示 图2 2 a 是并联 1 4 浙江大学硕士学位论文 方式 这种并联模块既可作为前端变换器 亦可作为负载变换器 由于负载功率 均分在各个并联模块中 每个模块的容量减小了 简化了热设计 提高了系统可 靠性 目前 在某些场合已经取代了集中式电源 图2 2 b 是级联结构 它引入 了一个中间母线电压 增加该电压 可以减小线路电流 降低线路损耗 图2 2 c 是电源分裂结构 由多个独立的电源向同一负载供电 当某一单元出现故障时 其它单元仍可以向负载供电 提高了系统的可靠性 图2 2 d 是负载分裂结构 由独立的负载变换器向不同负载供电 可以有效降低不同负载之间的相互干扰 图2 2 e 2 2 f 是两种组合式结构 为满足3 种不同负载电压的要求 可用两 种方式将两种标准输出电压相加或相减 从d p s 的结构看出 该系统可以利用小 功率模块 大规模控制集成电路作基本部件 采用分块和组装等新的联接方式 组成积木式 智能化的大功率供电电源 使强电和弱电紧密结合 以减小功率元 器件的容量 提高生产效率 n 1 町 一厂 平矿 一一l 叫卫m 盟卜二卜 l 厂1 噼 叫1 甲盯 l j a b c 固 一趣 刊 hr 一f v 一 叫rr l r 下陌r 卜一l 厂1 f 矿t 蜘 l r 下p 矿匕 d d e f 圈2 2 分布式电源系统的结构 分布式电源系统具有明显的优点 重量轻 体积小 可靠性高 负载与电网 之间有良好的隔离 他能很好地控制到达各负载板上的电源质量 在输入电压和 负载波动时 d c d c 变换器仍能提供稳定的输出电压 且对可升级的电子系统需 要的多品质电压和功率提供高效的设计 它还具有灵活性 扩展性和冗余性等特 点 2 1 2 直流母线分布式电源系统 在直流总线结构式d p s 中 如图2 2 a 有两级d c d c 变换 即前端变换 和负载端变换 需要完成两级逆变和整流 由于每一级都引进了功率损耗 所以 浙江大学硕士学位论文 系统总体效率并非最优 直流总线结构由于固有的低噪声 总线上低导通损耗及成熟的d c d c 变换模 块 使得直流总线结构非常流行 2 1 3 交流总线分布式电源系统 在交流总线结构d p s 中 由于仅需一级逆变和一级整流就可完成变换 所以 交流式d p s 比直流总线式d p s 效率更高 广泛应用于航空 航天电子设备中 其 主要优点包括 效率高 电压电流易变换 有效的接地噪声隔离 高电压时灭弧 简单 通过一个分布式变压器可以实现无连接器式连接等 应用交流总线型d p s 需注意以下问题 交流母线上产生的电磁辐射噪声易干 扰敏感的设备 需采用特殊 屏蔽或扁平 电缆以使交流总线噪声最小 高频时 的集肤效应使系统总线上的阻抗增加 为了使系统总线阻抗不致太大 实用的最 大总线频率限制在2 0 l o o i h z 因此在负载变流器中 总线电压整流后需要一 个体积较大的滤波器 反过来又使谐波电流注入总线 为避免这个问题 设计的 负载变流器因具有很高的功率因数及较低的输入电流谐波畸变 交流母线结构有两种形式 并联型和串联型 并联型交流母线结构如图2 2 所示 每个单元的输出模块都并联接到交流母线上 该母线上输出的是交流的电 压信号 每路输出模块可以通过变压器 取出母线上的交变电压功率信号 进过 简单的整流和滤波 就成为一路稳压电源 交 一孳块 交 a 并联型交流母线 b 串联型交流母线 圈2 3 两种交流母线 串联型交流母线的结构如图2 3 所示 每个单元的输出模块都串联到交流母 线上 这种交流母线结构 母线上须输出交流的电流信号 因为 如果输出的是 交流的电压信号 串联在一起的各个输出电源模块就有一个均压的闯题 这样会 使整个电路大大复杂 稳定性和可靠性都会下降 所以输出交变的电流功率信号 1 6 浙江大学硕士学位论文 同样通过一个变压器取出交流功率信号 经过类似的整流和滤波 就成为一路稳 压电源 2 2 本课题分布式电源系统 d p s 的设计方案 d p s 的设计包含总线选择 总线电压 或电流 的确定 前端与负载端变换 器优化设计 e m i 滤波器设计等一系列的折衷考虑 2 2 1 总线类型的选择 限流器d s p 控制系统需要4 路5 v 1 路1 2 v 1 路一1 2 v 供电 因电压交流母 线结构简单 且副边只需要6 路供电 且传输距离较近 传输时线路上的压降很 小 因此我们选用交流电压母线 晶闸管驱动电路固定在限流器晶闸管上 需要承受恶劣的工作环境 电压高 达几万伏 电流峰值上千安 且幽 出和d f 出都很大 距离电流源电路较远 实 验操作时 为保证实验人员的安全 距离为1 0 米以远 晶闸管路数很多 可达 到6 4 路 因此我们采用串联型交流电流母线结构的方式 母线上提供的是幅值 恒定 方向周期性变化的电流 方波或正弦波 如果整流器的输出电压足够高 母线上的电流不需要很大 仅一个电源就能够实现大量的隔离输出 采用高导磁 磁环做功率变压器 交流母线采用具有超高压隔离性能的电缆 穿过所有的磁环 磁环的副边只要适当的绕几匝 取出交流电流功率信号 经过设计的恒流源稳压 电路模块 可以成为一路驱动电源 采用这种串联型交流母线结构 由于输出模 块可以与磁环整合 交流母线只是穿过磁环 所以容易实现输出路数的可增减性 交流母线可以穿行于装置所有需要驱动电源的地方 便于驱动电源的安装 而且 由于具有超高压隔离性能的电缆 它的外层绝缘层可以很容易达到1 5 k v 的高压 隔离等级 这样就大大简化了高压隔离变压器的结构 降低了成本 使用在新型 固态短路限流器装置中 作为晶闸管驱动电源 具有很大的优势 1 2 2 2 总线电压值 或电流值 的选择 从减小总线分布损耗考虑 应尽可能提高总线电压 以使总线分布电流降至 可接受的程度 功率越大 总线电压越高 若从安全考虑 总线电压应小于d c 6 0 v 若为了一直电弧 总线电压应小于d c 3 2 v 本实验系统采用1 8 v 频率为5 0 i m z 的交流电压母线 同理 交流电流母线中电流不应过大 否则会增大总线分布损耗 但考虑到 1 7 浙江大学硕士学位论文 应满足驱动多路 设计容量应达到6 4 路 晶闸管的要求 故本系统采用2 a 1 3 a 可调 频率为1 0 0 i h z 的交流电流母线 本论文第三章和第四章将详细介绍 这两种分布式电源系统的设计过程及参数选择 2 2 3 前靖变换器的拓扑比较及选用 前端变换器完成如下之一或全部功能 线电压整流和滤波 功率因数校正和 减小输入线电流纹波 d c d c 变换 在最简单的d p s 中 前端变换 仅由整流器和滤波器组成 但总线电压无 法调节 在需要功率因数校正的情况下 前端变换还包括功率因数校正电路 在 许多输入电压波动范围很宽的系统中 前端变换器还应包括d c d c 变换器以调节 总线电压 在超过l k w 时 大多数前端变换器采用全桥z v s p w m 或谐振z v s 变换 器 在高可靠系统中 需采用并行的前端d c d c 变换器模块及同步技术或圃步相 移 以消除差频噪声 a b f 几f 广 茸 茁硝出 d c e f 圈2 4 前端变换器常用拓扑 a r c d 吸收单管反激 b r c d 吸收单管正激 c 半桥 d 双管反激 e 双管正激 f 有源箝位正激 图2 4 是前端变换器中常用的拓扑 表2 1 是目前常见的前端变换器采用的 拓扑 该表格比较了各拓扑的使用功率 磁芯利用率 开关管耐压及其他特点等 本实验系统中采用频率为5 0 碰z 的对称半桥拓扑 浙江大学硕士学位论文 表2 1 前端变换器常用拓扑比较 拓扑适合磁芯利开关优点 缺点 适用范围 功率用率管 电压 单管锄 单向 2 v d c结构简单 具有纹波大 反激w磁化多路输出负载开关应 自动平衡力大效 率不高 d 6 0 双管 l o k 单向 v d c开关应力小 可须增加 适合于高电压 反激 w 磁化靠性高效率高 一个开 踟小关管和 输入 高性能要 两个籍 求的辅助电源 位电容 或中小功率电 源 单管 1 0 d 0 单向2 v b c激磁电感大 变 需能力 低压 大电流 正激w 磁化 压器原边和副再生绕 边峰值电流小 组 条件恶劣 干扰 铜耗小 副边纹 很强的环境下 波电流小 可靠 体积 重量以及 性高 效率要求不太 高的场合 双管 l o k 单向v d c开关管应力小 为可靠 正激w磁化具有内在抗桥复位 臂直通能力 可d 5 0 靠性很高 有源 1 0 0 0 单向v 删l可实现主开关 箝位w 磁化 d 1管z v s 正激 半桥 1 0 k双向v d c 驱动简单 开关会出现 w 磁化 应力小 具有良 直通 好的平衡能力 变压器的利用 率高 且没有偏 磁的问题 不对 l 时 给电解电容充电 当t 时 电解电容放电 由此可见 电解电容充放电时间几乎各占一半 而且充放电 电流平均值为f c t 所以 滤波电解电容的电容量可由下式求出 c 尘丝 3 5 8 o 2 若考虑e s r 和e s z 时滤波等效电路如图3 3 所示 型足 j 冒服摹 屿 冒盟 砭l c 图3 3l c 滤波等效电路 等效串联阻抗e s z 为e 亿 e 靖2 砒 2 此时 c 的计算公式是 c 西瓦西i 龛锄 3 6 3 7 由此可见 整流模块输出滤波电容的e s r 或e s z 越小 满足同样的纹波电压 需要的电容量也就越小 可采取以下措施 多个电解电容并联 选用e s r 和e s z 低的 开关电源专用的电解电容 与e s r 和e s z 很低的无极性电容并联共同滤波 等 在本电路中 我们采用2 2 0 u f 5 0 v 的铝电解电容和i u f 的无极性电容并联 接在l m 7 8 系列线性稳压管前后 假负载电阻选定为l k 普通电阻 5 次路电压闭环控制设计 由以上分析 电路开关频率为5 0 i i z l c 输出 滤波器的转折频率为l k h z 为获得较佳的暂态响应 我们设计了补偿网络 如 图3 4 所示 参数选择如下 r 2 0 k r 4 7 k c 1 0 0 n c l o o p v r e f 5 v 浙江大学硕士学位论文 v j 图3 4 反馈补偿网络 6 其它保护电路 电路设计了过压 欠压 过流等保护电路 电源输入端 串联保险丝 在直流母线上接入限流电阻 避免电流过大对电源的损坏 电路欠 压 过压保护电路如图3 5 a 所示 电流采样电流如图3 5 b 所示 l a c k 和 d 豫信号送入b u c k 电路控制芯片t l 4 9 4 儿m 送到u c 3 8 2 5 的相应电流控制 端 封锁输出p w m 脉冲 a d 2 b 图3 5 欠压 过压和过流保护电路 3 3 半桥电路控制芯片u c 3 8 2 5 u c 3 8 2 5 是高速p w m 控制器 它既适用于电流控制又可应用电压控制拓扑 该芯片的特点及在半桥电路中的具体应用可参见文献 3 4 电压交流母线的研究 采用并联方式 如图3 6 所示 辅助电源模块中副变压器的原边绕组并联 在交流电压母线上 二次侧电路把副变压器副边绕组输出的交变电压 变换成平 滑的直流电压 这个经典的稳压电路虽然效率不高 但是完全能够满足固态限流 l l r j 浙江大学硕士学位论文 器对辅助电源的需要而且简单可靠 c a 眦 l c a u l j c 日惦 卜 c a 6 l j c a 卜 c 日 6 l j 图3 6 电压交流母线 我们可以把这个辅助电源模块集成到固态限流器需要辅助电源的有源电路 中 由于辅助电源的输出路数不受限制 每一个有源电路都可以有自己的辅助电 源模块 只需要把交流电压母线引到相应辅助电源模块的副变压器原边绕组即 可 整个电源系统的安装简便 结构清晰 同时由于稳压电路集成到有源电路之 中 即使交流电压母线走线距离较长 稳压后电源输出质量能够保证 而普通模 块电源如不就近安装 电源线走线较长 就会引入干扰 影响电源输出质量 因 此新的辅助电源实现方案具有一定的优越性 电压交流母线上的电压选为1 8 v 用2 0 芯的扁平线连接到限流器电路控制 器 在设计过程中主要注意以下几个问题 1 二极管反向恢复问题 因d s p 供电回路电流较大 我们采用超快恢复肖 特基二极管m u r 8 6 0 作为整流管 因后级采用l c 滤波电路 二极管反向恢复时会 在整流输出电压出现电压尖峰 抑制二极管反向恢复所产生的电压尖峰的方法 有 r c 吸收 串连饱和电抗器和增加软开关电路等 r c 吸收方法最为常用 它 简单附加电路较少 但对尖峰的吸收效果不是最理想 串联饱和电抗器的方法也 浙江大学硕士学位论文 很简单 如果参数设计合适 效果会很明显 软开关电路理论上在一定条件下可 以使主二极管上的反向恢复得到完全抑制 但是电路相对前两种方案比较复杂 综合考虑 采用设计r c 吸收电路来减小因整流二极管反向恢复所产生的电压尖 蝰 r c 吸收这是解决功率二极管反向恢复问题的常用方法 在高频下工作的功 率二极管 要考虑寄生参数 图3 7 a 为电路模型 其中d 为理想二极管 l p 为引线电感 c j 为结电容 r p 为并联电阻 高阻值 r s 为引线电阻 如图3 7 b 所示 将c r 1 串连后并联到功率二极管d o 上 二极管反向关 a b 图3 7l i c 吸收电路抑制二极管反向恢复造成的电压尖峰 断时 寄生电感中的能量对寄生电容充电 同时还通过吸收电阻r l 对吸收电容 c 1 充电 在吸收同样能量的情况下 吸收电容越大 其上的电压就越小 当二 极管快速正向导通时 c 1 通过r 1 放电 能量的大部分将在r 1 上消耗 r c 选用的经验公式为 c 生掣 3 8 堡 r 王2 业d 二丝 3 9 i 一il i r 4 c 其中 j 是通过电感平均电流 0 是下降时间 吃是整流输出电压平均值 是电感电流峰值 j 是反冲电流 其值取为o 2 乙 为正脉冲的最小宽 度 是延迟时间 f 是上升时间 计算可得 c 可取2 2 n r 可取2 0 q 2 发热问题 限流器d s p 控制部分需要较大的电流 因此开始在l m 7 8 系列线性稳压管上有较大的功耗 发热很严重 需要减少l m 7 8 系列线性稳 避 基 浙江大学硕士学位论文 压管的输入电压 最后我们通过设定变压器原 副边匝数比为3 0 1 6 此时在 l m 7 8 0 5 的输入端电压为8 v 左右 3 输出滤波电抗器的设计 该电路输出滤波电抗器是一种平波电抗器 因 为通有直流成分 在模块负载较重时 直流电流成分还是主要的 所以输出滤波 电抗器工作时 铁芯磁通密度工作在第一象限而出现偏磁 为了增大电感量 防 止磁通饱和 直流平波电抗器都采用切开铁芯 并加有空气隙 使其磁滞回线横 向加长 这样 在通有同样大小的电流时 b 小 不易饱和 该输出滤波电抗器 的设计可参照后面b u c k 电感的设计方法 这里就不重复 4 交流母线传输线的选择 当传输线受外界磁场激励时 传输线上的信号会 受到干扰 根据文献 的理论建构 对常用的交流母线传输线如多芯的扁平线 漆包线 丝包线 带绝缘皮的软导线 硬导线等进行测试比较 采用精密电感表 t e c hm t 4 0 8 0 a 分别对几种导线进行测量 测量条件为l m 导线 开关频率设定为 1 0 0 k h z 得到如下数据 与师兄合作测得 表3 1 几种常用交流母线传输线的比较 输出线 直径中 引线电阻引线电感双线绞合时引线 类型 单位 岫 单位 m q l 时 电容在充电 状态 能量由电源直接传输到负载 当k 为低电平时 m 1 截止 由于线圈l 中 的磁场将改变线圈l 两端的电压极性 d l 也续流导通 电感电流下降 电容处 在放电状态 给负载提供能量 i ll 1 l