直流输入（共3篇）
直流输入 篇1
0 引言
发电厂、变电站内的电气设备、电子设备试验时需要使用多种直流电压。但是, 目前市场上试验电源主要存在以下不足:一是需要交流电源输入, 而很多情况下试验作业时厂站用交流电源消失, 采用发电机又会导致配置费用增加、携带不便及现场噪声增大, 通常带有大功率整流电路的试验电源也被禁止接入;二是体积大、造价高;三是线路复杂, 试验单位维护困难。根据DL/T 596—1996《电力设备预防性试验规程》中开关设备部分规定, DL/T995—2006《继电保护和电网安全自动装置检验规程》中逆变电源部分规定, 以及实际调研统计高压断路器的实际跳合闸电流为1~5A[1], 操作电压在80%额定值时流经的电流为4A归纳出: 无论厂站直流电源采用220V还是110V, 事实上只要试验电源能够输出直流0~176V电压、4A电流就可以满足需要。 厂站直流电源具有容量大、电压稳定的优点, 其容量通常在100A·h以上, 因此可以设计一种直流输入型试验电源 (以下简称试验电源) , 这种试验电源输入电源不再采用交流电源, 而是取用厂站直流电源。
1 电路原理
试验电源原理如图1所示。厂站直流电源经熔断器F后加到由电位器RP1、RP2及发光管L组成的分压电路, 分压后再经电阻R加到场效应管T的栅极, 调整后的电压从场效应管T的源极输出。 输出电压等于电位器RP2 滑动端对电源负极电压减去场效应管T的开启电压。外接电压表与输出端子连接。试验电源基本结构:试验电源面板上设有2个电位器、1只发光管;背板上设有4个接线端子、1个熔断器;机箱内设有1只场效应管、1只电阻、1只稳压管及1只二极管。
(1) 电位器RP1、RP2分别用于电压微调和粗调。2只电位器连接时都应满足右旋分压增加要求。试验电源输出电压可以用电位器RP1 进行精细调整, 分辨率小于0.1V。
(2) 发光管L可作为试验电源输入电源指示, 还能对场效应管T的开启电压进行补偿, 以减小试验电源输出电压为零值时电位器RP2的滑动范围。
(3) 电阻R配合稳压管DW完成对场效应管T的栅源过电压保护。由于电阻R的阻值远小于场效应管T的栅源电阻以及稳压管的反向电阻, 因此电阻R两端电压几乎为零, 不影响分压的传递。 试验电源输出端接有线圈类元件, 输入端出现断路时, 线圈中的自感电压可以被二极管D有效吸收, 从而保护其它元件。熔断器F用于过电流保护。
2 器件选择
场效应管是试验电源的核心元件, 工作时其漏极功率及漏极电流都应小于允许值并留有一定裕度, 以防止发生热击穿导致永久性损坏。由于试验电源输出电流不大, 很容易找到漏极电流符合要求的场效应管, 因此应重点核对场效应管工作时最大漏极功率是否满足要求。在各种规格的分合闸线圈中, 额定电压为DC 220V, 电流为5A的分合闸线圈试验时, 场效应管漏极消耗功率最大, 在场效应管漏源等效电阻等于分合闸线圈电阻时达到最大值275W。型号为IXFK27N80Q的场效应管漏极允许功率PD为500W, 漏极允许电流ID为27A, 功率裕度为1.8倍, 电流裕度为6.8倍, 能够满足使用要求;并且试验电源配接额定电压为DC 110V, 电流为5A的分合闸线圈时, 场效应管的功率裕度会加倍。在漏极允许功率和漏极允许电流都能满足要求的情况下可以使用单只场效应管, 否则可以采用2只甚至多只场效应管并联方式。
电位器RP1可采用10kΩ/1W的精密多圈电位器, 电位器RP2可采用100kΩ/2W的精密多圈电位器, 发光管L可采用正向电压为2~3V的LED, 电阻R参数为2kΩ/1W, 稳压管DW参数为15V/1W, 二极管D可采用1N5408, 熔断器F规格为5A。
3 制作要点
为了改善散热条件, 场效应管T双面涂抹导热硅脂后再双面加装铝材散热器, 散热器质量应不小于0.5kg;机箱采用铝合金材质。由于机箱内元件很少, 因此可以不用PCB板而直接用导线锡焊连接各元件。
4 使用注意事项
在厂站直流馈出屏上找一只闲置的跳闸电流最小的空气开关, 并用导线连接试验电源输入端与这只空气开关输出端, 连接时须注意极性对应。试验作业时应防止试验电源输出端短路。
电磁操动机构合闸线圈工作电流约为100A, 而试验电源设计的电流参数、功率参数达不到要求, 故不能使用该试验电源对电磁操动机构合闸线圈进行试验。
试验电源输出电压越低, 效率就越低, 但由于只在试验作业时短时使用, 因此效率不是重要问题。
5 结束语
试验电源整机质量不足1kg, 其输入电源直接取用厂站直流电源。试验电源输入端接入DC 220V电压时可以输出DC 0~215V电压, 输入端接入DC 110V电压时可以输出DC 0~105V电压, 输出电压和电流范围都能满足常规试验需要。试验电源具有220V及110V电压自适应、 输出电压范围宽分辨率小、线路简单工作可靠、体积小重量轻等特点, 便于现场应用, 具有一定的实用价值。
摘要：针对现行试验电源的输入电源都采用交流电源, 而厂站试验作业时厂站用变压器也停电, 无法获取交流电源的问题, 设计一种直流输入型试验电源, 其输入电源直接取用厂站直流电源, 具有220V及110V电压自适应、输出电压范围宽分辨率小、线路简单工作可靠、体积小重量轻等特点。
关键词：试验电源,直流输入,场效应管,精密多圈电位器
参考文献
[1]王澎, 孙玉成, 邱金辉, 等.微机型继电保护测试用模拟断路器的研制[J].电网技术, 2003 (4) :84
直流输入对控制短路电流的作用 篇2
随着浙江省用电水平的持续上升,浙江的电源装机容量仍将不断增加。目前,浙江省的统调装机容量为33GW,至远景年份,将增加50GW左右,因此,浙江电网特别是500k V电网的短路电流水平必然会有大幅度的上升。
浙江电网落点建设直流输电,既可获得直流输电的容量,又可避免电源注入引起的短路电流增加。
直流输入 篇3
随着传统能源的日益枯竭和环境的恶化,清洁能源以其经济性、清洁性、储能丰富的优点,越来越受到人们的重视[1]。 分布式发电技术是缓解能源危机和改善环境污染的有效方案,但大量的分布式电源(如光伏发电、风力发电、燃料电池等)直接并网将会对电网调峰和系统的安全运行造成负面影响,而且单机接入成本高,容量小。 目前主网采取的隔离方式限制了其能效发挥[2-3]。
微网将分布式电源、负荷和储能装置结合为一个独立的整体,通过控制策略的灵活性实现并网运行和孤岛模式的平滑切换,能高效地发挥分布式电源的价值与效益。 和交流微网相比,直流微网无需对电压的相位和频率进行跟踪,且直流电传输不需考虑配电线路的涡流损耗和线路吸收的无功能量,线路损耗得到降低。 直流微网给用户提供的电能质量主要取决于负荷侧电力电子装置,因此,直流微网中电力变换器的拓扑、控制和遥控技术为现代电力电子技术的应用开辟了新的应用领域[4-5]。
目前,楼宇是世界最大的能源用户之一。 直流楼宇得到全球的高度关注,从2009 年在日本东京召开的第1 届全球绿色建筑供电会议(GBPF),到2012 年美国硅谷的第4 届GBPF,提出了DC 380 V的数据中心直流供电标准,讨论了电源和用电设备的规格、电源品质质量和供电系统结构,以及直流供电在通信、工业、政府办公、家居中的应用和楼宇供电技术(包括可再生能源发电、高效照明、无线楼宇自动化、楼宇能源需求侧管理等)。 直流楼宇让亿万人能够在自己的家中、办公室和工厂里利用分布式电源为自己的楼房、电器和汽车供电。 在直流楼宇分布式电源(光伏发电、风力发电、 燃料电池等) 供电系统中[6],各种输入源均通过各自的DC / DC变换器进行直流变换,系统结构较复杂,成本较高。 多输入直流变换器MIC(Multiple-Input Converter)[7]能将多种分布式输入源和负载连接在一起,它允许多个性质、幅值和特性不同的输入源单独或同时向负载供电。 MIC控制自由度的灵活性,可实现直流楼宇内各分布式电源的联合供电。
近年来,MIC越来越得到国内外学者的重视,并提出了一些电路拓扑[7-12]。 文献[7]提出了一种新的双输入Buck变换器,该变换器电路结构简单,输入源既可单独也可同时向负载供电,但是只能用在降压场合。 文献[8]中的多路输入高升压Boost变换器控制简单,开关器件电压应力低,但该变换器只能用在升压场合。 文献[9]提出一种双输入反激DC / DC变换器,通过变压器实现了电气隔离并解决了传统Buck-Boost电路的输入输出极性倒置情况, 输入源可以单独也可以同时向负载供电,但只适合于小功率场合。 文献[10]给出的多输入Buck-Boost变换器电路拓扑,实现了电气隔离,但由于存在电压箝位,在任意时刻只能有一种输入源向负载供电,在一些特定场合不能满足系统需要。
本文针对直流楼宇微网提出一种新型单电感多输入Buck-Boost直流变换器。 多种输入源可单独或同时向负载供电,并能解决升/ 降压场合中传统BuckBoost电路[13]的极性倒置问题。 该变换器只含有1个电感和1 个电容器件,结构简单,开关管电压应力低。 以新型双输入Buck-Boost变换器为例,应用于直流楼宇的风光混合分布式发电系统中,提出控制策略,并通过MATLAB仿真模型和实验验证了理论分析的正确性。
1 直流楼宇微网系统结构
直流楼宇微网主要由分布式电源、变换器、直流配电网、储能装置和直流负荷组成,图1 为本文研究的基于MIC的直流楼宇微电网结构示意图。 图中风力发电(采用开关磁阻风力发电机(SRG)[14])、光伏电池、储能装置、后备电源(柴油发电机)通过多输入DC / DC变换器直接连到直流母线。 最后,整个微网系统通过一台双向整流器接入主网。 主网的接入可保证网内功率的平衡,提高系统供电可靠性。 负载端通过电力电子变换器可以得到多种电力供应,如DC48 V、AC 380 V等[15-17]。
2电路拓扑工作原理与控制策略
2.1 电路拓扑工作原理
以新型双输入Buck-Boost变换器(如图2 所示)为例分析其工作原理,为了简化分析,做如下假设:所有开关管、二极管均为理想器件;电感、电容为理想元件。 开关管采用相同开关频率,储能电感足够大,电感电流工作在电流连续模式。 图3 给出了开关管采用相同开关频率且同时开通控制方式[7]下的变换器主要工作波形。 其中,D1、D2分别为开关管VT1、VT2的占空比;Ts为开关周期;s1、s2、s3分别为开关管VT1、VT2、VT3的驱动信号;iVT1为流经开关管VT1的电流;iVT2为流经开关管VT2的电流;ILmax、ILmin分别为流过电感电流的最大值和最小值。 变换器在一个开关周期内有以下3 种工作模态。
a. 工作模态Ⅰ(t0~ t1时段)。 开关管VT1、VT2、VT3导通,输入源U1和输入源U2同时给电感L充电,二极管VD1、VD2、VDR关断,电感电流iL流经输入源U1、VT1、L、输入源U2、VT2,电感电流iL持续线性增大。 同时,电容C向负载供电,电容电压不断减小,此时VD1、VD2上承受的电压应力分别为U1、U2,则在此模态有:
b. 工作模态Ⅱ(t1~t2时段)。 开关管VT2关断,VT1、VT3导通,输入源U1单独给电感L充电,二极管VD1、VDR关断,VD2导通,电感电流iL流经输入源U1、VT1、L、VT3、VD2。 电感电流iL持续线性增大,上升斜率比工作模态Ⅰ小。 同时,电容C继续向负载供电,电容电压不断减小,此时VD1上承受的电压应力为U1,VT2上承受的电压应力为U2,则在此模态有:
c. 工作模态 Ⅲ (t2~t3时段)。 开关管VT1、VT2、VT3均关断,VD1、VDR续流导通,储存在电感L中的能量释放给负载,同时给电容C充电。 电感电流iL线性减小,电容C两端电压不断增大。 此时VT1上承受的电压应力为U1,VT2、VT3、VD2上承受的电压应力也由于三者分压分别小于U2,则在此模态有:
由上述工作模态分析可知,在一个开关周期Ts内,由输入源U1单独给电感L供电时,VT3、VD2始终导通,U1、VT1、L、VD1、VDR、C和R构成新型Buck-Boost变换器,输入、输出电压极性相同;而传统Buck-Boost变换器的输出电压Uo与输入电压Ui极性相反。 由输入源U1和U2同时给电感L供电时,电感L两端的电压是2 个输入源电压的串联,输入、输出电压极性也相同。
2.2 控制策略
双输入Buck-Boost变换器的控制框图如图4 所示,变换器采用第1 路输入功率固定和第2 路补充负载所需不足功率的主从式电压电流双闭环控制策略。 将输出电压反馈信号Uof与参考电压Uor经电压PI调节器比较放大后得到Ue,Ue与基准电流Ii2r叠加后作为Ii′2r。 若Ii′2r为正值,输入电流反馈信号Ii2f与Ii′2r经电流PI调节器2 比较放大后经PWM电路得到了VT2的控制信号s2,此时电压调节器与电流调节器2 组成双闭环;由于VD截止(I′i2r> 0),输入电流反馈信号Ii1f与基准电流Ii1r经电流PI调节器1 比较放大后经PWM电路得到了VT1的控制信号s1。 若Ii′2r为负值,电流调节器2 输出为负,则VT2关断;由于VD导通(Ii′2r< 0),I′i2r与基准电流Ii1r叠加后作为I′i1r,输入电流反馈信号Ii1f与Ii′1r经电流PI调节器1 比较放大后经PWM电路得到了VT1的控制信号s1,此时电压调节器与电流调节器1 组成双闭环。 同时,VT1与VT2的占空比经或门输出得到开关VT3的控制信号s3。
3 输入/ 输出特性分析
3.1 电压、电流表达式
3.1.1 连续模式基本关系式
根据双输入变换器一个开关周期内的3 种运行模态分析变换器的工作特点及性能。 假设D1>D2,由电感L的伏秒平衡原理有:
输出电压为:
同理,对拓扑的电容C应用安秒平衡原理可得:
其中,Io= Uo/ R为输出电流的平均值,则电感平均电流为:
各输入源电流的平均值Is1= D1IL,Is2= D2IL。
以上分析可知,变换器在电路连续工作模式下,输出电压大小只与2 个输入源电压大小及开关管VT1、VT2的占空比有关,与负载无关,且输入、输出电压极性相同。
3.1.2 断续模式基本关系式
在断续模式下,开关VT1、VT2同时导通期间,输入源电压U1+U2加在电感L两端,电感电流从零开始线性增加,在t1时刻VT2关断,VT1继续导通,电感电流继续线性增加,到t2时刻增加到最大值ILmax;开关VT1关断后,电感释放能量,在下一个开通周期之前,电感电流在t3时刻减小到零。 断续模式时,在开关VT1、VT2关断期间,二极管VDR仅在t2~ t3期间导通,电感电压UL和电流iL波形如图5 所示。
假设输入功率等于输出功率,可得:
电感平均电流为:
各输入源平均电流Is1、Is2与电感平均电流IL有关,即:
由式(9)—(11)可得:
则临界电感值LC为:
3.2 功率均衡分析
在引言部分提到,开发双输入变换器的基本动机是使它们能够由2 个输入源单独或同时向负载供电。 双输入变换器能够改变来自每个源的功率,但不改变提供给负载的总功率,同时保持输出电压恒定。 本节通过分析新型变换器的输入和输出关系来探讨变换器的功率均衡能力。 由式(5)可得双输入变换器的输出电压:
各个输入源的平均功率为:
可得每个输入源平均功率为:
式(16)、(17)表明,负载R不变时各个输入源的平均功率取决于输入源电压U1、U2、D1、D2,所以供给负载的总功率为:
式(18)括号里的项等于输出电压Uo,有:
以上分析可知,在选定占空比时输出电压保持恒定、负载不变的情况下,总的输出功率也保持恒定,即变换器能够保持恒压恒功率输出。
4 拓扑推演
在双输入Buck-Boost变换器的基础上,推演得到图6 所示的新型n路多输入Buck-Boost变换器。其中,VT1、VT2、 … 、VTn+1为功率开关管;U1、U2、 … 、Un分别为变换器的多个输入源;VD1、VD2、…、VDn为续流二极管;VDR为输出整流二极管;L和C分别为电感和电容;R为负载。 假设:电感电流iL连续;开关VT1、VT2、…、VTn+1采用相同频率且同时开通控制方式。 下面对其变换器工作性能进行分析。
设各开关管VTi(i=1,2,…,n)对应的导通占空比为Di,在一个开关周期内应用电感L的伏秒平衡原理有:
可推出:
其中,i,h=1,2,…,n。
同理,对电容C应用安秒平衡原理可得:
可得电感平均电流为:
各输入源平均电流Isi= DiIL。 则各输入源供给负载的总功率为:
由式(23)、(24)得到:
由以上分析可知,有n路输入源时,输出电压只与各输入源电压和各开关占空比有关,负载不变时,变换器也能够保持输出功率恒定。
5 仿真与实验研究
为验证本文提出的新型双输入Buck-Boost变换器的工作原理和控制策略的正确性,利用MATLAB软件搭建风光混合供电系统进行了仿真研究。
a. 以开关磁阻风力发电机[18]为对象建立仿真模型,仿真参数为:额定功率Po= 750 W, 额定转速为1 500 r / min,四相8 / 6 级,绕组内阻r = 0.15 Ω,转矩惯量J=0.0016 kg·m2,摩擦系数f=0.0183。
b. 光伏电池模型仿真参数以4 块珠海兴业太阳能生产的光伏电池(型号SYE270P-72)串联组成的光伏阵列为参考,单块电池在标准状态(1000 W / m2,25 ℃)下参数为:最大功率Pm= 270 W,开路电压Uoc=44.5 V,短路电流Isc= 8.25 A, 最大功率点电压Um=35 V,最大功率点电流Im= 7.71 A。
c. 双输入Buck-Boost变换器的参数为: 额定功率Po= 1.5 k W,电感L = 63.5 m H, 输出滤波电容C =680 μF,输出电压Uo= 220 V (此电压等级兼容目前大多家电设备),仿真模型如图7 所示。
图8(a)、(b)给出了满载时风光联合供电输出电压、功率的仿真波形。 可看出输出电压保持恒定且电压波动在10% 以内;负载不变时,输出功率恒定。 图8(d)—(g)给出了轻载时SRG和光伏单独供电输出电压、功率的仿真波形。 可看出SRG和光伏分别单独供电时,此时分别调节VT1、VT3和VT2占空比使得输出电压保持恒定且电压波动均在10% 以内;负载不变时,输出功率恒定。 分布式电源在联合或单独供电的情况下,仿真实验与理论分析结果一致。
为了进一步验证理论分析的正确性,实验室研制了一台1.5 k W的原理样机,主电路中开关管VT1、VT2、VT3均选用IXTH30N50,二极管VD1、VD2、VDR选用MUR460,输入电压U1= 150 ~ 240 V,U2= 180 ~ 300 V,开关频率fs= 50 k Hz,其他实验参数与仿真参数一致。
图9 为变换器工作实验波形。 图9(a)为输入源U1= 200 V单独向负载供电时开关管VT1、VT2、VT3的驱动电压;图9(b)为电感电压UL和电感电流iL,此时输入源U2退出工作,由U1单独向负载供电,且使得输出电压稳定在DC 220 V;图9(c)为输入源U2=180 V单独向负载供电时开关管VT1、VT2、VT3的驱动电压;图9(d)为电感电压UL和电感电流iL,此时输入源U1退出工作,由U2单独向负载供电,输出电压稳定在DC 220 V;图9(e)为2 个输入源U1= 200 V和U2= 180 V同时向负载供电时开关管VT1、VT2、VT3的驱动电压;图9(f)为电感电压UL和电感电流iL,此时输入源U1和U2同时向负载供电,输出电压保持恒定。 实验波形与理论分析和仿真结果一致,验证了理论分析的正确性。
6 结论