新型高頻開關(guān)充電電源研究

　　摘要：研究了適用于變電站直流系統(tǒng)的新型高頻開關(guān)充電電源，闡述了針對變電站直流系統(tǒng)的充電電源主電路和控制系統(tǒng)的設(shè)計原則，并給出了設(shè)計方案。最后，對逆變控制電路進(jìn)行了詳細(xì)的討論。

1引言

　　充電電源是直流電源系統(tǒng)的一個重要組成部分。目前，在國內(nèi)市場上應(yīng)用的充電電源主要有磁飽和充電機(jī)、晶閘管整流器和高頻開關(guān)充電電源等三類，其中前二者技術(shù)成熟，推廣應(yīng)用的時間已久，使用面也很廣。但由于受控制技術(shù)和元器件特性的限制，仍存在許多不足之處，如體積龐大、笨重、效率低、可靠性差、系統(tǒng)紋波電壓大、不便于計算機(jī)監(jiān)控等。

　　高頻開關(guān)技術(shù)是采用高頻功率半導(dǎo)體器件和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的新型功率變換技術(shù)。開關(guān)電源的逆變單元工作在高頻開關(guān)狀態(tài)。由于工作頻率高，電路中濾波電感及電容的體積可大大縮小；同時，高頻變壓器取代了工頻變壓器，則變壓器的體積減小、重量降低；另外,由于開關(guān)管高頻工作，功率損耗小，因而開關(guān)電源效率高。開關(guān)管一般采用PWM控制方式，穩(wěn)壓穩(wěn)流特性較佳。將高頻開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于充電電源，不但有利于充電電源的小型化和高效化，而且易于產(chǎn)生極性相反的高頻脈沖電流，從而實現(xiàn)蓄電池脈沖快速充電。本文運(yùn)用高頻開關(guān)技術(shù)，設(shè)計了針對變電站直流系統(tǒng)的新型高頻開關(guān)充電電源。 2高頻開關(guān)充電電源主電路設(shè)計

　　高頻開關(guān)充電電源的主電路主要由輸入整流、輸入濾波、高頻逆變、輸出整流、輸出濾波等環(huán)節(jié)構(gòu)成。按照高頻交流信號與輸出直流信號間的耦合方式不同，可將主電路中的直流變換器（DC/DC）分為隔離型和非隔離型兩大類。其中非隔離型DC/DC變換器又分為降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、升降壓式(Buck?boost、Cuk)等幾種電路結(jié)構(gòu)，隔離型DC/DC變換器又可分為單端正激式(Forward)、單端反激式(Flyback)、推挽式(Push?pull)、半橋式(HalfBridge)、全橋式(Bridge)等電路形式[1]。

2.1主電路選取原則

　　首先設(shè)定充電設(shè)備的運(yùn)行方式為設(shè)備與蓄電池組并聯(lián)連接于直流母線上，正常運(yùn)行時，充電設(shè)備承擔(dān)經(jīng)常性負(fù)荷，同時向蓄電池浮充電以補(bǔ)充其自放電的損失。

　　根據(jù)開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合蓄電池的使用性能及其充放電特性，并考慮到直流系統(tǒng)運(yùn)行電壓的要求，確立了以下高頻開關(guān)充電電源主電路的選取原則：

1)充電電源額定輸出電壓應(yīng)為蓄電池組標(biāo)稱電壓的1.5倍以上，額定輸出電流應(yīng)大于蓄電池組的額定充放電容量，同時還要滿足直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時控制母線和合閘母線所需功率容量;

圖1半橋式高頻開關(guān)充電電源主電路

(a)充電電路(b)放電電路

圖2高頻開關(guān)充電電源控制系統(tǒng)框圖

2)輸出電流、電壓在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并具有較好的穩(wěn)流、穩(wěn)壓特性;

3)使用高頻變壓器以隔離電網(wǎng);

4)變壓器線圈和磁芯利用率高、效率高;

5)輸入、輸出電流連續(xù)，以減輕輸入、輸出濾波任務(wù)，縮小裝置體積和降低對電網(wǎng)的損害;

6)具有較強(qiáng)的抗不平衡能力。

2.2主電路選型

　　依據(jù)上述選取原則，經(jīng)過對各類型開關(guān)電源主電路的分析比較，作者選取由雙端半橋式DC/DC變換器構(gòu)成的功率變換電路作為高頻開關(guān)充電電源的主電路形式，如圖1所示。

　　此電路中，EMI濾波器主要用于抑制交流電網(wǎng)與直流變換電路之間的高頻噪聲干擾。D1～D6構(gòu)成三相橋式不可控整流電路，將380V交流電轉(zhuǎn)換為直流電，C0作濾波用，C1、C2、S1、S2、D01、D02構(gòu)成半橋式DC/AC變換器，將直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流方波電壓，并經(jīng)高頻變壓器T送出。D7、D8、L、C3構(gòu)成變壓器次級整流濾波環(huán)節(jié)。GB為蓄電池，S3為控制蓄電池放電的開關(guān)管，R為放電電阻。充電電壓V0與開關(guān)管S1、S2工作的占空比及變壓器次初級線圈匝數(shù)比成正比，即[2]V0=·VC0(1)

式中：tON為開關(guān)管在一周期內(nèi)的導(dǎo)通時間；

T為開關(guān)周期。

因此，通過改變開關(guān)管的占空比就可調(diào)節(jié)輸出電壓。

充電時，S1、S2交替導(dǎo)通相等時段，以便產(chǎn)生等寬方波脈沖。放電時，關(guān)斷S1、S2，觸發(fā)S3導(dǎo)通，則蓄電池可通過電阻R放電，放電時間由S3導(dǎo)通時間決定。

半橋式高頻開關(guān)充電電源主電路的主要特點是：

1)輸出功率可達(dá)幾kW，可滿足蓄電池充電的要求。

2)只有兩只開關(guān)管進(jìn)行功率變換，簡化了驅(qū)動電路設(shè)計（相對全橋式電路而言）。

3)高頻變壓器原邊繞組在方波脈沖的正負(fù)半周都工作，故繞組利用率高。 4)開關(guān)管截止期間承受電壓低，僅為輸入直流電壓值。

5)抗不平衡能力強(qiáng)。當(dāng)開關(guān)管特性不一致或?qū)�通時間不一致時，不會引起“單向偏磁”現(xiàn)象，這是推挽式和橋式變換器都不具備的一個突出優(yōu)點。

3高頻開關(guān)充電電源控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1直流系統(tǒng)供電及蓄電池充電對控制系統(tǒng)的要求

1)在電網(wǎng)正常運(yùn)行時，高頻開關(guān)充電電源向直流系統(tǒng)供電并給蓄電池浮充電，此時要求輸出電壓有良好的穩(wěn)壓特性。

2)當(dāng)蓄電池容量欠虧時，需進(jìn)行補(bǔ)充充電，為提高充電速度，需采取恒流充電方式，此時則要求電源有良好的穩(wěn)流特性。

3)能在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)對電流、電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)。 4)各種充電方式能自動轉(zhuǎn)換。

5)蓄電池充滿時能自動停充。

6)能對電流、電壓、溫度等各種參數(shù)進(jìn)行檢測以及作出判斷，并采取相應(yīng)保護(hù)措施。

7)具有四遙功能，即要求在遠(yuǎn)方設(shè)定參考值、測量充電電流和充電電壓，并且對系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行遠(yuǎn)方控制，還能實現(xiàn)對工作狀態(tài)和故障信號等的遠(yuǎn)方采集。

3.2控制系統(tǒng)組成

　　如圖2所示，高頻開關(guān)充電電源的控制系統(tǒng)主要由取樣電路、信號變換電路、檢測保護(hù)電路、PWM信號生成電路和驅(qū)動電路等組成。取樣電路從主電路的輸出采集電流、電壓等信號，采樣信號與給定值進(jìn)行比較后得到的差值信號經(jīng)過誤差放大器進(jìn)行放大，以便調(diào)