直流操作電源的設(shè)計(jì)

郭宇瑜 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院

操作電源是指信號、控制、監(jiān)測、自動裝置、繼電保護(hù)、合閘線圈和事故照明等系統(tǒng)所需的電源。要求安全可靠，保持供電不斷，同時容量夠大，滿足供電系統(tǒng)運(yùn)行及應(yīng)急事故處理所需容量，有良好的供電質(zhì)量且經(jīng)濟(jì)實(shí)用。本次設(shè)計(jì)的操作電源由交流配電單元、整流輸出模塊、降壓模塊組成。

電源；設(shè)計(jì)；直流；操作

1.直流操作電源工作原理

1.1 總體工作原理

本次設(shè)計(jì)的直流操作電源將電網(wǎng)作為電能來源，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后對電池組進(jìn)行充電，電池組進(jìn)行不間斷電能輸出，一部分用為合閘母線的直流輸出，另一部分用為控制母線的輸出。在電池組部分加入一檢測裝置對電源的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，使之一直工作在正常狀態(tài)，假如出現(xiàn)問題可以快速發(fā)現(xiàn)并馬上解決。在控制母線處也需要進(jìn)行絕緣監(jiān)測來防止開關(guān)的誤跳閘、誤報警，從而使系統(tǒng)能正常運(yùn)行。

1.2 交配電單元

交流配電中心應(yīng)設(shè)兩個回路，使用的交流電源應(yīng)取自不同的交流母線，正常情況下應(yīng)處于可切換狀態(tài)，切換裝置工作正常；當(dāng)充電裝置的輸入處于未切換的方式時，雙回路應(yīng)盡量對充電模塊的數(shù)量進(jìn)行均分。

當(dāng)系統(tǒng)處于正常輸入狀態(tài)下時，選擇兩回路中的一路進(jìn)行輸入，給各個充電模塊供電，在充電模塊處進(jìn)行整流濾波，將交流電轉(zhuǎn)換為220V或110V的直流電，穩(wěn)壓后進(jìn)行輸出，一方面給供給負(fù)載，另一方面對電池進(jìn)行充電。當(dāng)交流輸入回路出現(xiàn)故障時，備用的交流回路立即投入運(yùn)行，確保依舊有交流輸入，系統(tǒng)能正常運(yùn)行；當(dāng)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的情況時——兩交流輸入回路均故障停電或異常，蓄電池加入進(jìn)行供能，而充電模塊停止工作，退出運(yùn)行。

1.3 充電模塊

在充電模塊中，首先對從電網(wǎng)接入的220V交流電進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定的電壓，經(jīng)過保護(hù)裝置后一方面給蓄電池組智能充電、浮充電作為后備使用，另一方面作為負(fù)載的直流電源，在連入電網(wǎng)的交流電出現(xiàn)故障時，充電模塊停止工作，由蓄電池不間斷對負(fù)載提供電能。

1.4 硅堆降壓

降壓單元在正常情況下處于熱備份狀態(tài)，蓄電池進(jìn)入到充電狀態(tài)時，也要同時對系統(tǒng)的控制電路及其他器件提供穩(wěn)定的直流電壓來保證穩(wěn)定的工作，當(dāng)蓄電池從浮充充電狀態(tài)進(jìn)入到均衡充電狀態(tài)時，充電電壓升高，這時系統(tǒng)將硅堆接入，進(jìn)行降壓，一般情況下電力系統(tǒng)電源電壓額定值在110V～220V，由于蓄電池充電前的額定電壓與充電后的額定電壓不同，充電后輸出電壓能夠達(dá)到額定值的145%，即180V～330V，由于蓄電池的端電壓變化范圍很大，不符合負(fù)載的供電需求，需要對其調(diào)壓，經(jīng)過調(diào)壓后就能得到穩(wěn)定的供給電壓。

2.充電模塊

圖1 工作原理圖

圖2 硅堆降壓電路設(shè)計(jì)圖

整流模塊主要由EMI濾波電路、全橋整流、PFC功率因數(shù)矯正電路、高頻逆變器、高頻整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路和脈寬調(diào)制(PWM)電路組成。

EMI濾波：電網(wǎng)中高頻噪聲，整流模塊也會產(chǎn)生高頻干擾，這時采用EMI濾波電路不但防止操作電源的高頻噪聲進(jìn)入到電網(wǎng)，又能消除電網(wǎng)噪聲對電源模塊的干擾。

整流：利用全橋整流將交流電轉(zhuǎn)換為脈動直流電。

無源PFC校正：經(jīng)過整流后電壓與電流產(chǎn)生的相位差會造成功率因數(shù)的降低，采用PFC電路可以提高功率因數(shù)，還能治理諧波。

高頻逆變：利用IGBT開關(guān)功率器件構(gòu)建橋式逆變結(jié)構(gòu)，將輸入直流電轉(zhuǎn)化為極性周期改變的交流電。

高頻變壓器：一方面經(jīng)過降壓得到所需電壓，另一方面在進(jìn)行功率傳輸?shù)耐瑫r實(shí)現(xiàn)交流輸入與直流輸出的電氣隔離。

3.硅堆降壓

3.1 硅堆降壓設(shè)計(jì)原理

降壓硅堆主要就是把多個功率比較大的硅整流二極管串接在一起，因?yàn)槎O管能夠使得PN結(jié)正向壓降基本恒定這樣的作用，那么就可以通過改變二極管串入電路中的多少，就能夠達(dá)到電壓調(diào)節(jié)的目的。相比于其它電壓調(diào)節(jié)方式，硅堆降壓具有操作簡便、成本不高、安全、可靠的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 主電路的設(shè)計(jì)

把每個降壓硅堆都分成5節(jié)（AS1～AS5），然后在把它連接在一起，再把繼電器的常閉觸點(diǎn)（K1～K5）連接到之前進(jìn)行分節(jié)的每一個硅堆的兩頭，如果想要使得相應(yīng)的繼電器起作用，那么就要把相關(guān)的分節(jié)觸點(diǎn)斷開，于是相應(yīng)的硅堆則連接的形式就是就是串聯(lián)了，能夠使得壓降增加；如果想要相應(yīng)的繼電器返回，那么就要把相關(guān)的的分節(jié)觸點(diǎn)閉合，那么相應(yīng)的硅堆就不能夠連接到這個電路中，也就是說在電路中總的硅堆數(shù)量減少了，就能夠把壓降減小。電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

4.總結(jié)

本設(shè)計(jì)主要從理論與實(shí)踐上對變電站中電力直流操作電源系統(tǒng)進(jìn)行研究，對變電站直流操作電源的工作原理、直流系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行了分析，希望直流操作電源的相關(guān)設(shè)計(jì)方面能夠在將來取得更大進(jìn)展。

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郭宇瑜，浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江省諸暨市，主要研究方向：電氣工程及其自動化。