直流稳定电源设计篇1

【关键词】广电；专用馈电转换电源装置；设计；使用

中图分类号：TM72文献标识码A文章编号1006-0278（2015）09-146-01

我国的馈电开关保护技术起步于20世纪50年代，经历了模仿苏美、西欧等先进国家的产品到自主开发、非智能化到智能化的发展历程，馈电开关保护装置为井下低压供电提供了有力保障。目前，在广播电视双向网改造过程中，需要在网络节点上安装双向网终端设备，由于户外施工情况复杂，许多最佳改造位置无法取得220V电源供设备使用，重新选择节点增加了改造成本和复杂度。

一、广电专用馈电转换电源装置的结构原理

实用新型广电专用馈电转换装置内部功能模块包括：将同轴电缆输入的30～60VAC电源转换为直流电压的交直流转换模块、通过开关电源将宽电压范围的低压直流转换为稳定的高压直流输出的开关电源模块、将稳定的高压直流通过逆变器转换为稳定的220VAC输出的逆变模块。逆变模块的输出端与EPON+EoC远端设备（如EoC、ONU、小型交换机）的220VAC插座相连。

当同轴电缆馈送输入电压由于线路衰减电压变化范围达30～60VAC时，通过交直流转换模块内部的桥式整流、电容电感滤波扼流以及输入高压保护电路等，转换为高低变化的低压直流。低压直流输入开关电源模块，开关电源通过内部电压检测和反馈电路，自动调节振荡脉宽或频率，达到输出电压稳定的目的，输出稳定的200VDC直流高压。逆变转换模块的功能是将直流高压通过50Hz脉冲震荡电路调制并通过电容电感充放电输出220VAC交流正弦波，最终输出稳定的供设备使用的工频电压。新型馈电转换装置采用高频电子器件，自身能耗低，在空载时功耗低于3W。由于没有笨重的变压器，新型转换装置体积小便于在狭小箱体柜内安装。新型转换装置采用的开关电源和逆变技术，自身辐射小，工作频率远低于传输信号频率，不会对电视信号和数字信号产生辐射干扰。该新型装置工作时，室外工作环境适应性强，当输入电压、负载、环境温度、湿度、气压在一定范围内变化时，可自动检测和矫正并输出稳定的220VAC电压。该转换电源装置的单个成本在200元以内，批量生产成本可大幅度降低。装置内部模块采用的开关电源技术和逆变电源技术是公知的成熟技术。

二、广电专用馈电转换电源装置的设计和使用

（一）广电专用馈电转换电源装置的结构设计

图1是实用新型广电专用馈电转换装置的结构框图，其中馈电设备为远端低压馈电器。馈电转换电源由交直流模块、开关电源模块、逆变转换模块三大功能模块组成。用电设备为ONU、EoC等用户局端设备以及小型交换机。馈电转换装置具有馈电和信号环出功能接口，可继续给下级放大器供给馈电和信号。

（二）广电专用馈电转换电源装置的使用效果

在馈电转换电源装置的实际使用中，输出功率受内部开关晶体管功率、馈送同轴电缆的阻值、馈电器内阻（功率）影响，如远端馈电器距离馈电转换电源装置较远时，馈送入馈电转换装置的电压达不到30VAC，就需要采用内阻较小、功率较大的馈电器，也可将馈电器向前级移动，减少两设备间距离，或者采用更大外径、内阻更小的同轴电缆。我单位在实际使用的新型馈电转换装置自身与负载功率合计小于100W，按照有线电视一台4模块放大器功率一般在100W以上相比较，馈电转换电源对线路影响小，完全可以通过线路调整实现对双向网设备的供电。采用馈电转换电源，还适用于间歇性停电、外电电压不稳易造成用电设备损坏的环境，只要同轴电缆馈电正常，就可以采用远端馈送的低压交流电转换为稳定持续的220VAC输出。馈电转换电源还可以作为有线电视工作者在网络施工检修中应急电源使用，可以为笔记本电脑等设备充电，为光纤熔接机提供电源，为光纤和电缆检修测试仪器提供临时用电。

三、结语

总而言之，根据当前馈电开关保护技术存在的问题，采用馈电转换电源，可以采用远端馈送的低压交流电转换为稳定持续的220VAC输出，并能够进一步作为有线电视工作者在网络施工检修中应急电源使用，为光纤和电缆检修测试仪器提供临时用电，为广电电网安全可靠的运行提供了有力保障。

参考文献：

直流稳定电源设计篇2

本文结合国内相关技术研究成果，综合考虑投资成本及应用效果，提出了井组数字化控制柜交直交稳压电源解决方案。

【关键词】交直交稳压电源感应电压电源浪涌

数字化技术在油田的广泛应用，让油田的管理效率得到大幅度的提高。但由于生产区电压质量不高、天气原因、燃气发电等原因造成数字化前端系统供电电压不稳定，电源浪涌，频繁切换，对没有供电保护的井组数字化设备正常运行产生了一定影响，甚至造成设备损坏，增加维护成本。因此给井组数字化设备提供一款稳压电源是非常重要的。

1现状分析

1.1油区供电现状分析

1.1.1电压质量不高对供电的影响

我厂白豹油田供电情况复杂，白7增、白19增、白一联附近区域供电电压偏低，白13增附近区域供电电压偏高，无法提供平衡稳定的三相正弦波形的供电压，供电质量差会引起用抽油机、井组数字化设备的效率和功率因数降低，损耗增加，寿命缩短，损坏率较高。

1.1.2浪涌造成的影响

浪涌现象对数字化设备正常运行造成的影响主要有两方面原因：

白豹油田因各类供电线路检修造成各区块累计停电次数每年高达50次以上，来电后抽油机与井组数字化设备同时直接供电启动，强大的浪涌现象伴随产生过大的瞬间电流，造成井组数字化设备的损坏。

白豹油田变压器安装地势高，易受雷击产生过大的瞬间电流，造成井组数字化设备的损坏。

1.1.3燃气发电对供电的影响

我厂白豹油田应用燃气发电机供电井组较多，达20%左右。由于井组供气量不稳或发电设备自身原因造成输出电压不稳，无法提供较稳定的电压，直接损坏井组数字化设备。

1.2由于供电品质低造成的损失

1.2.1直接损失

2010年白豹油田由于电压质量不高造成井场数字化设备的烧毁现象较多，设备更换及维护费用偏高，共计损失费用64万。

1.2.2间接损失

供电系统不正常导致数字化设备损坏，造成数据采集中断，严重影响数字化系统的正常使用，资料录取、现场监控等功能的失效为生产管理带来诸多不便。

2对策研究

2.1目前的保护措施

按照油田公司相关数字化建设标准要求，仅有的浪涌保护器也未规定型号及具体的技术要求。根据运行现状来看，目前的保护措施不能有效对井组数字化设备起到保护作用。主要原因有两点：

（1）目前使用的浪涌保护器质量不高，自然气候条件恶劣易造成电气保护设施的损坏。

（2）由于抽油机启动瞬间产生远大于稳态的峰值电流与电压，以及雷击产生的瞬间电流过大，都会击穿浪涌保护器，造成井组数字化设备损坏。

2.2需求分析

2.2.1所需稳压电源分析

由于井组数字化设备使用环境比较恶劣，所以电源应能在高温及低温条件下稳定运行。所需稳压电源应能消除电网供电电压变化大、供电频率不稳定、电压畸变严重（谐波分量高）、闪变等综合性电压质量问题，并具有输出波形纯净、稳压范围宽、精度高、重量轻、体积小、价格低等特点。

2.2.2市场调研

根据所需稳压电源特点，调研目前市场主流的稳压电源主要有三类：

（1）磁饱和稳压电源：其性能优良，但价格很高且体积庞大而笨重，电压反应电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低。

（2）UPS电源：具有一定的稳压效果且停电后在一定时间内持续供电的功能。但UPS电源运行受环境影响较大，主要对室内用电设备起到保护措施，所以无法应用在井组。

（3）电子式稳压电源：大多为民用产品，达不到工业使用要求，且变压范围较小（160V～220V），不能满足井组数字化建设需求。

3解决方案

3.1交直交稳压电源设计技术原理

一般交直交电源主要有两大种类：线性放大型和PWM开关型，根据目前的技术发展，我们采用了目前最先进的双PWM正弦波脉宽调制技术，主动元件IGBT模块设计，瞬时值反馈、正弦脉宽调制等技术。

本电源为适应供电电源电压波动范围大、浪涌、畸变、闪变的供电特点，采用了整流、调制、稳压、中间回路电压反馈的直流稳压输出。

3.2交直交稳压电源特点

体积小：稳压电源内部采用集成度高、功能强大的大规模集成电路，并使用全新的现代化器件，如新型高频功率半导体器件使电源高频化，电源高频化可以缩小体积重量，新型磁性材料和新型变压器，如集成磁路、平面磁芯、新型元器件。特别改善二次整流管的损耗，变压器及电容小型化，并同时采用表面安装技术，使电源体积和重量都可减少许多。并且使用模块化电源组成电源系统，功率器件的模块化、电源单元的模块化，将开关器件的驱动保护电路安装到功率模块中；将一些硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接达到缩小体积和重量的目的。

价格低：随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路和全新的高性能低价器件的出现，并且大规模生产使之价格降低。此电源采用了大规模集成电路和全新的高性能低价器件，使用模块化电源组成电源系统，并且以数字电路为基础，大大减少了硬件数量，降低故障率，且数字信号处理技术日趋完善成熟，这些都使此电源的价格更低。

3.3技术指标

（1）输入电压范围130-300V；

（2）输出电压220V±3%；

（3）波形失真度

（4）功率因数大于0.95；

（5）工作温度-15～60℃；

（6）具有输出短路、过流保护；

4效果分析

4.1性能对比

交直交电源与性能较高的磁饱和参数稳压电源比的优点：

（1）体积小、重量轻（便于客户装卸）

（2）输入功率因数达到0.95，使得自身的损耗大大降低。

（3）可与发电机组搭配使用（磁饱和稳压电源因输入的频率范围窄，所以当用户那里停电并采用发电机组供电时，则不能使用）

（4）输出电压稳定

（5）输出的波形好（失真度小

（6）能消除电网供电电压变化大、供电频率不稳定、电压畸变严重（谐波分量高）、闪变等综合性电压质量问题，为数字化系统提供电压稳定、净化的交流电源。

5结论

交直交稳压电源的实验成功，能为井组数字化系统提供一款性价比高、稳定可靠的交流供电电源，彻底解决供电质量问题，有效保护井场数字化设备，避免经济及其它损失。

直流稳定电源设计篇3

低压差稳压器(LDO)在包括电池供电的电子设备在内的大量应用中广为使用。但是，设计人员了解LDO的特性和参数以及这些参数对整体系统的影响是非常重要的。

LDO架构概述

LDO使用电压控制的电流源来产生给定的输出电压。LDO由带隙参考源、放大器、传输晶体管和反馈网络组成(见图1)。传输晶体管通常是N沟道或P沟道FET，用作调整输出电压的可变电阻。此输出电压与带隙参考电压进行比较，放大器相应驱动传输晶体管以均衡其输入上的电压。

压差

由于LDO架构依靠调节电阻元件来产生给定的输出电压，因而LDO(或任何线性稳压器)只能产生比输入电压低的输出电压。为了使输出保持稳压而在输入和输出问需要的最小电压差称作压差。由于LDO只使用单个FET晶体管作为传输元件，其压差比其他线性稳压器拓扑的压差小，因此称为低压差稳压器或LDO。

压差成为使用LDO调节电池电压的电池供电应用中的重要参数。以一个采用单节锂离子(Li－Ion)电池供电的应用为例。锂离子电池充满电时的开路电压约为3.6V，在电量完全耗尽时电压降至约2.7V。在此例中，使用LDO将电池电压降至2.5V，为系统的其余部分供电。如果LDO的压差为200mV或更小，则在电池电量耗尽之前LDO的输出将保持稳压。但是，如果LDO的压差为500mV，则当电池电压降至3V时输出电压将不再稳定。在这种情况下，电池电量无法完全耗尽，从而对电池寿命造成负面影响。

线路调整度

LDO的另一个常用参数是线路调整度。此参数表示器件在变化的输入电压下对输出电压进行稳压的能力。线路调整度通常指定为在输入电压发生一伏变化时输出电压的变化百分比(％／V)。需要注意的是，线路调整度是直流或稳态参数。因此，由于输入电压发生变化而产生的任何输出电压瞬变都将被忽略。

在上面讨论的压差示例中，LDO从单个锂离子电池提供2.5V稳压输出。在此示例中，LDO的输入电压随着锂离子电池电量的消耗发生变化。因此，尽管LDO输出电压的标称值为2.5V，其仍然会随着电池电压的变化而变化。变化的程度与LDO线路调整度参数成函数关系。

线路调整度也可能是支持多个电源的系统(如带备用电池的交流一直流转换器)的关键因素。在这种情况下，主电源可以是来自交流一直流转换器的12V电源，但是如果掉电，系统将切换到备用电池，从而可能使系统在9V电压下运行。LDO如何对输入电压的这种突发跳变做出响应至关重要。如果LDO的输出变化显著，这可能会引起其他系统故障。

负载调整度

线路调整度对应LDO输入电压的变化，而负载调整度对应LDO输出负载的变化。按照定义，负载调整度是LDO在变化的电流负载条件下保持恒定输出电压的能力。此参数通常在数据手册中显示为在给定负载电流变化下LDO输出电压的变化百分比。

在电流负载发生显著变化的应用中，负载调整度将成为LDO的重要参数。例如，要构建一个依靠LDO为单片机提供稳压电源的系统。单片机可能处于不同的工作状态，可能是关断或休眠模式，也可能是不同功耗级别的运行模式。当单片机从一种状态切换到另一种状态时，此类设备的电流消耗可能快速改变，电源轨上的任何电压毛刺都可能对单片机产生不利影响。因此，能够在各种电流负载条件下提供稳定的输出电压是选择合适LDO的重要因素。

电源正常指示器

除了线性稳压器的基本操作以外，一些LDO(如Microchip的MCP1825)还提供了附加功能，如电源正常指示器。此功能提供一个逻辑输出，指示LDO的输出何时稳定且处于稳压范围内。通常，这样的输出引脚都会带有某种内置的迟滞电路以避免由噪声或其他因素引起误触发。

当采用LDO为需要清洁启动电压的敏感器件供电时，电源正常指示功能是非常有用的。在这种情况下，LDO的输出将保持与负载断开，直至电源正常指示器提供有效输出。此时，系统可将LDO的输出连接到负载，确保电源清洁、稳定，并且其缓慢的变化不会对系统造成任何影响。

过热保护

某些LDO的另一个实用功能是过热保护。与所有硅集成电路一样，硅芯片存在一个最大温度限制，通常称为最大结温，约为150℃。如果超过最大结温，硅芯片就可能永久损坏。包括MCP1825在内的一些LDO实现了过热保护电路，用于监视硅的内部结温。如果达到最大结温(对于MCP1825为150℃)，LDO输出将关断，直到结温降至可接受的级别。这可防止过高的温度对集成电路造成永久损坏。

直流稳定电源设计篇4

我国未来电网发展形态具有高比例间歇式清洁能源大范围消纳，与周边国家联网构建全球能源互联网以及会大量应用VSC电压源换相直流输电等特征，交直流电网相互影响的动态响应速度加快。要满足大电网安全稳定需求，重要的基础是建设发展控制保护专用信息通信网（ControlandProtectionDedicatedNetwork，CPDN）（简称控制保护专网），实现大范围多类型电网信息交互、融合。D-5000的WAMS系统因时滞长难以承担控制的任务。控制保护专网信息中心级别按照信息中转两层架构，实现二次设备接入安全识别、信息流量控制、信息优先级调度等功能。控制保护专网原型系统已经在华中电网建成投运，新一代控制保护专网建成后，能够实现控制与保护系统之间的信息交换，有利于相互之间协调；安控系统将具有感知电网运行趋势的能力，有助于安全与效率之间的平衡；调度自动化业务迁移至控制保护专网后，性能指标将得到提升。控制保护专网的建设将是电网运行控制水平大幅提升的重要基础。

关键词：

全球能源互联网；控制保护专网；信息转运及控制；架构

引言

目前，我国电网已经到了非常特殊的发展时期，电网的特点和特征比较突出。同步电网装机容量规模已经位居世界前列，最高电压等级、最大输电容量的特高压交直流工程和电网已经建成投运多年，并初步形成特高压交直流电网，同一送端电网、同一受端电网接入超/特高压直流工程数量和容量规模在全球是独一无二的[1]。不远的将来，我国将首先推动“一带一路”周边国家电网互联互通，进而实质性推动构建全球能源互联网，因此需要更大范围传输清洁绿色能源[2]。此外，我国电力行业工程师驾驭大电网安全稳定可靠运行能力面临着新的考验，需要面对有挑战性的新需求。

1电网发展控制特点及其对信息通信技术的需求分析

1.1高比例间歇式清洁能源发电是未来电网发展的主要形态，需要发展结合多源信息的新型运行控制技术

根据我国能源发展战略行动计划（2014年—2022年），风电重点规划建设酒泉、蒙西、蒙东、冀北、吉林、黑龙江、山东、哈密、江苏等9个大型现代风电基地，到2022年，风电装机达到2亿kW。风电装机规模接近华北或华中或华东2016年电网装机水平，华北、华中、华东、西北及东北电网消纳风电比例约20%~30%。随着中国经济的持续增长，无论是从国内还是国外的视角来看，中国应对全球气候变化责任压力都在持续加大，高比例（10%~50%）风电、光伏等清洁能源消纳是未来电网发展的主要形态[2]。风电、光伏等清洁能源发电具有间歇性、随机性特点，风电发电负荷较大区间一般在后半夜，电网负荷处于低谷，在北方供暖期间热电联产机组以供热定电模式为主，电网调峰调频压力巨大。电网调峰主要依据调度发电计划曲线及依靠调度自动化AGC系统协调，调整常规发电机机组、抽蓄机组等出力，调整响应时间一般在分钟级。电网调频也是依靠常规发电机包括抽蓄机组，根据频率偏差自动实现调速器及原动机系统的功率调整。依据储能情况（如火电原动机压力包、水电水头）调整响应时间一般在秒级至数秒级甚至到分钟级范围。电网应对更高比例间歇式清洁能源发电的策略，一方面需要建设坚强的交直流混联电网，包括发展配套的抽水蓄能及电化学储能等大规模电量型储能系统，为大规模、高比例间歇式清洁能源发电消纳提供必要的物质基础；另一方面，风电和光伏发电短期功率预测已基本实现大范围应用，对于提高电网更高精度的发电调峰和调频控制具有工程应用价值，结合大范围采集电网实时运行状态、物联设备等多源信息的系统运行控制薄弱环节分析、调峰/调频能力分析等技术，实现大规模风电、光伏发电场主动功率调整，提升整个电网的运行控制水平。

1.2特高压直流送端同方向、受端同方向并以捆状

输电，需要发展利用多源信息的新型交直流混联电网协调控制技术±800kV天山—中州特高压工程额定输送容量达800万kW、输电距离2191.5km，于2014年1月13日完成全部系统调试试验并正式投运，是我国首个送端风电与火电以打捆配套建设电源方式并大规模远距离送出工程[3]。2017—2018年，还将陆续投运以风电与火电以打捆配套建设电源方式的±800kV、800万kW酒泉—湖南、1000万kW锡盟—江苏2条特高压工程。预计到2022年，送端西北、华北、东北“三北”并且受端在华北~华中~华东方向的直流工程将达到20多回[4-5]。当前我国电网建设发展存在“强直弱交”现象，特高压直流的建设投运速度远远超过特高压交流，交流电网可能难以承受故障转移功率冲击或者难以为多回特高压或超高压常规直流电网换相换流器（LineCommutatedConverter，LCC）提供有效的电压支撑，交流系统存在薄弱环节，还可能反过来限制特高压直流输送能力[6]。如2015年9月19日，锦苏特高压直流带负荷540万kW发生双极闭锁，造成华东电网频率跌落至49.563Hz、越限持续207s，对电网安全稳定造成严重影响[7]。为解决“强直弱交”问题并保障电网的安全可靠运行，一方面需要按照“强直强交”原则构建交直流协调发展交直流混联特高压电网；另一方面，客观上电网已经形成送端同方向、受端同方向、直流落点密集多条直流捆状群，可能影响的范围更加严重，客观上需要考虑利用多源信息，加强直流捆状群与交流电网的协调控制能力，更好地应对大规模、高比例间歇式清洁能源大范围消纳。

1.3电力系统一次设备“电力电子化”特征发展趋势明显，需要发展与此相适应的快速安全稳定控制技术

随着大功率绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）、脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）和多电平控制等技术的成熟，国内自换相的电压源换流器（VoltageSourceConverter，VSC）直流实现了示范工程应用[8]。上海南汇、广东南澳、浙江舟山等以电缆线路输电形式的多端柔直工程已经建成投运，即将规划建设渝鄂±500kV背靠背柔直工程，以及以架空线路输电形式的±500kV张北柔直电网科技示范工程，工程计划于2018年前后建成投运。张北柔直电网工程将重点示范的安全稳定控制关键技术主要有：纯风电和光伏发电系统并且无常规同步电源电网运行控制技术，直流电网与落点交流电网有功功率和频率类、无功功率和电压类的协调控制技术，以及直流电网与风电、光伏、抽水蓄能等多能源发电协调控制技术等。LCC常规直流采用晶闸管只能控制导通而不能控制关断，通过控制触发角实现直流电压一个维度调整控制；VSC直流采用基于IGBT和与之反并联二极管组成基本模块的核心部分，可控制导通和关断，进行2个有功类和无功类维度调整控制[9]。因此VSC柔直的动态响应比常规直流响应更快，柔直电网可控制的目标也随着节点规模的增加而增加。为充分利用柔直电网“电力电子化”特征明显的快速响应性能，需要依靠控制信号传输时滞小、容量大、覆盖范围广的信息通信处理技术，利用风电和光伏发电短期功率预测、D-5000调度自动化、交直流电网实时运行状态数据等多源信息，满足柔直电网与交流系统间多元化控制的需求和多目标控制可能需要协调的需求，也可以适应未来电网高比例间歇式清洁能源发电大范围消纳的需求[10]。

2与安全稳定分析控制业务相关的信息通信技术发展现状

从大电网安全稳定计算分析和控制的角度来看，信息通信技术涉及安全稳定控制专用通道、调度自动化D-5000平台SCADA/EMS系统和WAMS系统，以及智能变电站网络系统。

2.1电网安全稳定控制信息通信专用通道

采用专用信息传输时滞小，数据传输可靠性较高。即使在信息通信通道检修情况下通道也能够实现“一主一备”模式运行，能够在300ms内实现从信号触发、处理到安全稳定控制装置动作完毕全过程[11]。安控系统对于电网的安全稳定运行发挥了重要作用，目前已经投运的安控系统相互间并没有信息交互，处于信息孤岛状态，适应未来电网多目标、多约束条件下安全稳定控制的压力较大。

2.2调度自动化网

SCADA系统承担EMS调度自动化系统重要数据采集等任务，基本理念是假设系统运行状态在分钟级范围内变化不大。调度自动化系统的安全稳定计算分析功能是EMS高级应用系统中近几年逐步接近于成熟的业务，是调度运行人员了解和掌握电网安全稳定特性的重要手段之一。面向安全稳定分析业务的优点及不足分别表现在以下几方面。优点：计算分析所需数据量丰富，潮流计算所需的电源开机、电网一次设备投运状态及变电站负荷等电网结构和电网运行状态等主网信息均能够提供，基本可以满足计算分析业务需要。不足：难以实现安控装置动作逻辑模拟功能，原因是厂家多、装置量大而广，接口很难接入在线安全分析系统，较难实现实时校核安控策略对当前状态适应性的功能。WAMS系统包括PMU装置已经广泛应用于电力系统，应用最多的是系统运行状态监测和记录、故障录波；其次是用于基于实时量测数据的电网运行轨迹分析，如小干扰稳定分析和扰动源定位等功能。基于WAMS系统的稳定控制理论上研究的较多，用于安全稳定实际控制的成功案例几乎没有，究其原因首先是用于控制的信息传输机制欠缺，在建设设计阶段没有提出应用于控制的需求以及欠缺大量控制信息传输时如何处理的方法，WAMS系统只是定位于录波和数据存储，其正常运行时时滞可能很小，但通信链路检修状态下时滞可能长达数秒级，难以满足安全稳定控制信息对时滞、通道可靠性等方面的要求；其次是采用IP寻址技术，大量信息时存在网络阻塞问题。

2.3智能变电站

智能变电站发展的驱动力之一来自设备层面，节约人力和物力资源以及环境资源，提升变电站运行效率。与以模拟量量测信号为特征的常规变电站相比较，智能变电站信息化、网络化程度较高，变电器、开关等一次设备和电力系统自动控制装置二次设备状态参数和运行数据可采集、汇总的信息倍增，变电站包括自动控制、运维效率等业务在内的运行水平显著提升。从大电网安全稳定控制的角度来看，虽然智能变电站可以利用的信息容易获得、控制输出也更易实现，智能变电站的控制对象为变压器抽头调整等站内慢速过程的调整、低频/低压减载等电网安全稳定第三道防线设备的控制对信息通信时间响应性能要求不高。但电网安全稳定第一和第二道防线，对信息通信时间响应性能要求较高。智能变电站如果紧急控制期间出现网络阻塞或丢包等问题，将增加信息通信时延，对稳定控制效果不利[12]。

2.4控制保护专网原型系统建设经验教训和分析

国家863计划“提升电网安全稳定和运行效率的柔性控制技术”课题研究了大电网智能柔性控制系统，在华中电网成功进行了示范应用以及长期运行，华中跨区交直流协调控制系统工程具备9回直流和交流系统共70个信号的协调处理能力，除具备直流紧急功率控制功能外，还具备直流功率调制和直流阻尼调制等功能，验证了基于多源信息中转调度模式的跨区协调控制工程实施可行性，提升了电网运行效率和安全稳定水平[11]。图1为示范工程控制保护专网原型系统，站间流向为信息通道。在示范工程实施过程中的经验教训为：WAMS系统信息传输时滞长，难以满足广域控制对信息高速、可靠传输的要求；控制用信息通信系统多采用点对点形式，未实现信息联网，信息难以实现共享、利用率低；控制信息与调度数据网彼此孤立，难以实现联动。信息化是智能电网发展的重要特征之一，在配用电侧尤为重要，主网具备多源数据融合、满足多业务实时数据传输需求的信息通信系统是实现大电网智能分析与广域协调控制的基础。随着国家能源战略对特高压交直流发展计划中“四交、四直”的落实，大规模新能源基地及其送出工程的投入建成，以“三华”电网为中心的特高压交直流混联电网的“强直弱交”特征更为突出，大电网的安全、高效运行需要以更为灵活、可靠、高速的信息通信体系为基础的安全稳定分析及控制系统作为必要的保障。必须研究基于广域多源数据实时中转处理的稳定控制信息通信体系架构及具有可操作性的构建方案和运行控制措施，满足安全稳定控制实时性和可靠性的要求，解决不同安控系统信息的“孤岛”问题、原有WAMS系统时延至少数秒和难以承载海量实时信息传输问题以及连锁故障防御仍处于被动防御状态等难题。安控、WAMS、智能变电站及控制保护专网稳定控制性能和功能拓展性能比较如表1所示。

2.5控制保护专网实现思路及核心功能要点

从以上分析可以看出，与安全稳定分析控制相关的信息通信业务虽然能够满足当前电网的需要，但难以满足未来电网的需要，有必要建成面向电网安全稳定业务需要的控制保护专网。控制保护专网的建设要点是：实现信息通信流可管、可控，并可以管理安全稳定控制类设备的自动接入身份识别。从带宽及利用率、业务承载能力等方面来看，SDH/MSTP业务小范围用于安全稳定分析控制已是成熟技术，但用于应对大范围、大容量安全稳定控制信息交换其承载能力压力较大。需要考虑采用PTN技术，设备带宽达到1000M和10G，业务承载性能更好，实际成熟时应考虑优先采用[12]。此外，对于输电距离达到数千km或者对于通信时滞敏感场景，可以考虑载波通信技术，类似于股票信息交换技术也可利用，大量信息同时触发，可靠性也较高。

3控制保护专网关键支撑技术及应用前景

3.1关键技术

从未来适应高比例清洁能源消纳的电网发展形态以及电网安全稳定协调控制的需求分析，未来电网需要发展满足安全控制大范围信息交换、捆状多换流站间协调控制等方面的技术，发展基于控制保护专网的跨区大容量输电交直流电网协调控制技术，核心是实现原有安全稳定控制专网、调度自动化网、站域网等信通网的安全稳定控制保护业务数据融合，特征是具备信息传输通道和信息流的“调度”管控能力、管控多厂家信通和安控以及监测设备的标准化接入，适应我国电力市场化复杂运行条件、大范围和高比例间歇式清洁能源消纳等背景下的安全稳定分析与控制业务发展需要。主要关键支撑技术体现在以下几方面。

1）控制保护专网信息通信通道架构和信息管控及设备研制。主要研究建设控制保护专网组网技术路线及技术经济比较，制定控制保护专网安全防护、信息交换标准，研发信息通信硬件管控平台（核心芯片）、软件管控平台，研制适应控制保护业务数据转发模式的信通设备。

2）基于控制保护专网的交直流协调控制技术研究。研发适应更多直流信息交互、具备连续换相失败防御的交直流协调控制方法；借鉴运行方式计算数据安排的思路，研究结合实时信息等多源信息的跨区输电稳定特性、安控策略校核方法；研究基于多源信息的连锁故障主动防御技术，包括联络线振荡中心广域快解和振荡轨迹预测解列技术。

3）基于控制保护专网的安全稳定控制关键设备研制。研制监测与控制一体化设备，监测设备支持控制信号、支持物联设备信息处理、支持电磁暂态记录、支持控制设备自适应模块化接入，解决在役PMU录波性能不一致、对控制支撑薄弱问题；研制能够远程维护、支持多源信息接入的安控装置；研究与直流、安控设备信息交互的接入技术标准。

4）研发支撑全球能源互联网格局的信息通信架构及设备研制。研发支撑多业务并且信息安全符合防护要求的大容量、高性能信息通信技术，研制自适应安全身份识别和辨识等关键设备，突破PTN技术瓶颈。

3.2应用前景

控制保护专网建成后，能够实现控制与保护系统之间的信息交换，有利于相互之间协调；安控系统将具有感知电网运行趋势的能力，有助于安全与效率之间的平衡；调度自动化业务迁移至控制保护专网后，在线安全分析等高级应用数据质量等性能指标将得到提升；安控装置动作逻辑实现联网后将能够实现安控策略实时分析校核；交直流协调控制系统将具备更广域的控制能力，能够实现直流送端与受端联合多回直流相继长时间换相失败的交直流系统主动防御，控制保护专网应用前景广阔。

4结语

基于国家863计划项目配套跨区交直流协调控制示范工程成功经验，为适应我国未来电网发展形态以及全球能源互联网建设发展需求，提出了发展广域交直流协调控制技术的思路，重点建设控制保护专网，重点研发接入控制保护专网的新型安控装备和信通管控平台和设备，同时也需要实现针对跨区输电结合多源信息分析和控制技术上的突破。实现故障跨区影响传导的预防性协调控制，是一种适应于大电网发展趋势的跨换代技术，对于安全稳定控制保护技术的发展具有重大影响和示范作用。

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直流稳定电源设计篇5

关键词：稳流控制；通讯方式；PID参数设定；装置模块化；反馈信号

中图分类号：TM712文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）09-0045-03

1概述

目前国内电解铝行业直流大电流自动稳流控制系统仍采用早起北京整流变压器厂研制的模拟电子电路控制原理，后经包头铝业集团动力公司科技人员在此基础上将多年实践运行经验结合PLC可编程序控制器技术开发出了数字式稳流控制系统得到广泛应用。该系统工作原理是通过改变主回路饱和电抗器偏移绕组或控制绕组的电流来改变电抗器中的磁势（电抗值），即自饱和电抗器作为直流电流恒流控制的主要执行器件，是将整流机组输出的直流电流通过直流互感器变换，由稳流系统将变换后的电流转换成4-20mv电压信号反馈给PLC，与给定信号比较，PLC进行PID计算，控制输出脉冲的占空比，改变IGBT的输出电流，从而使整流元件自然换向角延迟，达到调整系统直流电流在给定值的目的。其直流电流的调节方式根据主回路整流柜元件的不同有二种调节方式：即整流调压变压器有载调压+自饱和电抗器+硅整流柜的组合方式，变压器有载开关粗调，电抗器细调及整流调压变压器有载调压+可控硅整流柜的组合方式，变压器有载开关粗调，可控硅细调的调节方式。目前国内大型电解铝企业多采用第一种方式。它的调压范围设计一般在50～70V/DC之间。

2自动稳流控制系统在实际运行中存在的问题

随着整流设备制造技术的不断发展，单机组直流电流由20000A上升到100000A，电压由600V/DC也提升到了1500V/DC左右，电解铝向系列电流500KA、单系列年产能30～40万吨方向发展，而整流机组稳流控制系统在技术上基本没有研究和发展，致使系列直流电流在效应瞬间波动范围达到16000A左右，电压的波动幅度也在50V左右。产生如此较大幅度波动的因素主要表现在以下几点：

稳流装置在设计时未考虑整流系统谐波对稳流控制系统的影响以及通讯方式。

饱和电抗器的控制绕组和偏移绕组结构基本一样，特性一致，控制却不尽相同。目前稳流系统电源部分，对偏移绕组的控制电路采用单相调压器调压、经单相变压器降压、再经过单相桥式整流、后置电路直接控制电抗器偏移绕组；而电抗器控制绕组电源部分采用三相整流变压器、再经过三相桥式整流、加上后置电路、由PID调节控制IGBT模块、调节电抗器控制绕组的电流大小。这两种电源电路电压波形存在差异，对饱和电抗器铁芯助磁和消磁的电流不对称。

饱和电抗器控制和偏移绕组在没加直流控制电流的情况下可感生出300Hz的非正弦交流电压、幅值大小不一，约在800～2600V之间，易造成反馈板、触发板和IGBT模块损坏。

稳流控制PID用总调方式下、在“目标值”临界点时，各机组之间有“翘翘板”式的波动现象，即在总调模式下各机组电流分配是在小闭环（单机组闭环系统）与大闭环（系列电流闭环系统）系统双重作用下进行调节，在小闭环调节过程中同时接受大闭环的调节指令，造成机组输出电流的不断变化。

调变有载开关一般只压1～2档（1档居多）。有载开关每升降1档，系列直流电压升降在8～14V/DC之间（与变压器容量及有载开关级数有关），在电解系列产生一个效应（约30V左右）时，系列电压释放8～14V/DC，覆盖不了30V的效应电压。压至2～3档时往往导致饱和电抗器工作于非线性区，稳流不起作用。

压档太多（3～4档）系统功率因数降低较多，电压质量下降，不能满足电网基本要求。

压档太多（3～4档）时，电解效应瞬间熄灭后，PID响应速度慢，系统波动较大，容易引起直流过电流，导致机组跳闸。

3整流机组稳流控制系统的改进理念

稳流控制系统信号的上传以及各机组稳控柜之间的通讯连接，均应采用光缆通讯，通讯速度快，不受强电、磁场及谐波干扰。

稳流控制单元结构模块化，接线简单，便于安装、检修、更换。如配置4台逆变直流控制电源，2台分别用于2组控制绕组，2台分别用于2组偏移绕组。配置1台2路直流电流测量显示及PID控制箱，即组成一套单机组测量显示及稳流控制系统。使原稳流控制系统采用单相、三相电源变压器、平波电抗器及DCS-800等元器件得到彻底改进。

采用PID控制箱后，在没有后台计算机情况下，可现场通过面板设置各种参数；有直流电流测量显示功能（0.2级）；有直流过载参数设定功能；PID控制参数设定功能；实际测量值和设定目标值有直观的光标及数字2种显示功能。通过网络通讯功能，可实现由主控室后台计算机对稳流运行参数的读取和修改；稳流PID控制电源部分设有恒压功能的小型电源滤波器，可有效改善电解企业电网中谐波影响，并保证交流电源电压在120～250V波动时对测量和控制无影响。

逆变直流控制电源，最高电压15V，最大电流30A、偏移和控制电源结构相同，可以内触发控制（本控）给电抗器偏移绕组用，也可外触发控制（由PID控制）给电抗器控制绕组用。在整流变电抗器端子箱处配置阻容吸收回路，能吸收饱和电抗器工作过程中控制和偏移绕组感生的、频率300Hz的非正弦交流尖峰电压。

稳流控制只采用小闭环调节控制系统，可有效避免总调方式下机组间“翘翘板”式的波动，单柜一直在自动闭环方式下运行，取消手动稳流控制方式。PID控制计算只对给定的某一数值与反馈数值大小进行比较、跟踪与调节，只采集直流电流传感器信号作为反馈信号，取消传统的交流反馈作为后备反馈的做法。因为交流反馈只能反应电流变化的大小趋势，交流反馈折算值和直流测量的直流电流值之间不成线性比例，不能作为PID控制的反馈信号用。

为满足电解投产初期及后期、机组全投或检修等各种情况下稳流系统跟踪、调节响应速度的需要，计算机后台对PID控制参数设定除“比例，积分”外，还应该增加对PID积分隔离区、PID控制输出幅值比例、控制回差部分的参数设定。

4运行效果

经我们将改进后的稳流控制系统投入运行5个月的情况分析，改进后的稳流控制系统技术性能基本符合大电流系统：

单机组及系列电流精度：≤0.2%

系统响应速度≤3S

同机组A、B柜电流差值≤100A

机组之间电流差值≤100A

稳流深度：能最大发挥饱和电抗器的作用。

直流稳定电源设计篇6

关键词:二次电源;自激推挽;串联调整;抗干扰设计

中图分类号:TM91文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)13-0036-03

DesignforSecondaryElectricSource

WANGPeng-hui

(ChinaAirborneMissileAcademy,Luoyang471009,China)

Abstract:Thequalityofthesecondaryelectricsourceonmissiledetermineswhethertheintendedfunctionsofamissilecanbeimplementedornot.Thecircuitframeisanalyzedaccordingtothedesignrequirements.Thehybridelectricsourceofself-oscillatorypush-pullconverterandserialvoltageregulationcircuitwasadopted.Thestability,anti-interferenceandreliabilityweredesignedattentively.Thedesignedproductworkswell.Thedesignmethodologyinengineeringhasaveryhighpracticalvalue.

Keywords:secondaryelectricsource;self-oscillatorypush-pull;serialvoltageregulationcircuit;anti-jammingdesign

二次电源将弹上一次电源(热电池、涡轮电机等)所提供的+28V直流电源变换成弹上探测系统、信息处理、驱动控制等分系统所需要的各种电压。电压质量的好坏,对不同部件工作的稳定性和可靠性将产生重要影响[1]。同时,由于弹上电源工作环境较为恶劣,在达到设计要求的同时,必须考虑电源工作温度环境、电磁兼容环境,同时保证较高的可靠性[2]。本文通过分析某产品弹上二次电源的设计要求,成功设计了某型二次电源,在性能满足要求的同时,达到了较高的稳定性、可靠性和抗干扰性。

1设计分析

系统要求输出正电压有高压+150V,低压+6V,+12V等,负压-6V,-12V等,高压供给探测系统,±6V供给预处理电路,±12V供给信息处理电路。因此高压150V和±6V要求电压稳定度高、输出纹波(峰峰值)低,同时要求较低的硬件成本。为了达到规定的要求,对高压输出、负电压输出部分前级采用DC/DC,后级采用线性串联调整电路;对低压输出的正电压直接采用线性串联调整稳压电路。

1.1主电路分析

1.1.1DC/DC

它激式变换器由振荡级和输出级组成,效率高、适用于大功率电源,但电路复杂、硬件成本高;自激推挽式变换器[3-4]结构简单、输出电压稳定、效率较高、硬件成本低、应用广泛。本设计中DC/DC部分采用自激推挽式变换器。

1.1.2直流稳压电路

由于要求电压的稳定度高、输出纹波非常低,因此直流变换器后端必须采用稳压系数大、纹波抑制比高的滤波电路。但是,当对纹波要求较严时,采用多极滤波器不能达到很好的效果;通常情况下,需要采用直流稳压器[5]。本设计中采用串联调整晶体管稳压电路。

1.2电磁兼容设计分析

电源的电磁兼容性设计主要指+28V直流系统正常电压瞬变特性和正常工作稳态电压特性[6],通过合理设计宽范围电压输入和抗宽脉冲低压和高压性能设计可以满足要求,这里主要指抗干扰性能分析。

二次电源在DC/DC变换过程中容易形成各种干扰噪声,产生严重的传导干扰和辐射干扰,直接影响了不同电源输出的供电质量。需要采取几方面的措施:首先,在电源结构设计时,考虑整体屏蔽设计和各功能模块的功能分割;其次,为减小输入噪声和阻止二次电源向输入电源反馈的噪声,设计输人和输出滤波电路;最后,考虑接地设计,减小接地电阻和接合面的接触电阻[7],形成低阻抗电流通路。

1.3可靠性设计分析

1.3.1元器件选用

选用可靠性高的元器件,进行二次筛选试验,并进行降额设计[8]。

1.3.2三防设计

三防设计指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计,通过对印制板及组件表面涂覆专用三防清漆可以有效避免导线之间的电晕、击穿,提高电源的可靠性;变压器、电感应进行浸漆,以防潮气进入。

1.3.3热设计分析

热设计是利用热传递特性,通过附加的冷却措施,控制电子设备内部所有元器件的温度,使其在设备所处的工作环境条件下不超过降额后规定的最高允许工作温度[9]。在弹上电源中,首先选用低功耗的器件,减少发热器件的数目;其次,确定主要发热单元,确定传热途径,采用电源内部的热交换机制,采用传导、对流和辐射三种方式,将电源内部多余的热量转移;最后,加大加粗印制线的宽度,提高电源效率。

2电源组成及工作中需要解决的问题

2.1电源组成

二次电源组成框图见图1。+28V输入首先经过独立的滤波电路,一路直接进行串联调整稳压,经过滤波电路输出+12V,+6V以稳压后滤波前的+12V为源,经过二级串联调整稳压、滤波输出;另外一路经过自激推挽振荡电路进行DC/AC变换,产生一路高压和一路负电压,高压由整流滤波电路进行AC/DC变换输出+170V左右的高压,经高压串联调整电路和高压滤波电路输出+150V,负电压由整流滤波电路进行AC/DC变换、串联调整电路、滤波电路输出-12V,同样-6V由-12V调整稳压后得到。

图1二次电源组成

2.2自激推挽变换器存在的问题

图2所示为自激推挽式变换器电路图。

图2自激推挽式变换器电路图

2.2.1晶体管同时导通

自激推挽式变换器是由自激的方式产生方波,V3,V4交替饱和导通,理论上其高低电平之间的转换在时间上是完全一致的;实际上由于晶体管存贮时间的作用,会产生两个晶体管同时导通的情况,导通时间(1～2μs)虽然很短,但由于变压器的作用,造成本应截止的晶体管产生高频尖峰损耗。尖峰损耗造成的平均功率可使管子结温升高到损坏点,产生二次击穿而损坏管子。因此,要保证自激推挽变换器稳定工作,必须避免两个晶体管同时导通。

(1)缩短晶体管的存贮时间。

应避免管子进入深度饱和,可以缩短存贮时间,V1,V2使晶体管避免进入深度饱和。当晶体管一旦进入饱和区后,V1,V2就把基极的激励电流向集电极分流而使基极电流不再增加,这样就防止了晶体管进入深饱和,从而减小了存贮时间。

(2)用RC电路延迟导通。

图2中,C3和R4(C5和R5)接于晶体的基极与地之间,当一个管子的基极处于脉冲的上升沿时,由于电容的充电过程而使基极达到导通的时间被延迟,从而避开了另一个管子截止时的存贮时间。

2.2.2吸收尖峰

由于变压器的两个初级线圈之间存在漏感[10],当一个初级线圈中的电流突然降到零时,存储在这部分漏感中的磁能只能向分布电容充电,因而晶体管从饱和转为截至时,会在截止晶体管的集电集和发射集之间造成瞬间过压,所以推挽式变换器的输出波形上一般都带有尖峰,尖峰宽度与漏感、集电集电流、集电集电压上升时间、电流下降时间有关。减小这个尖峰,不但可以保护晶体管,还可以使输出电压纹波峰值减小。

(1)采用RC缓冲电路。

RC电路在信号去耦电路、小电流滤波电路应用较多,可以起到平滑尖峰的作用。R6,C4的时间常数略小于晶体管存储时间,远小于振荡脉冲宽度,可以使尖峰电压减小,从而保护晶体管。

(2)变压器绕线方式。

变压器线圈的分布电容和漏感对变换器的工作状态有很大影响。采用双线并绕的绕线方式,利于绕组间更好的耦合,降低漏感和分布电容的要求。

2.3串联调整稳压电路存在的问题

图3为串联调整稳压电路图。

图3串联调整稳压电路图

2.3.1基准电压

基准电压的稳定度实际上是电源稳定度的极限值,若要获得较高的稳压电源稳定度,必须使基准电压的稳定度比所要求的电源稳定度高一个数量级[11],因此选用稳定性高和温漂低的基准稳压器非常重要,可以选取温度系数及动态电阻都很小的双向硅稳压基准源。

2.3.2调整管热击穿问题

采用复合管(图3中V12,V13)作调整管时,为了防止由于三极管的Iceo过大引起的热击穿[12],必须在保证三极管最高结温时,Icbo能够泄放掉,图3中R15就是需要的泄放电阻。

2.4抗干扰及可靠性

在功能分割上,将串联调整电路和自激推挽电路及变压器物理隔离,同时输出级尽量远离推挽电路;保证印制板地和电源壳体尽量大面积接触,电源壳体和大地面接触。

在结构上,将易发热器件直接固定在电源外壳上;内部发热器件通过印制板上大面积覆铜进行散热,同时

印制板布线尽量宽。

3结语

弹上二次电源虽然较多采用了模块化的线性或开关电源,但设计原理是相同的。通过对二次电源的设计分析,可以掌握弹上电源设计方法、故障分析方法,以及可靠性设计、抗干扰设计等方法。本设计研制成功的弹上二次电源,通过了电磁兼容试验、各项环境试验,电压稳定度、输出纹波达到了非常高的要求,实用性强,在整机应用上取得了较好效果。

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