用于高壓靜止無功補償器的方波電流源研究

穆興華

(黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱150030)

近年來，隨著高壓靜止無功補償器在電力系統中的應用不斷增加，對其驅動電路的供能技術提出了更高的要求。然而，由于高壓大功率的特點，在裝置結構、電路參數與控制方式上出現了一些獨特的問題［1］。通常情況下，靜止無功補償器的工作電壓很高，導致高低壓間的隔離比較困難，這就需要對其驅動電路的輔助電源做特殊處理。目前采用的驅動電路供電取能技術主要有兩種:自供電取能技術和外供電取能技術。自供電取能技術操作起來靈活方便，適用于各種復雜的環境，但高壓母線電流的變化范圍較大，增加了整個系統的控制難度和復雜程度，而且會有暫時失控的危險。外供電取能技術從低壓側取電，對供電電源進行特殊處理，克服了自供電取能技術的不足，提高了系統的穩定性和安全性［2－4］。基于此，從外供電取能技術出發，針對一次側電路，提出了一種方波電流源的控制方案，分析了其工作原理，并給出了實驗結果。

1 基本原理

高壓隔離電源工作原理如圖1所示。

圖1 高壓隔離電源示意圖Fig．1 Schematic diagram of high voltage insulation power supply

在高壓系統中，采用高壓電纜穿過磁環變壓器，利用高頻電流互感器原理傳送能量，將電流經高頻逆變后送入變壓器一次側，相應的二次側就能感應出高頻交變電流，最后通過二次側的整流、濾波、穩壓后對高壓側電力電子裝置供電［5］。這種結構使得變壓器的隔離等級主要取決于高壓電纜的隔離等級，并且，通過輸出變壓器數量的增減，能夠很容易地實現隔離電源路數的增減，每個供能單元的位置，均可根據其所需要供能的靜止無功補償器的位置就近安排［6］。

低壓側方波電流源的整體框架如圖2所示。

采用低壓側外供電的取能方式，利用平均電流控制模式，通過電流閉環控制策略，輸出一個恒定的直流電流。將此恒定的直流電流送入全橋逆變電路中，采用開環控制，對控制時序做特殊處理，最后，在輸出端可以得到一個周期性變化的高頻方波電流。

2 恒流源拓撲分析與控制環路設計

恒流源控制環路原理如圖3所示。

圖3 恒流源控制環路原理圖Fig．3 Constant current source control circuit principle diagram

主電路由雙Buck電路構成，整個控制電路由控制器、PWM比較器、時鐘電路和觸發器組成，采用平均電流控制模式對整個環路進行閉環控制。其中，控制器是由電流采樣網絡和補償網路組成。在主電路中，輸出電流經采樣電阻形成的電壓信號放大后，與參考電壓進行比較，產生一個誤差信號并作為補償網絡的輸入。然后，將此補償后的控制信號提供給PWM比較器，由時鐘電路產生兩路輸出信號，一路為窄脈沖輸出信號，為觸發器提供一個置位信號，使觸發器輸出為高電平;另一路為三角波輸出信號，為PWM比較器提供一個比較信號。當時鐘電路的三角波輸出電壓大于控制信號的電壓時，PWM比較器就會輸出一個高電平，為觸發器提供一個置零信號，觸發器輸出低電平，主電路的功率開關管關斷。反之，當時鐘電路的三角波輸出電壓小于控制信號的電壓時，PWM比較器輸出一個低電平，主電路的功率開關管開通。在一個周期內，通過對輸出電流采樣信號與基準信號的對比，來調整雙Buck變換電路兩個開關管的驅動電壓，從而控制恒流源輸出電流的穩定性。

3 全橋逆變電路控制策略

由于全橋逆變電路的輸入電源為電流源，與輸入電源為電壓源時有所不同，要求全橋逆變電路同一橋臂的兩個開關管不能同時出現關斷的情況，也就是同一橋臂的兩個開關管可以出現直通，因此，需要對其控制方式進行特殊處理。

通常全橋控制芯片的內部都會留有一定的死區時間，用來防止同一橋臂的兩個開關管同時導通，如果利用現有的全橋控制芯片設計開關控制時序，就得需要對芯片的外圍電路進行特殊處理，這就增加了設計的復雜性，所以針對電流型全橋逆變電路的特殊性，提出了一種控制方案，其原理如圖4所示。

首先，由多諧振蕩器發出占空比為50%的矩形脈沖，然后，將此矩形脈沖分成相同的兩路，一路直接作為單穩態觸發器的觸發信號，通過調節單穩態觸發器的暫穩態時間，改變多諧振蕩器發出的矩形脈沖寬度;另一路矩形脈沖經過反相器反向后，再將此控制信號作為單穩態觸發器的輸入，并對觸發信號的寬度進行處理，使其與第一路單穩態觸發器的暫穩態時間相同。最后，將兩路矩形脈沖送入驅動芯片進行放大和信號隔離，驅動全橋逆變電路的四個開關管。

4 實驗

方波電流源的實驗條件:輸入直流電壓24 V，恒流源主電路的工作頻率為110 kHz，全橋逆變電路工作頻率為70 kHz，負載為3 Ω，輸出電流平均值為1 A，頻率為70 kHz的交變方波電流，輸出功率為10 W。

1)方波電流源實驗波形，如圖5所示。

圖5 實驗波形Fig．5 Experimental waveform

從圖5a中可以看到，雙Buck控制電路發出兩組占空比為25%的PWM驅動信號，分別控制兩個開關管的導通和關斷，其輸出的電流波形如圖5b所示，電流值為1 A。在圖5c中，可以看到全橋控制電路的PWM波形符合設計要求。通過改變單穩態觸發器的觸發時間，調整橋臂的直通時間，其輸出交變方波電流波形，如圖5d所示，驗證了整個設計的可行性。從圖5e中負載切換時電流恢復過程波形可以看到，輸出負載在36%負載和滿載之間，以1000.0 mA/μs的斜率、100 Hz的頻率進行切換，恢復時間約為300 μs，這表明電源的動態響應速度比較快。

2)恒流源效率測試，如圖6所示。

圖6 效率曲線Fig．6 Efficiency curve

從圖6中數據可以看到，隨著輸出功率的增大，恒流源的效率逐漸升高，當輸出負載為滿載時，恒流源的效率為95.82%。

6 結語

針對高壓側供能電路的特點，結合方波電流源在高壓隔離電源中的具體應用，提出了一種方波電流源的控制策略。經實驗驗證，該控制方法簡單可靠、合理、可行。

［1］李芙英，朱小梅，紀昆，等．一種應用于高電壓側測量系統中電源［J］．高電壓技術，2002，28(3):46-47．LI Fuying，ZHU Xiaomei，JI Kun，et al．A power source applied to measurement system for high voltage side［J］．High Voltage Engineering，2002，28(3):46-47．

［2］ Lothar Heinemann，Jochen Mast，Guntram Scheible，Thomas Heinzel，Thomas Zuellig．Power Supply for Very High Insulation Requirements in IGBT Gate－ Drives［A］．Thirty－ Third Industry Applications Conference［C］.1998，2:1562-1566．

［3］錢政．有源電子式電流互感器中高壓側電路的供能方法［J］．高壓電器，2004，40(2):135-138．QIAN Zheng．Power supply for circuit at high voltage side in the active electronic current transformer［J］．High Voltage Apparatus，2004，40(2):135-138．

［4］張英，姚振靜，劉子胥．高壓軟起動器觸發系統的隔離技術［J］．煤礦機電，2007(1):91-92．ZHANG Ying，YAO Zhenjing，LIU Zixu．Isolation technology for high voltage soft starter trigger system［J］．Coal Mine Electrical，2007(1):91-92．

［5］ FEI Wanmin，LU Zhengyu，XIA Linghui，et al．High insulation multiple output switch power supply used for driving of IGBTs in medium-high voltage inverter［A］．IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition［C］.2003，2:1066-1069．

［6］胡彬，周有慶，鐘選書，等．電子式電流互感器高壓側電源的研究與實現［J］．電氣應用.2006，25(5):99-102．HU Bin，ZHOU Youqing，ZHONG Xuanshu，et al．Research and Realization of high voltage power supply of electronic current transformer［J］．Electric Applications．2006，25(5):99-102．