混合微網互聯變流器輔助電源設計與實現

黃建明 薛慧杰 田啟川

關鍵詞： 交流微網; 直流微網; 混合微網; 輔助電源; 互聯變流器; 無縫切換

中圖分類號： TN86?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）04?0057?04

Design and implementation of auxiliary power supply for interconnection

converters in hybrid microgrid

HUANG Jianming， XUE Huijie， TIAN Qichuan

（School of Electrical and Information Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China）

Abstract： The interconnection converter in the microgrid is the interface of the AC/DC hybrid microgrid， and its operation mode requires that the auxiliary power supply can realize dual sub?network power supply and seamless switching. The conventional auxiliary power supply cannot meet this requirement. Therefore， a topology and seamless handoff strategy for auxiliary power supply of the interconnection converter is proposed for the hybrid microgrid with dual sub?network power supply. The front and back stage transformation architecture is adopted for the auxiliary power supply. The seamless switching between the DC microgrid and AC microgrid is realized by means of mutual power supply of the front?stage dual power supplies and the automatic startup of the control loop. The design scheme was implemented， and the experimental verification was conducted. The experimental results show that the designed auxiliary power supply can meet the requirements of interconnection converters in the hybrid microgrid.

Keywords： AC microgrid; DC microgrid; hybrid microgrid; auxiliary power supply; interconnection converter; seamless switching

0 ?引 ?言

大量可再生能源的并網運行會影響傳統電網的穩定性。微網是解決可再生能源大規模接入電網的一種有效途徑[1]。交直流混合微網在微網中同時存在交流和直流兩個子網，它可以提高直流微網的用電效率，同時兼容交流負荷和交流大電網，因而具有廣闊的應用前景。混合微網的兩個子網可以通過具有雙向能量傳輸能力的電力電子變流器互聯，從而提高整個微網的可靠性[2?3]。互聯變流器需要在只有單個子網供電的情況下啟動，所以其輔助電源應具有雙子網供電啟動能力。變流器工作時，如果正在供電的子網發生故障，輔助電源應無縫切換到另一個子網，切換過程中輸出電壓應維持在正常范圍，從而使得控制電路可以控制互聯變流器對所發生的故障做出快速響應。

常規的輔助電源是單一電源供電方式，無法滿足混合微網互聯變流器的需要。文獻[4]提出一種雙源供電的方式，但其切換時間過長，不能滿足交直流混合微網互聯變流器輔助電源的要求。為了解決這些問題，本文設計一種適用于交直流混合微網互聯變流器的輔助電源系統。

1 ?互聯變流器輔助電源系統架構

輔助電源系統需要為互聯變流器提供模擬電源、數字電源和驅動電源。這些電源可以分別直接從微網電壓獲得，也可先將微網電壓通過一個前級變換器變為較低的隔離電壓，然后再從該電壓變換到所需的各路電源。與前者相比，后一個方案具有成本低、控制方便等優點，因此，本文采用第二個方案，其具體架構如圖1所示。

圖1中，交流微網電壓和直流微網電壓經前級隔離變換器后，產生24 V，10 V電壓。其中24 V電壓經過模擬電源隔離DC/DC、線性電源給信號檢測與硬件保護等模擬電路提供多路Vcc。還經6個獨立的驅動電源隔離DC/DC為驅動芯片提供Vcc。互聯變流器的IGBT數目多，且需提供隔離驅動，因此需要多路驅動電源。通過相應的PWM策略使IGBT得到所需電壓[5]。10 V電壓經線性電源變換輸出DSP，CPLD等數字電路所需的多路Vdd。

2 ?前級變換器設計

2.1 ?雙網供電無縫切換原理

整個電源系統的雙微網供電級和無縫切換由前級隔離變換器實現，本文提出的前級變換器的電路框圖如圖2所示。

圖中交流微網電壓整流后輸入1#隔離DC/DC變換器，直流微網電壓輸入2#隔離DC/DC變換器，每個隔離DC/DC的變壓器附加一個輔助繞組為另一個隔離DC/DC的控制電路提供Vcc。兩個變流器的輸出直接并聯作為前級變換器的總輸出。

DC/DC變換器的副邊控制電路如圖3所示。圖中TL431輸出2.5 V基準電壓，通過R1和R2可將變流器輸出電壓Uo設為：

[Uo=2.5×R1+R2R2] ? ? ? ? ? ? （1）

1# DC/DC的輸出電壓設為24.1 V，2# DC/DC的輸出電壓設為23.9 V。如果交直流子網電壓都正常，輸出電壓達到23.9 V之后，2#變換器將自動停止工作，1#變換器將持續工作使得輸出電壓達到24.1 V。而如果交流子網發生故障，輸出電壓下降并低于23.9 V之后，2# DC/DC變換器將開始工作，把電壓維持在23.9 V。由于其Vcc始終有效，不需要重新啟動，所以可以實現無縫切換。

2.2 ?前級DC/DC電路

前級DC/DC變換器的主電路采用反激電路，主電路和主要波形如圖4所示，變換器工作于DCM模式[6]。

圖4中：Q1導通時，繞組N1充電，能量儲存于變壓器磁芯中;Q1關斷后，磁芯中儲存的能量通過二極管D1，D2分別釋放到輸出電容C1，C2上。變壓器T1的磁芯為ER26鐵氧體，原邊線圈匝數N1和電感量L由式（2）～式（4）確定。

[N1AeBm≥Lim] （2）

[Li2mfsη≥2Po] （3）

[UdcminDmax>fsLim] （4）

式中：Ae= 81.4 mm2，是磁芯有效截面積;Bm是鐵氧體最大工作磁密，根據鐵氧體的飽和磁密和溫度、電流瞬態、剩磁等因素[7?8]，取Bm=300 mT;L是原邊電感量;im是原邊電流峰值;fs為開關頻率;輸出功率Po= 60 W;效率η取80%。滿足式（2）可保證磁芯不飽和，滿足式（3）～式（4）可保證在最低母線電壓下能滿功率輸出。顯然，式（2）～式（4）存在無窮多解。實際設計時可通過迭代求解得到合理的設計結果。本文設計結果為L=500 μH，N1=60，fs=75 kHz。變壓器工作時磁芯的最大磁密是205 mT，滿足飽和磁密的限制。

前級DC/DC變換器由TL431和UCC28C45實現原邊峰值電流模式控制[9?10]。TL431位于副邊，實現輸出電壓的檢測、誤差比較和補償調節;UCC28C45位于原邊，實現TL431輸出的誤差補償調節電壓到PWM信號的轉換;二者通過光耦PC817實現原副邊電氣隔離信號連接。

3 ?后級變換器設計

后級變換器以前級變換器輸出的24 V和10 V作為輸入電壓。其中24 V是驅動電源和模擬電路Vcc的輸入，10 V是數字電路Vdd的輸入。

3.1 24 V后級變換器

24 V后級變換器需要為電壓檢測傳感器和信號處理電路提供±15 V和5 V電壓。本文采用雙輸出反激變換器實現±15 V輸出，然后經過LM7805產生5 V。雙輸出反激變換器的設計與第2.2節前級DC/DC變換器設計類似。變壓器磁芯采用EFD15鐵氧體，原邊繞組為56匝，副邊繞組為雙線并繞24匝。24 V后級變換器還要為交直流側的IGBT驅動電路提供15.8 V和-8.2 V電壓。其中負電壓用于提供IGBT關斷時的門級反壓，以提高IGBT的干擾抑制能力，避免誤導通[11?12]。如圖5所示，首先通過反激變換器在C1兩端生成隔離24 V，再由電阻R1和8.2 V穩壓管ZD1生成15.8 V和-8.2 V。這樣只用一個繞組就生成了兩路電源，從而減少了繞組數，簡化了變壓器結構。

3.2 ?10 V后級變換器

10 V后級變換器把前級變換器輸出的10 V變換成數字電路的Vdd。系統中的數字電路包括DSP，CPLD和外圍邏輯電路。需要的Vdd有5 V，3.3 V和1.8 V。輸入電壓經LM7805產生5 V電壓，再經過線性電壓調節芯片TPS767D301生成其他兩路電壓。如圖6所示TPS767D301可同時輸出3.3 V固定電壓和一路可調電壓。可調電壓值由電阻R1和R2通過式（5）設定。

[Uo=1.183 41+R1R2] ? ? ? ? ? ? ?（5）

4 ?原理樣機和實驗結果

基于上述方案，實現了所設計的交直流混合微網互聯變流器輔助電源系統，并進行了實驗驗證。圖7a）、圖7b）分別為前級24 V變換器和后級驅動電源實物照片。

圖8為雙微網供電情況下，交流微網發生故障時前級24 V的輸出波形。由圖可見，在交流微網故障時，由于輔助電源自動切換到直流微網供電，輸出電壓保持在正常范圍，實現了無縫切換。

5 ?結 ?語

本文根據交直流混合微網互聯變流器的供電特點和運行要求，提出雙子網供電無縫切換策略，采用兩級架構設計并實現了其電源管理系統。最后組裝了樣機進行實驗驗證，實驗結果證明，所設計輔助電源系統可以實現雙網供電和無縫切換，滿足交直流混合微網互聯變流器對輔助電源的要求。

注：本文通訊作者為薛慧杰。

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