用于低壓配網(wǎng)故障指示器系統(tǒng)的寬增益DC-DC變換器

周宏瑞，吳金城

（中國(guó)南方電網(wǎng)廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司 北海供電局，北海536007）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)民生產(chǎn)對(duì)電力的需求越來(lái)越大，特別是對(duì)供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來(lái)越高。要提高供電質(zhì)量和供電可靠性，最直接的手段就是在故障發(fā)生后縮短停電時(shí)間和減小停電面積。因此，迅速定位并隔離故障就成為提高供電可靠性的核心內(nèi)容[1]。相比中高壓電網(wǎng)，配電網(wǎng)由于分布廣泛，受外界因素影響大，因而經(jīng)常出現(xiàn)故障。其中，低壓配網(wǎng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不易獲取，故障占比大且難以定位，長(zhǎng)期以來(lái)都是電網(wǎng)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題[2-3]。為解決低壓配網(wǎng)的故障定位問(wèn)題，配網(wǎng)線路故障指示器是最為常用的一種線路故障檢測(cè)裝置。

1 故障指示器的電源系統(tǒng)

采用低壓配網(wǎng)故障指示器，當(dāng)配網(wǎng)線路發(fā)生故障后，指示器就可以將采集到的故障信息發(fā)送至監(jiān)控中心，便于檢修人員快速地查找出線路故障點(diǎn)的位置[4]。為了簡(jiǎn)化電源，故障指示器系統(tǒng)一般使用取電線圈取電的方式進(jìn)行供電，但取電線圈只有在輸電線路中的電流高于一定的值時(shí)才可以正常工作。而配電線路中經(jīng)常出現(xiàn)用電低谷或停電的情況，因此單純使用取電線圈供電不足以保障故障指示器系統(tǒng)的全天候工作[5]。

傳統(tǒng)的Boost 直流變換器由于受到變換器各器件的寄生參數(shù)影響，很難實(shí)現(xiàn)寬范圍的電壓增益，而且功率器件容易工作在極端占空比狀態(tài)，降低了變換器的轉(zhuǎn)換效率[6]。因此具有寬增益特性的DC-DC變換器成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[7-9]。為了解決上述問(wèn)題，在此提出一種接口于取電線圈后級(jí)整流濾波器和故障指示器系統(tǒng)之間的寬電壓增益DC-DC 變換器，其電源系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 電源系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic of power system

取電線圈后級(jí)經(jīng)整流濾波器作用，得到電壓較低且不穩(wěn)定的直流電。所提寬增益DC-DC 變換器接口于整流濾波器和負(fù)載設(shè)備之間，將直流電壓穩(wěn)定在負(fù)載設(shè)備工作的額定值。此外，當(dāng)作為后備電源的備用電池需要充電時(shí)，所提變換器的輸出電壓能夠穩(wěn)定地向其充電，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在此通過(guò)仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提變換器的可行性。

2 變換器的原理分析

2.1 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

所提出的寬增益DC-DC 變換器結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，Q1為有源功率開(kāi)關(guān)，D2和D3為功率二極管，電容C1、C2和電感L 為實(shí)現(xiàn)寬增益升壓的主要儲(chǔ)能元件，Uin為輸入電壓，Uo為輸出電壓，R 為負(fù)載。

圖2 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Converter topology

2.2 變換器運(yùn)行原理

該變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，只有2 種工作狀態(tài)，如圖3 所示。

開(kāi)關(guān)狀態(tài)1如圖3a 所示。功率開(kāi)關(guān)Q1導(dǎo)通，輸入電源Uin給電感L 充電；同時(shí)Uin通過(guò)功率二極管D3和功率開(kāi)關(guān)Q1向電容C2充電。電容C1向負(fù)載放電

開(kāi)關(guān)狀態(tài)2如圖3b 所示。功率開(kāi)關(guān)Q1關(guān)斷，輸入電源Uin與電感L、電容C2串聯(lián)，經(jīng)功率二極管D2向負(fù)載供電，同時(shí)向電容C1充電。

圖3 變換器工作狀態(tài)Fig.3 Working state of converter

2.3 電壓增益分析

設(shè)功率開(kāi)關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí)間為dT，關(guān)斷時(shí)間為（1-d）T，d 為占空比，忽略所有二極管的導(dǎo)通壓降和功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻，對(duì)電感L 分別利用伏秒平衡法則，可得電壓關(guān)系為

變換器工作狀態(tài)下的電容電壓關(guān)系為

結(jié)合式（1）（2），可得輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系：

2.4 電壓應(yīng)力分析

根據(jù)圖3 所示變換器各工作狀態(tài)下的電壓關(guān)系，可以推出有源功率開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力為

功率二極管D2和D3的電壓應(yīng)力為

各電容的承受的電壓應(yīng)力為

2.5 與傳統(tǒng)Boost 變換器的比較

本文變換器與傳統(tǒng)Boost 變換器的比較見(jiàn)表1。

表1 本文變換器與傳統(tǒng)Boost 變換器的比較Tab.1 Comparison between the proposed converter and the traditional Boost converter

相比傳統(tǒng)的Boost 直流變換器，在此所提的變換器在保證各功率器件電壓應(yīng)力較低的情況下，提高了電壓增益的范圍[10-12]。在器件數(shù)量上，僅增加了1 個(gè)功率二極管和1 個(gè)電容，因此變換器成本沒(méi)有顯著增加。

3 變換器的設(shè)計(jì)方案

3.1 閉環(huán)控制策略

圖4 變換器閉環(huán)控制原理Fig.4 Schematic of converter closed-loop control

所提變換器閉環(huán)控制原理如圖4 所示。輸出電壓設(shè)定值首先與經(jīng)過(guò)采樣得到的輸出電壓測(cè)量值作差，得到的電壓誤差值經(jīng)PI 控制器作用后，得到對(duì)應(yīng)的調(diào)制度。進(jìn)而由PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，得到輸出電壓。最后，作為測(cè)量值的電壓反饋返回到流程開(kāi)始與輸出電壓設(shè)定值作差，進(jìn)行下一個(gè)流程。

3.2 器件選型設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證所提變換器的運(yùn)行原理可行性，設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定100 W 的原理樣機(jī)。采用0～30 V 可調(diào)直流電源作為變換器的輸入電壓，控制器選用的DSP型號(hào)為T(mén)MS320F28335，功率開(kāi)關(guān)Q1選用的MOSFET 型號(hào)為IRFZ44N，功率二極管D2和D3選用的型號(hào)為SB1050L。

試驗(yàn)參數(shù)如下：開(kāi)關(guān)頻率fs＝20 kHz，電感L＝100 μH，電容C1＝C2＝47 μF，變換器輸入電壓的變化范圍為Uin＝8～24 V，輸出電壓穩(wěn)定在Uo＝48 V，負(fù)載電阻R＝23 Ω，即額定功率為100 W。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

Uin＝14 V，Uo＝48 V 條件下電感電流iL和功率開(kāi)關(guān)Q1電壓應(yīng)力波形如圖5 所示。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)Q1電壓UQ1＝0 時(shí)，電感電流iL線性上升；UQ1≈37 V 時(shí)，電感電流iL線性下降。由此可見(jiàn)試驗(yàn)結(jié)果符合關(guān)于功率開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力的分析。

圖5 電感電流iL 和功率開(kāi)關(guān)Q1 電壓應(yīng)力的波形Fig.5 Waveform of inductor current iL and power switch Q1 voltage stress

電壓閉環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，輸入電壓從24 V 降至8 V 時(shí)變換器的動(dòng)態(tài)波形如圖6 所示。當(dāng)輸入電壓從24 V 降至8 V 時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在48 V，此時(shí)電壓增益從2 倍連續(xù)增至6 倍。這一過(guò)程證明，該變換器能夠適應(yīng)因負(fù)載電流被動(dòng)而產(chǎn)生變化的輸入電壓范圍，達(dá)到實(shí)現(xiàn)寬電壓增益和穩(wěn)定升壓的目的。

圖6 輸入電壓降低時(shí)變換器的動(dòng)態(tài)波形Fig.6 Dynamic waveform of the converter during the input voltage reduction

Uo＝48 V，Po＝50～200 W，不同電壓增益時(shí)變換器的效率如圖7 所示。圖中，η1，η2，η3分別為50，100，200 W 輸出功率下的試驗(yàn)效率，采用Yokogawa/WT3000 功率分析儀進(jìn)行測(cè)量。在Uin＝16 V，輸出功率100 W 時(shí)，電壓增益約為3 倍，變換器的試驗(yàn)效率最高，（η2） 為94.3%； 在Uin＝8 V，50 W 輸出功率時(shí)，電壓增益為6 倍，變換器的試驗(yàn)效率最低，（η1）為92.1%。電壓增益和輸出功率的增加，使輸入電流增大，這是導(dǎo)致變換器效率降低的主要原因。

圖7 不同輸入電壓下的變換器效率Fig.7 Converter efficiency in different input voltage

5 結(jié)語(yǔ)

在此設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于低壓配網(wǎng)故障指示器電源系統(tǒng)的非隔離型寬增益DC-DC 變換器。該變換器在理想的情況下可以實(shí)現(xiàn)2～6 倍的電壓增益，通過(guò)PI 控制器實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)控制，使得輸入電壓在不斷變化的情況下，輸出電壓依然穩(wěn)定在48 V，提高了輸出電壓的精確性和穩(wěn)定性。然而，此次設(shè)計(jì)工作中的一些問(wèn)題尚待進(jìn)一步研究，如變換器的小信號(hào)模型分析、變換器的損耗分析等[13-14]。為提高DCDC 變換器的工作性能，這些問(wèn)題將成為后續(xù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。