混合微網(wǎng)互聯(lián)變流器輔助電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃建明 薛慧杰 田啟川

關(guān)鍵詞： 交流微網(wǎng); 直流微網(wǎng); 混合微網(wǎng); 輔助電源; 互聯(lián)變流器; 無(wú)縫切換

中圖分類號(hào)： TN86?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 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(wǎng)運(yùn)行會(huì)影響傳統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。微網(wǎng)是解決可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的一種有效途徑[1]。交直流混合微網(wǎng)在微網(wǎng)中同時(shí)存在交流和直流兩個(gè)子網(wǎng)，它可以提高直流微網(wǎng)的用電效率，同時(shí)兼容交流負(fù)荷和交流大電網(wǎng)，因而具有廣闊的應(yīng)用前景?；旌衔⒕W(wǎng)的兩個(gè)子網(wǎng)可以通過(guò)具有雙向能量傳輸能力的電力電子變流器互聯(lián)，從而提高整個(gè)微網(wǎng)的可靠性[2?3]?；ヂ?lián)變流器需要在只有單個(gè)子網(wǎng)供電的情況下啟動(dòng)，所以其輔助電源應(yīng)具有雙子網(wǎng)供電啟動(dòng)能力。變流器工作時(shí)，如果正在供電的子網(wǎng)發(fā)生故障，輔助電源應(yīng)無(wú)縫切換到另一個(gè)子網(wǎng)，切換過(guò)程中輸出電壓應(yīng)維持在正常范圍，從而使得控制電路可以控制互聯(lián)變流器對(duì)所發(fā)生的故障做出快速響應(yīng)。

常規(guī)的輔助電源是單一電源供電方式，無(wú)法滿足混合微網(wǎng)互聯(lián)變流器的需要。文獻(xiàn)[4]提出一種雙源供電的方式，但其切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能滿足交直流混合微網(wǎng)互聯(lián)變流器輔助電源的要求。為了解決這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種適用于交直流混合微網(wǎng)互聯(lián)變流器的輔助電源系統(tǒng)。

1 ?互聯(lián)變流器輔助電源系統(tǒng)架構(gòu)

輔助電源系統(tǒng)需要為互聯(lián)變流器提供模擬電源、數(shù)字電源和驅(qū)動(dòng)電源。這些電源可以分別直接從微網(wǎng)電壓獲得，也可先將微網(wǎng)電壓通過(guò)一個(gè)前級(jí)變換器變?yōu)檩^低的隔離電壓，然后再?gòu)脑撾妷鹤儞Q到所需的各路電源。與前者相比，后一個(gè)方案具有成本低、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，因此，本文采用第二個(gè)方案，其具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1中，交流微網(wǎng)電壓和直流微網(wǎng)電壓經(jīng)前級(jí)隔離變換器后，產(chǎn)生24 V，10 V電壓。其中24 V電壓經(jīng)過(guò)模擬電源隔離DC/DC、線性電源給信號(hào)檢測(cè)與硬件保護(hù)等模擬電路提供多路Vcc。還經(jīng)6個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源隔離DC/DC為驅(qū)動(dòng)芯片提供Vcc?；ヂ?lián)變流器的IGBT數(shù)目多，且需提供隔離驅(qū)動(dòng)，因此需要多路驅(qū)動(dòng)電源。通過(guò)相應(yīng)的PWM策略使IGBT得到所需電壓[5]。10 V電壓經(jīng)線性電源變換輸出DSP，CPLD等數(shù)字電路所需的多路Vdd。

2 ?前級(jí)變換器設(shè)計(jì)

2.1 ?雙網(wǎng)供電無(wú)縫切換原理

整個(gè)電源系統(tǒng)的雙微網(wǎng)供電級(jí)和無(wú)縫切換由前級(jí)隔離變換器實(shí)現(xiàn)，本文提出的前級(jí)變換器的電路框圖如圖2所示。

圖中交流微網(wǎng)電壓整流后輸入1#隔離DC/DC變換器，直流微網(wǎng)電壓輸入2#隔離DC/DC變換器，每個(gè)隔離DC/DC的變壓器附加一個(gè)輔助繞組為另一個(gè)隔離DC/DC的控制電路提供Vcc。兩個(gè)變流器的輸出直接并聯(lián)作為前級(jí)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(zhǔn)電壓，通過(guò)R1和R2可將變流器輸出電壓Uo設(shè)為：

[Uo=2.5×R1+R2R2] ? ? ? ? ? ? （1）

1# DC/DC的輸出電壓設(shè)為24.1 V，2# DC/DC的輸出電壓設(shè)為23.9 V。如果交直流子網(wǎng)電壓都正常，輸出電壓達(dá)到23.9 V之后，2#變換器將自動(dòng)停止工作，1#變換器將持續(xù)工作使得輸出電壓達(dá)到24.1 V。而如果交流子網(wǎng)發(fā)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(dòng)，所以可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換。

2.2 ?前級(jí)DC/DC電路

前級(jí)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(dǎo)通時(shí)，繞組N1充電，能量?jī)?chǔ)存于變壓器磁芯中;Q1關(guān)斷后，磁芯中儲(chǔ)存的能量通過(guò)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(shù)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(jù)鐵氧體的飽和磁密和溫度、電流瞬態(tài)、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(guān)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(wú)窮多解。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)迭代求解得到合理的設(shè)計(jì)結(jié)果。本文設(shè)計(jì)結(jié)果為L(zhǎng)=500 μH，N1=60，fs=75 kHz。變壓器工作時(shí)磁芯的最大磁密是205 mT，滿足飽和磁密的限制。

前級(jí)DC/DC變換器由TL431和UCC28C45實(shí)現(xiàn)原邊峰值電流模式控制[9?10]。TL431位于副邊，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的檢測(cè)、誤差比較和補(bǔ)償調(diào)節(jié);UCC28C45位于原邊，實(shí)現(xiàn)TL431輸出的誤差補(bǔ)償調(diào)節(jié)電壓到PWM信號(hào)的轉(zhuǎn)換;二者通過(guò)光耦PC817實(shí)現(xiàn)原副邊電氣隔離信號(hào)連接。

3 ?后級(jí)變換器設(shè)計(jì)

后級(jí)變換器以前級(jí)變換器輸出的24 V和10 V作為輸入電壓。其中24 V是驅(qū)動(dòng)電源和模擬電路Vcc的輸入，10 V是數(shù)字電路Vdd的輸入。

3.1 24 V后級(jí)變換器

24 V后級(jí)變換器需要為電壓檢測(cè)傳感器和信號(hào)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(shí)現(xiàn)±15 V輸出，然后經(jīng)過(guò)LM7805產(chǎn)生5 V。雙輸出反激變換器的設(shè)計(jì)與第2.2節(jié)前級(jí)DC/DC變換器設(shè)計(jì)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(jí)變換器還要為交直流側(cè)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路提供15.8 V和-8.2 V電壓。其中負(fù)電壓用于提供IGBT關(guān)斷時(shí)的門級(jí)反壓，以提高IGBT的干擾抑制能力，避免誤導(dǎo)通[11?12]。如圖5所示，首先通過(guò)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(wěn)壓管ZD1生成15.8 V和-8.2 V。這樣只用一個(gè)繞組就生成了兩路電源，從而減少了繞組數(shù)，簡(jiǎn)化了變壓器結(jié)構(gòu)。

3.2 ?10 V后級(jí)變換器

10 V后級(jí)變換器把前級(jí)變換器輸出的10 V變換成數(shù)字電路的Vdd。系統(tǒng)中的數(shù)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(jīng)LM7805產(chǎn)生5 V電壓，再經(jīng)過(guò)線性電壓調(diào)節(jié)芯片TPS767D301生成其他兩路電壓。如圖6所示TPS767D301可同時(shí)輸出3.3 V固定電壓和一路可調(diào)電壓。可調(diào)電壓值由電阻R1和R2通過(guò)式（5）設(shè)定。

[Uo=1.183 41+R1R2] ? ? ? ? ? ? ?（5）

4 ?原理樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述方案，實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的交直流混合微網(wǎng)互聯(lián)變流器輔助電源系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖7a）、圖7b）分別為前級(jí)24 V變換器和后級(jí)驅(qū)動(dòng)電源實(shí)物照片。

圖8為雙微網(wǎng)供電情況下，交流微網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)前級(jí)24 V的輸出波形。由圖可見(jiàn)，在交流微網(wǎng)故障時(shí)，由于輔助電源自動(dòng)切換到直流微網(wǎng)供電，輸出電壓保持在正常范圍，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫切換。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文根據(jù)交直流混合微網(wǎng)互聯(lián)變流器的供電特點(diǎn)和運(yùn)行要求，提出雙子網(wǎng)供電無(wú)縫切換策略，采用兩級(jí)架構(gòu)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了其電源管理系統(tǒng)。最后組裝了樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)輔助電源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)供電和無(wú)縫切換，滿足交直流混合微網(wǎng)互聯(lián)變流器對(duì)輔助電源的要求。

注：本文通訊作者為薛慧杰。

參考文獻(xiàn)

[1] 李德泉，徐建政，楊碩.分布式發(fā)電效益分析及其量化模型[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（14）：147?151.

LI Dequan， XU Jianzheng， YANG Shuo. Benefits analysis of distributed generation and its quantitative models [J]. Power system protection and control， 2012， 40（14）： 147?151.

[2] 胡惠雄，陳昊，吳鵬.三相AC/DC雙向變流器的控制研究[J].通信電源技術(shù)，2015，32（5）：5?8.

HU Huixiong， CHEN Hao， WU Peng. Research on the control of three phase AC/DC bidirectional converter [J]. Telecom power technologies， 2015， 32（5）： 5?8.

[3] 袁泉，金新民，曾國(guó)宏.具備多組電池接入功能的儲(chǔ)能雙向變流器系統(tǒng)[J].電源技術(shù)，2013，37（8）：1439?1441.

YUAN Quan， JIN Xinmin， ZENG Guohong. Development of multi?channel bi?directional power conversion system for battery energy storage [J]. Chinese journal of power sources， 2013， 37（8）： 1439?1441.

[4] 周廣玉，高騰.直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)控制技術(shù)研究[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（4）：394?402.

ZHOU Guangyu， GAO Teng. Control technology of direct?current micro?grid power supply system [J]. Journal of Wuhan Institute of Technology， 2017， 39（4）： 394?402.

[5] 張宇翔，張曉榮，張海超，等.一種非對(duì)稱三電平逆變器SVPWM調(diào)制方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（6）：159?163.

ZHANG Yuxiang， ZHANG Xiaorong， ZHANG Haichao， et al. A SVPWM method of asymmetric three?level inverter [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（6）： 159?163.

[6] 孫玉巍，石新春，黃天富，等.基于雙頻率DCM控制的交錯(cuò)反激光伏并網(wǎng)微逆變器[J].現(xiàn)代電力，2013，30（4）：44?49.

SUN Yuwei， SHI Xinchun， HUANG Tianfu， et al. Interleaved flyback micro?inverter based on dual?frequency DCM control scheme [J]. Modern electric power， 2013， 30（4）： 44?49.

[7] 王鮮，李俊楠，羅輝，等.Mg1?xCuxFe2O4鐵氧體的結(jié)構(gòu)、磁性能及損耗特性[J].磁性材料及器件，2015，46（6）：12?15.

WANG Xian， LI Junnan， LUO Hui， et al. Microstructure， magnetic properties and power loss characteristics of Mg1?xCuxFe2O4 ferrites [J]. Journal of magnetic materials and devices， 2015， 46（6）： 12?15.

[8] 陳誠(chéng)海，徐鑫，馬占華，等.高飽和磁通密度NiZn鐵氧體材料TN35B[J].磁性元件與電源，2017（1）：119?121.

CHEN Chenghai， XU Xin， MA Zhanhua， et al. High Bs NiZn ferrite material TN35B [J]. Magnetic element and power supply， 2017（1）： 119?121.

[9] 王均，杜建華，紀(jì)婧，等.峰值電流模式控制數(shù)字移相全橋變換器的分析與設(shè)計(jì)[J].電源學(xué)報(bào)，2015，13（2）：71?76.

WANG Jun， DU Jianhua， JI Jing， et al. Analysis and design of digital peak?current?control scheme in phase?shift full?bridge converter [J]. Journal of power supply， 2015， 13（2）： 71?76.

[10] 劉松斌，高建海.基于峰值電流模式的同步Buck變換器的數(shù)字控制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（9）：121?124.

LIU Songbin， GAO Jianhai. Digital control of synchronous buck converter based on peak current?mode [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（9）： 121?124.

[11] 鐘再敏，徐旭.車用IGBT模塊及其驅(qū)動(dòng)電路雙脈沖實(shí)驗(yàn)[J].電力電子技術(shù)，2017，51（2）：103?106.

ZHONG Zaimin， XU Xu. Double?pulse experiment for automotive IGBT module and its driving circuit [J]. Power electronics， 2017， 51（2）： 103?106.

[12] 劉國(guó)友，高云斌，陳喜明，等.SiC IGBT正向?qū)ㄌ匦匝芯縖J].電力電子技術(shù)，2017，51（8）：42?43.

LIU Guoyou， GAO Yunbin， CHEN Ximing， et al. Research on SiC IGBT on?state characteristics simulation [J]. Power electronics， 2017， 51（8）： 42?43.