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

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

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，國民生產(chǎn)對電力的需求越來越大，特別是對供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高。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，拓撲結(jié)構(gòu)不易獲取，故障占比大且難以定位，長期以來都是電網(wǎng)關(guān)注的重點問題[2-3]。為解決低壓配網(wǎng)的故障定位問題，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的位置[4]。為了簡化電源，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變換器成為近年來的研究熱點[7-9]。為了解決上述問題，在此提出一種接口于取電線圈后級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載設(shè)備之間，將直流電壓穩(wěn)定在負載設(shè)備工作的額定值。此外，當作為后備電源的備用電池需要充電時，所提變換器的輸出電壓能夠穩(wěn)定地向其充電，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在此通過仿真和試驗，驗證了所提變換器的可行性。

2 變換器的原理分析

2.1 變換器拓撲結(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為有源功率開關(guān)，D2和D3為功率二極管，電容C1、C2和電感L 為實現(xiàn)寬增益升壓的主要儲能元件，Uin為輸入電壓，Uo為輸出電壓，R 為負載。

圖2 變換器拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Converter topology

2.2 變換器運行原理

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

開關(guān)狀態(tài)1如圖3a 所示。功率開關(guān)Q1導通，輸入電源Uin給電感L 充電；同時Uin通過功率二極管D3和功率開關(guān)Q1向電容C2充電。電容C1向負載放電

開關(guān)狀態(tài)2如圖3b 所示。功率開關(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向負載供電，同時向電容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)功率開關(guān)Q1導通時間為dT，關(guān)斷時間為（1-d）T，d 為占空比，忽略所有二極管的導通壓降和功率開關(guān)的導通內(nèi)阻，對電感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 個功率二極管和1 個電容，因此變換器成本沒有顯著增加。

3 變換器的設(shè)計方案

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)過采樣得到的輸出電壓測量值作差，得到的電壓誤差值經(jīng)PI 控制器作用后，得到對應(yīng)的調(diào)制度。進而由PWM 驅(qū)動信號發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動信號，控制功率開關(guān)的導通與關(guān)斷，得到輸出電壓。最后，作為測量值的電壓反饋返回到流程開始與輸出電壓設(shè)定值作差，進行下一個流程。

3.2 器件選型設(shè)計

為驗證所提變換器的運行原理可行性，設(shè)計了一臺額定100 W 的原理樣機。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型號為TMS320F28335，功率開關(guān)Q1選用的MOSFET 型號為IRFZ44N，功率二極管D2和D3選用的型號為SB1050L。

試驗參數(shù)如下：開關(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，負載電阻R＝23 Ω，即額定功率為100 W。

4 試驗結(jié)果分析

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

圖5 電感電流iL 和功率開關(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)試驗過程中，輸入電壓從24 V 降至8 V 時變換器的動態(tài)波形如圖6 所示。當輸入電壓從24 V 降至8 V 時，輸出電壓穩(wěn)定在48 V，此時電壓增益從2 倍連續(xù)增至6 倍。這一過程證明，該變換器能夠適應(yīng)因負載電流被動而產(chǎn)生變化的輸入電壓范圍，達到實現(xiàn)寬電壓增益和穩(wěn)定升壓的目的。

圖6 輸入電壓降低時變換器的動態(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 輸出功率下的試驗效率，采用Yokogawa/WT3000 功率分析儀進行測量。在Uin＝16 V，輸出功率100 W 時，電壓增益約為3 倍，變換器的試驗效率最高，（η2） 為94.3%； 在Uin＝8 V，50 W 輸出功率時，電壓增益為6 倍，變換器的試驗效率最低，（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

在此設(shè)計了一種應(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現(xiàn)2～6 倍的電壓增益，通過PI 控制器實現(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)計工作中的一些問題尚待進一步研究，如變換器的小信號模型分析、變換器的損耗分析等[13-14]。為提高DCDC 變換器的工作性能，這些問題將成為后續(xù)研究的重點內(nèi)容。