直流操作电源的设计

直流操作电源的设计

郭宇瑜 浙江大学电气工程学院

操作电源是指信号、控制、监测、自动装置、继电保护、合闸线圈和事故照明等系统所需的电源。要求安全可靠，保持供电不断，同时容量够大，满足供电系统运行及应急事故处理所需容量，有良好的供电质量且经济实用。本次设计的操作电源由交流配电单元、整流输出模块、降压模块组成。

电源；设计；直流；操作

1.直流操作电源工作原理

1.1 总体工作原理

本次设计的直流操作电源将电网作为电能来源，经过整流、滤波、稳压后对电池组进行充电，电池组进行不间断电能输出，一部分用为合闸母线的直流输出，另一部分用为控制母线的输出。在电池组部分加入一检测装置对电源的各项性能指标进行监测，使之一直工作在正常状态，假如出现问题可以快速发现并马上解决。在控制母线处也需要进行绝缘监测来防止开关的误跳闸、误报警，从而使系统能正常运行。

1.2 交配电单元

交流配电中心应设两个回路，使用的交流电源应取自不同的交流母线，正常情况下应处于可切换状态，切换装置工作正常；当充电装置的输入处于未切换的方式时，双回路应尽量对充电模块的数量进行均分。

当系统处于正常输入状态下时，选择两回路中的一路进行输入，给各个充电模块供电，在充电模块处进行整流滤波，将交流电转换为220V或110V的直流电，稳压后进行输出，一方面给供给负载，另一方面对电池进行充电。当交流输入回路出现故障时，备用的交流回路立即投入运行，确保依旧有交流输入，系统能正常运行；当出现较为严重的情况时——两交流输入回路均故障停电或异常，蓄电池加入进行供能，而充电模块停止工作，退出运行。

1.3 充电模块

在充电模块中，首先对从电网接入的220V交流电进行整流、滤波、稳压，得到稳定的电压，经过保护装置后一方面给蓄电池组智能充电、浮充电作为后备使用，另一方面作为负载的直流电源，在连入电网的交流电出现故障时，充电模块停止工作，由蓄电池不间断对负载提供电能。

1.4 硅堆降压

降压单元在正常情况下处于热备份状态，蓄电池进入到充电状态时，也要同时对系统的控制电路及其他器件提供稳定的直流电压来保证稳定的工作，当蓄电池从浮充充电状态进入到均衡充电状态时，充电电压升高，这时系统将硅堆接入，进行降压，一般情况下电力系统电源电压额定值在110V～220V，由于蓄电池充电前的额定电压与充电后的额定电压不同，充电后输出电压能够达到额定值的145%，即180V～330V，由于蓄电池的端电压变化范围很大，不符合负载的供电需求，需要对其调压，经过调压后就能得到稳定的供给电压。

2.充电模块

图1 工作原理图

图2 硅堆降压电路设计图

整流模块主要由EMI滤波电路、全桥整流、PFC功率因数矫正电路、高频逆变器、高频整流电路、滤波电路、稳压电路和脉宽调制(PWM)电路组成。

EMI滤波：电网中高频噪声，整流模块也会产生高频干扰，这时采用EMI滤波电路不但防止操作电源的高频噪声进入到电网，又能消除电网噪声对电源模块的干扰。

整流：利用全桥整流将交流电转换为脉动直流电。

无源PFC校正：经过整流后电压与电流产生的相位差会造成功率因数的降低，采用PFC电路可以提高功率因数，还能治理谐波。

高频逆变：利用IGBT开关功率器件构建桥式逆变结构，将输入直流电转化为极性周期改变的交流电。

高频变压器：一方面经过降压得到所需电压，另一方面在进行功率传输的同时实现交流输入与直流输出的电气隔离。

3.硅堆降压

3.1 硅堆降压设计原理

降压硅堆主要就是把多个功率比较大的硅整流二极管串接在一起，因为二极管能够使得PN结正向压降基本恒定这样的作用，那么就可以通过改变二极管串入电路中的多少，就能够达到电压调节的目的。相比于其它电压调节方式，硅堆降压具有操作简便、成本不高、安全、可靠的优点。

3.2 主电路的设计

把每个降压硅堆都分成5节（AS1～AS5），然后在把它连接在一起，再把继电器的常闭触点（K1～K5）连接到之前进行分节的每一个硅堆的两头，如果想要使得相应的继电器起作用，那么就要把相关的分节触点断开，于是相应的硅堆则连接的形式就是就是串联了，能够使得压降增加；如果想要相应的继电器返回，那么就要把相关的的分节触点闭合，那么相应的硅堆就不能够连接到这个电路中，也就是说在电路中总的硅堆数量减少了，就能够把压降减小。电路设计图如图2所示。

4.总结

本设计主要从理论与实践上对变电站中电力直流操作电源系统进行研究，对变电站直流操作电源的工作原理、直流系统的主要设计规则进行了分析，希望直流操作电源的相关设计方面能够在将来取得更大进展。

[1]王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2]何希才.新型开关电源设计与应用[M].北京：科学出版社，2015.

[3]沙占友.新型开关电源的设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2015.

[4]白同云.电子电路实用抗干扰技术[M].北京：邮电大学出版社，2014.

郭宇瑜，浙江大学电气工程学院，浙江省诸暨市，主要研究方向：电气工程及其自动化。