基于靜態開關直流雙電源切換裝置的設計

胡顯玉， 趙 陽

(湖北工業大學太陽能高效利用湖北省協同創新中心， 湖北 武漢 430068)

基于靜態開關直流雙電源切換裝置的設計

胡顯玉， 趙 陽

(湖北工業大學太陽能高效利用湖北省協同創新中心， 湖北 武漢 430068)

針對當前直流雙電源切換系統運行安全性低，可靠性差的特點，提出一種基于靜態開關的設計方法。該方法使用IGBT控制電路的通斷，當其中一路供電發生故障時，可以自動切換到另一路供電。在一臺直流雙電源切換裝置樣機上進行了實驗研究，實驗結果表明，該直流雙電源切換裝置有很高的可靠性，具有較好的實際應用價值。

直流雙電源; 切換; 供電; 可靠性

雙電源切換回路在行業內廣泛應用，設計簡單，可靠性高，但二極管切換裝置本身的特點使得直流系統雙母線無法完全獨立，存在一定運行風險，給設備運行維護帶來一定的不便。直流雙電源切換裝置目前不少都采用二極管切換模式，并且都是利用二極管“正向導通，反向截至”的特性并聯供電。這種方式在理論上實現了雙路直流電源的自動切換，在一定程度上可實現供電可靠性，但二極管的特性使得兩路電源并沒有實現完全的電氣隔離。此外，由于二極管切換回路的存在，當任一負荷發生接地短路事故時，兩套直流系統的絕緣監測裝置會同時發出接地信號，加大了查找接地點的難度[1]。

文獻[2-3]中提到了火力發電廠電源異常引起機組跳閘的兩個案例，經過分析，案例一中某發電廠 1 號機組的DEH(汽輪機數字電液控制系統)裝置發出“1號 DEH 失電停機”信號和ETS(汽輪機跳閘保護系統)保護動作停機，原因是切換過程中廠用電供電跳閘造成系統失電。案例二中某發電廠 3號機組因“主變快速壓力釋放”保護動作而引起機組跳閘，原因是DC110VA 與 B 段母線都存在接地現象，此次發電機保護誤動就是由于 ETS 直流電源接地合環造成干擾而引起的。以上兩個例子，都是由于電源問題而引起的發電廠機組事故。因此，直流雙電源切換裝置對于火力發電廠熱工系統的作用是舉足輕重的。

火電廠生產過程中ETS、MFT、DEH系統、高低壓電氣直流雙電源切換、熱控雙直流電源柜的可靠運行需要采用雙電源方案，即一路電源出現故障后通過切換由另外一路電源為負載供電。針對直流電源的雙電源方案在切換過程中會造成被切換裝置的負載供電中斷問題和直流接地隔離問題，研發了一種直流雙電源切換裝置來滿足火電廠ETS、MFT、DEH系統、高低壓電氣直流雙電源、熱控雙直流電源柜方案安全可靠不間斷的運行。

1 直流雙電源裝置的設計

1.1工作原理

為了保證直流系統安全穩定的運行，直流雙電源切換電路應滿足兩個要求：一是兩路直流電源應完全獨立，發生直流接地故障時不會影響到另一路直流接地系統；二是兩路直流系統的互切應在負荷允許的欠壓時間(20 ms)內完成。同時，當任一路直流電源發生失電故障時，自動將其所接的負荷切換到另一路直流電源，故障恢復后，負荷可以自動切換回原電源。

該切換系統的主功率電路圖采用雙路輸入(圖1)，每一路輸入均用兩個開關管來控制電路的通斷。圖1中的V1、V2、V3、V4是四個不帶反并聯二極管的IGBT[4]，控制部分的輸出連接到相應的開關管引腳，然后，系統根據輸出的狀態分別來控制這幾個開關管的通斷。輸出線上串一根康銅絲檢測輸出電流。輸出主電路上串接二極管，區分主用與備用，輸出正負極間加續流二極管，滿足帶感性負載的要求。該切換系統可在電路欠壓、過壓、失電、短路時,將其所帶負載自動切換到正常電源一側，以確保直流操作電源安全可靠不間斷的運行。

圖 1 切換系統的主電路

1.2檢測電路的設計

圖2所示的電壓檢測電路帶有隔離的作用和降壓的作用，可以用來檢測第一路(圖1中的A路)輸入電壓值的大小。該電路首先用電阻進行分壓，得到所需的一個電壓值，然后經過一個跟隨器和一個積分器，將線性電壓送入線性光耦進行隔離，最后再經過一個積分器和一個跟隨器，輸出電壓[5-6]。同理，第二路(圖1中的B路)輸入電壓檢測電路和A路的完全一樣，用來檢測第二路輸入電壓值的大小。

圖3所示的輸出電流檢測電路，用來檢測主電路的輸出電流值大小。該電路主要由兩部分組成，前面是一個差分放大器，后面是一個電壓跟隨器。

圖 2 輸入電壓檢測電路

圖 3 輸出電流檢測電路

1.3控制部分設計

1.3.1模塊功能控制電路模塊見圖4，控制電路采用型號為DSPIC33FJ16GS504的單片機芯片，該單片機內部帶10位AD，可以使用內部晶振，帶PWM接口和232串口通信。該型號單片機可以滿足控制要求。控制部分需對兩路輸入電源進行檢測，并且對主電路的輸出電壓和輸出電流進行采樣，控制輸出4路PWM波驅動4個IGBT開關管。控制電路輸出做保護用途的過壓信號、欠壓信號和過流信號，并且輸出用于通訊的RS485信號。軟件控制功能概括如下：

1)當工作電源正常時，工作電源給負載供電；

2)當工作電源故障，備用電源正常時，裝置立即切換到備用電源，由備用電源給負載供電；

3)備用電源工作過程中，如果工作電源恢復正常，裝置2 s后自動切回到工作電源；

4)LED數碼顯示功能

圖 4 控制電路模塊

1.3.2程序設計思路設計思路是先編寫詳細的設計流程；再通過模塊化，使程序的功能專一，便于調試和查錯；然后通過適當分層，函數、全程變量及結構的命名盡量和原意一致，函數的構建思想是高內聚低偶合。本模塊由主控模塊啟動并監控，當發生程序跑飛或者程序進入死循環，系統將自動重啟。

程序采樣單任務結構，主循環中完成主要功能的控制，由中斷處理程序實現定時和串口發送接收的硬件功能。定時器分配標志位來精確控制延時，可以減少軟件延時對系統實時性的影響。按鍵操作每10 ms響應一次。串口中斷發送接收可以避免在主程序中去查詢并等待串口發送是否完成。

1.3.3處理流程LED顯示單元軟件流程見圖5。

1)首先，單片機運行初始化程序，定義變量寄存器、初始化功能模塊和IO口。

2)在主循環中，通過判斷是否有開關機信號、置開關標志位，接著判斷是否有故障信號、置故障標志位。

3)在定時中斷1程序中，單片機通過采樣電壓和電流，濾波后判斷其是否在安全區間，并控制相應指示燈的狀態。

4)在定時中斷2程序中，執行按鍵掃描程序，控制報警燈狀態，判斷過流及電壓2 s恢復程序，最后通過執行切換選擇程序，實現電源切換功能。

圖 5 LED顯示單元軟件流程圖

1.3.4系統結構圖6為切換裝置軟件結構。其軟件可分為應用層和驅動層，應用層調用驅動層中的相關子程序來操作硬件和報警信息。驅動層可以直接操作硬件或者通過MAPLAB C30固件庫間接操作硬件。

圖 6 LED顯示單元軟件結構

2 實驗結果

為了驗證該直流切換系統的穩定性和可靠性，對一臺直流切換裝置進行了測試和分析。當直流雙電源切換裝置啟動時，若工作電源正常，工作電源優先給負載供電；裝置啟動后，當且僅當正在給負載供電的輸入電源異常時，系統才會切換到另外一路輸入。若兩路輸入電源都異常，則裝置停止運行。

2.1設計要求

額定輸入電壓，110 VDC220 VDC(由于元器件有誤差，所以過/欠壓點電壓值也有誤差)； 額定輸出電流，30 A； 切換模式，自動軟起切換； 切換時間，≤20 ms(工作狀態轉換到備用狀態)；≤20 ms(檢測工作電恢復持續2 s后備用狀態轉換到工作狀態)； 絕緣特性為冷態，輸入對機殼、輸出對機殼絕緣電阻≥10 M；熱態：輸入對機殼、輸出對機殼絕緣電阻≥2 M；耐壓特性：裝置輸入線與輸出線對機殼能承受交流正弦2500 V/50 Hz試驗電壓，歷時1 min應無擊穿或閃絡現象。

2.2實驗驗證

給該直流雙電源切換裝置供電，輸出電壓會緩慢上升到正常電壓，這個過程稱為軟啟動過程。輸出電壓從零一直上升到正常電壓的所需時間，就是軟啟動時間。正常情況下軟啟動時間應該不大于5 s。測試的波形見圖7，由圖7可以看出軟啟動時間ΔX=2.04 s，符合要求。

圖 7 軟啟電壓波形圖

給該直流雙電源切換裝置兩路輸入(工作側和備用側)同時供電，其中工作側相對于備用側具有優先級，兩路電源供電均正常時，工作側優先給負載供電。當其中一路出現故障，輸出電壓會有短暫的掉電，然后立刻恢復至正常電壓，輸出電壓從掉電到恢復正常電壓的時間就是切換時間。

當備用側突然出現故障，輸出電壓會有一個短暫的掉電過程(圖8)。切換時間(掉電時間)ΔX=13.0 ms，符合要求。

圖 8 備用側掉電后輸出電壓波形圖

當工作側突然出現故障，輸出電壓同樣會有一個短暫的掉電過程(圖9)。切換時間(掉電時間)ΔX=13.4 ms，符合要求。

圖 9 工作側掉電后輸出電壓波形圖

3 結束語

直流雙電源供電方式配置運行，是火電廠生產過程中ETS、MFT、DEH系統、高低壓電氣直流雙電源切換、熱控雙直流電源柜發展的結果，是應運而生的產物，直流雙電源供電方式不僅保證了供電的安全和穩定，而且滿足了各種應用場合的不同電壓等級對電源系統的要求。該直流雙電源切換系統很好的解決了直流雙電源直流接地隔離問題，能安全運行，穩定切換，可靠地給負載供電。具有較高的實際應用價值。

[1] 文超 ．電廠直流系統二極管切換雙電源回路的特點分析和改造建議[J].自動化應用，2014(12):86-88．

[2] 樓杰力，曹武中．火力發電廠熱工電源的可靠性分析[J]. 浙江電力, 2014(7):61-64．

[3] 孫憲龍．完善宏偉電廠熱工保護系統可靠性措施淺析[J].科技創新導報，2011(3):82-82．

[4] 陳堅．電力電子學—電力電子變換和控制技術[M].北京:高等教育出版社，2004．

[5] 徐德鴻 ．現代電力電子學[M].北京:機械工業出版社，2013．

[6] 王兆安，黃俊．電力電子技術[M].北京:機械工業出版社，2000:21-42．

[責任編校：張巖芳]

DesignofSwitchingDeviceofDCDualPowerSupplyBasedonStaticSwitch

HU Xianyu, ZHAO Yang

(HubeiCollaborativeInnovationCenterforHigh-efficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Aiming at the low security and poor reliability of the current DC dual power supply switching system, a design method based on static switch is proposed. The method uses the switch transistor IGBT control circuit, which can automatically switch to another power supply when the power supply failure occurs. Experimental study was conducted on a prototype of a DC dual power supply switching device. The results show that the DC dual power supply switching device is of high reliability and practical value.

DC dual power supply; switching; power supply; reliability

2016-12-05

胡顯玉(1990-)， 男， 湖北孝感人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動

1003-4684(2017)05-0104-04

TM564.8

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