基于静态开关直流双电源切换装置的设计

胡显玉， 赵 阳

(湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心， 湖北 武汉 430068)

基于静态开关直流双电源切换装置的设计

胡显玉， 赵 阳

(湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心， 湖北 武汉 430068)

针对当前直流双电源切换系统运行安全性低，可靠性差的特点，提出一种基于静态开关的设计方法。该方法使用IGBT控制电路的通断，当其中一路供电发生故障时，可以自动切换到另一路供电。在一台直流双电源切换装置样机上进行了实验研究，实验结果表明，该直流双电源切换装置有很高的可靠性，具有较好的实际应用价值。

直流双电源; 切换; 供电; 可靠性

双电源切换回路在行业内广泛应用，设计简单，可靠性高，但二极管切换装置本身的特点使得直流系统双母线无法完全独立，存在一定运行风险，给设备运行维护带来一定的不便。直流双电源切换装置目前不少都采用二极管切换模式，并且都是利用二极管“正向导通，反向截至”的特性并联供电。这种方式在理论上实现了双路直流电源的自动切换，在一定程度上可实现供电可靠性，但二极管的特性使得两路电源并没有实现完全的电气隔离。此外，由于二极管切换回路的存在，当任一负荷发生接地短路事故时，两套直流系统的绝缘监测装置会同时发出接地信号，加大了查找接地点的难度[1]。

文献[2-3]中提到了火力发电厂电源异常引起机组跳闸的两个案例，经过分析，案例一中某发电厂 1 号机组的DEH(汽轮机数字电液控制系统)装置发出“1号 DEH 失电停机”信号和ETS(汽轮机跳闸保护系统)保护动作停机，原因是切换过程中厂用电供电跳闸造成系统失电。案例二中某发电厂 3号机组因“主变快速压力释放”保护动作而引起机组跳闸，原因是DC110VA 与 B 段母线都存在接地现象，此次发电机保护误动就是由于 ETS 直流电源接地合环造成干扰而引起的。以上两个例子，都是由于电源问题而引起的发电厂机组事故。因此，直流双电源切换装置对于火力发电厂热工系统的作用是举足轻重的。

火电厂生产过程中ETS、MFT、DEH系统、高低压电气直流双电源切换、热控双直流电源柜的可靠运行需要采用双电源方案，即一路电源出现故障后通过切换由另外一路电源为负载供电。针对直流电源的双电源方案在切换过程中会造成被切换装置的负载供电中断问题和直流接地隔离问题，研发了一种直流双电源切换装置来满足火电厂ETS、MFT、DEH系统、高低压电气直流双电源、热控双直流电源柜方案安全可靠不间断的运行。

1 直流双电源装置的设计

1.1工作原理

为了保证直流系统安全稳定的运行，直流双电源切换电路应满足两个要求：一是两路直流电源应完全独立，发生直流接地故障时不会影响到另一路直流接地系统；二是两路直流系统的互切应在负荷允许的欠压时间(20 ms)内完成。同时，当任一路直流电源发生失电故障时，自动将其所接的负荷切换到另一路直流电源，故障恢复后，负荷可以自动切换回原电源。

该切换系统的主功率电路图采用双路输入(图1)，每一路输入均用两个开关管来控制电路的通断。图1中的V1、V2、V3、V4是四个不带反并联二极管的IGBT[4]，控制部分的输出连接到相应的开关管引脚，然后，系统根据输出的状态分别来控制这几个开关管的通断。输出线上串一根康铜丝检测输出电流。输出主电路上串接二极管，区分主用与备用，输出正负极间加续流二极管，满足带感性负载的要求。该切换系统可在电路欠压、过压、失电、短路时,将其所带负载自动切换到正常电源一侧，以确保直流操作电源安全可靠不间断的运行。

图 1 切换系统的主电路

1.2检测电路的设计

图2所示的电压检测电路带有隔离的作用和降压的作用，可以用来检测第一路(图1中的A路)输入电压值的大小。该电路首先用电阻进行分压，得到所需的一个电压值，然后经过一个跟随器和一个积分器，将线性电压送入线性光耦进行隔离，最后再经过一个积分器和一个跟随器，输出电压[5-6]。同理，第二路(图1中的B路)输入电压检测电路和A路的完全一样，用来检测第二路输入电压值的大小。

图3所示的输出电流检测电路，用来检测主电路的输出电流值大小。该电路主要由两部分组成，前面是一个差分放大器，后面是一个电压跟随器。

图 2 输入电压检测电路

图 3 输出电流检测电路

1.3控制部分设计

1.3.1模块功能控制电路模块见图4，控制电路采用型号为DSPIC33FJ16GS504的单片机芯片，该单片机内部带10位AD，可以使用内部晶振，带PWM接口和232串口通信。该型号单片机可以满足控制要求。控制部分需对两路输入电源进行检测，并且对主电路的输出电压和输出电流进行采样，控制输出4路PWM波驱动4个IGBT开关管。控制电路输出做保护用途的过压信号、欠压信号和过流信号，并且输出用于通讯的RS485信号。软件控制功能概括如下：

1)当工作电源正常时，工作电源给负载供电；

2)当工作电源故障，备用电源正常时，装置立即切换到备用电源，由备用电源给负载供电；

3)备用电源工作过程中，如果工作电源恢复正常，装置2 s后自动切回到工作电源；

4)LED数码显示功能

图 4 控制电路模块

1.3.2程序设计思路设计思路是先编写详细的设计流程；再通过模块化，使程序的功能专一，便于调试和查错；然后通过适当分层，函数、全程变量及结构的命名尽量和原意一致，函数的构建思想是高内聚低偶合。本模块由主控模块启动并监控，当发生程序跑飞或者程序进入死循环，系统将自动重启。

程序采样单任务结构，主循环中完成主要功能的控制，由中断处理程序实现定时和串口发送接收的硬件功能。定时器分配标志位来精确控制延时，可以减少软件延时对系统实时性的影响。按键操作每10 ms响应一次。串口中断发送接收可以避免在主程序中去查询并等待串口发送是否完成。

1.3.3处理流程LED显示单元软件流程见图5。

1)首先，单片机运行初始化程序，定义变量寄存器、初始化功能模块和IO口。

2)在主循环中，通过判断是否有开关机信号、置开关标志位，接着判断是否有故障信号、置故障标志位。

3)在定时中断1程序中，单片机通过采样电压和电流，滤波后判断其是否在安全区间，并控制相应指示灯的状态。

4)在定时中断2程序中，执行按键扫描程序，控制报警灯状态，判断过流及电压2 s恢复程序，最后通过执行切换选择程序，实现电源切换功能。

图 5 LED显示单元软件流程图

1.3.4系统结构图6为切换装置软件结构。其软件可分为应用层和驱动层，应用层调用驱动层中的相关子程序来操作硬件和报警信息。驱动层可以直接操作硬件或者通过MAPLAB C30固件库间接操作硬件。

图 6 LED显示单元软件结构

2 实验结果

为了验证该直流切换系统的稳定性和可靠性，对一台直流切换装置进行了测试和分析。当直流双电源切换装置启动时，若工作电源正常，工作电源优先给负载供电；装置启动后，当且仅当正在给负载供电的输入电源异常时，系统才会切换到另外一路输入。若两路输入电源都异常，则装置停止运行。

2.1设计要求

额定输入电压，110 VDC220 VDC(由于元器件有误差，所以过/欠压点电压值也有误差)； 额定输出电流，30 A； 切换模式，自动软起切换； 切换时间，≤20 ms(工作状态转换到备用状态)；≤20 ms(检测工作电恢复持续2 s后备用状态转换到工作状态)； 绝缘特性为冷态，输入对机壳、输出对机壳绝缘电阻≥10 M；热态：输入对机壳、输出对机壳绝缘电阻≥2 M；耐压特性：装置输入线与输出线对机壳能承受交流正弦2500 V/50 Hz试验电压，历时1 min应无击穿或闪络现象。

2.2实验验证

给该直流双电源切换装置供电，输出电压会缓慢上升到正常电压，这个过程称为软启动过程。输出电压从零一直上升到正常电压的所需时间，就是软启动时间。正常情况下软启动时间应该不大于5 s。测试的波形见图7，由图7可以看出软启动时间ΔX=2.04 s，符合要求。

图 7 软启电压波形图

给该直流双电源切换装置两路输入(工作侧和备用侧)同时供电，其中工作侧相对于备用侧具有优先级，两路电源供电均正常时，工作侧优先给负载供电。当其中一路出现故障，输出电压会有短暂的掉电，然后立刻恢复至正常电压，输出电压从掉电到恢复正常电压的时间就是切换时间。

当备用侧突然出现故障，输出电压会有一个短暂的掉电过程(图8)。切换时间(掉电时间)ΔX=13.0 ms，符合要求。

图 8 备用侧掉电后输出电压波形图

当工作侧突然出现故障，输出电压同样会有一个短暂的掉电过程(图9)。切换时间(掉电时间)ΔX=13.4 ms，符合要求。

图 9 工作侧掉电后输出电压波形图

3 结束语

直流双电源供电方式配置运行，是火电厂生产过程中ETS、MFT、DEH系统、高低压电气直流双电源切换、热控双直流电源柜发展的结果，是应运而生的产物，直流双电源供电方式不仅保证了供电的安全和稳定，而且满足了各种应用场合的不同电压等级对电源系统的要求。该直流双电源切换系统很好的解决了直流双电源直流接地隔离问题，能安全运行，稳定切换，可靠地给负载供电。具有较高的实际应用价值。

[1] 文超 ．电厂直流系统二极管切换双电源回路的特点分析和改造建议[J].自动化应用，2014(12):86-88．

[2] 楼杰力，曹武中．火力发电厂热工电源的可靠性分析[J]. 浙江电力, 2014(7):61-64．

[3] 孙宪龙．完善宏伟电厂热工保护系统可靠性措施浅析[J].科技创新导报，2011(3):82-82．

[4] 陈坚．电力电子学—电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社，2004．

[5] 徐德鸿 ．现代电力电子学[M].北京:机械工业出版社，2013．

[6] 王兆安，黄俊．电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2000:21-42．

[责任编校：张岩芳]

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

胡显玉(1990-)， 男， 湖北孝感人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动

1003-4684(2017)05-0104-04

TM564.8

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