大容量电容器直流电源的设计.pdf

1、河南城建 学院本科毕业设 计（论文） 摘要模拟 与电源 技术社 http:/ 与电源 技术社 区论坛 http:/ 当前一 些末端 变电站 中使用 蓄电池 式直流 电源存 在的问 题，设 计了基 于大容 量电容 器储能 的直流 电源方 案。大 容量电 容器作 为一种 新型电 力储能 技术，由于 其动态 响应速 度快， 储、释 能效率 高，产 品规格 化无需 定制， 便于扩 容等特点， 被认为 是一种 非常有 前途的 电能存 储器件 。大容 量电容 器直流 电源是 大容量电容 器储能 系统中 最为关 键部位 ，其可 靠工作 对提高 大容量 电容器 储能系 统的效率和 能量利 用率， 增强储 能系

2、统 的可靠 性具有 重要的 意义。 本文立 足于大 容量电容器 直流电 源的研 究与应 用设计 ，建立 了大容 量电容 器储能 的等效 模型 ； 分析 了大容 量电容 器的运 行原理 ，总结 了其储 能特性 与优点 ； 分析 了直流 电源的 并列均流技 术，实 现了开 关电源 的模块 化设计 ； 根据 设计方 案的分 析，采 用扰动 前馈加反馈 控制策 略实现 直流电 源储能 单元控 制 ， 最后 用 MATLAB进行 仿真实 验 ， 验证 了大容 量电容 器应用 于直流 电源系 统的可 行性和 优越性 。关键词：大容量电容器，电能储存，直流电源II河南城建 学院本科毕业设 计 （ 论文 ）

3、Abstrat模拟 与电源 技术社 http:/ 与电源 技术社 区论坛 http:/ e endof thesubstationfor thecurrent DCpower supplyusedinthebatteryproblem , designalarge-capacitycapacitor energystorage basedonthe DCpowersupplyoptions. Large-capacitycapacitor energystoragetechnologyasanewtypeofpower, because of its dynam ic response spe

4、ed, storage, release energy efficient,standardizedproduct without custom ization, easeof expansion, etc., is consideredavery prom ising energystorage device. Large-capacitycapacitor DCpower is thelarge-capacitycapacitor energystoragesystem inthem ost critical partsof theirworktoim prove the reliable

5、 large-capacitycapacitor energystorage system efficiencyandenergy eficiency, and enhance the energy storage system reliability is of greatsignificance. Thislarge-capacitycapacitorsbasedontheresearchandapplicationofDCpower supplydesign, buildlarge-capacitystoragecapacitor equivalent m odel; analysiso

6、f large-capacitycapacitor operatingprinciple, sum m ed upthestoragecharacteristicsandadvantages; analysis of parallel DCpower supplyarestream ing technology, toachieveam odular switchingpower supplydesign, accordingtothedesignschem e ofanalysis, usingdisturbancefeedforwardplus feedbackcontrol policy

7、im plem entationcontrol DCpower storageunit; Finally, JinXingMATLABsim ulation experim entsverifyalarge-capacitycapacitorusedinDCpowersystem feasibilityandsuperiority.Keywords: Large-capacitycapacitors, energystorage, DC河南城建 学院本科毕业设 计 （ 论文 ） 目录III目 录摘 要 . IAbstractII第一章 绪 论11.1选题 的意义 .11.2直流 电源介 绍 .

8、21.3直流 电源系 统中的 蓄电池 组及其 存在问 题 .21.3.1镉镍 蓄电池 直流电 源 .21.3.2密封 铅酸蓄 电池直 流电源 .31.4大容 量电容 器简介 41.5国内 外研究 综述 51.6论文 的主要 研究内 容及主 要工作 . 5第二章 直流电源系统 .62.1充电 模块 .62.1.1充电 模块发 展现状 . 62.1.2高频 开关电 源 72.1.3开关 电源模 块并联 均流技 术 .82.2调压 模块 .102.2.1硅链 调压 102.2.2DC/DC变换 器调压 112.3监控 部分 .112.4本章 小结 .12第三章 大容量电容器直流电源系统设计133.1

9、大容 量电容 器储能 的特点 133.2大容 量电容 器简化 模型 143.3大容 量电容 器用于 直流电 源问题 的引出 153.4大容 量电容 器直流 电源系 统可行 性分析 .16河南城建 学院本科毕业设 计 （ 论文 ） 目录IV3.5大容 量电容 器直流 电源系 统设计 173.5.1CD10型电 磁操动 机构 . 173.5.2大容 量电容 器单体 的选择 .183.5.3大容 量电容 器直流 储能单 元的组 成 .183.5.4全桥 变换器 .193.5.5开关 电源高 频变压 器 203.5.6大容 量电容 器放电 原理图 设计 . 213.6大容 量电容 器直流 电源短 时放

10、电 仿真研 究 223.6.1前馈 补偿器 的设计 . 233.6.2反馈 控制器 的设计 . 243.6.3仿真 结果及 分析 . 243.7结论 . 27第四章 总结与展望 . 284.1全文 工作总 结 .284.2进一 步工作 展望 28参考文献 . 29致谢.31附录 A：大容量电容器图片.32附录 B：大容量电容器应用图片. 33附录 C：国内某厂家生产的大容量电容器参数34河南城建 学院本科毕业设 计 （ 论文 ） 第一章 绪 论模拟 与电源 技术社 http:/ 与电源 技术社 区论坛 http:/ 电源作 为供电 电源， 在变电 站、发 电厂、 大中型 厂矿企 业等供 电系统

11、 中占有 很重要 的地位 ，主要 用于向 控制、 保护、 通信设 备、自 动装置 操作机 械和调节机 械的传 动机构 供电， 同时还 可以作 为独立 的事故 照明电 源，所 以其性 能及可靠性 直接影 响到整 个供电 系统的 正常安 全运行 1。在我 国 l10kV、 35kV、 10kV终端 变电站 以及厂 用 6kV配电 系统 ， 广泛 采用了蓄电 池直流 电源和 硅整流 电容储 能直流 电源作 为操作 、控制 以及保 护电源 。由蓄电池 组成的 直流电 源，可 以存储 很大的 电能从 而实现 停电时 长时间 的直流 供给，在一 些重要 变电站 (如 110kV及以 上级别 的变电 站 )

12、应用 广泛 23。然 而有些 末端站及用 户站， 实际上 并不需 要停电 后长时 间的直 流供给 ，只是 在分、 合闸操 作时需要直 流电能 。考虑 到要保 证事故 分闸的 可靠性 使用了 蓄电池 式直流 电源， 必然带来很 高的运 营成本 ，设备 需要经 常的维 护保养 且使用 寿命很 短。另 外故障 率也因其电 池的多 节串联 而增加 ，任何 一节电 池有问 题，都 将影响 整个蓄 电池组 的正常工作 ，且废 弃蓄电 池对环 境带来 很大危 害。由 于上述 设备存 在的问 题，人 们迫切希望 有较好 的办法 来解决 ，大容 量电容 器的出 现及其 具备的 优良性 能为解 决这一题带 来了希

13、 望 45。储能 ，尤其 是大容 量的电 力储能 ，一直 是困扰 业界的 难题。 而伴随 着脉动 性用电 设备的 日益增 多，对 储能装 置提出 了更高 的要求 。从某 种意义 上讲， 适宜的储能 装置， 将是对 世界科 技和装 备发展 的一次 革命。 开展储 能系统 的研究 ，具有非常 重要的 现实意 义和长 远意义 。 当前 ，大容 量电容 器储能 技术在 国内还 处于前 沿探索 阶段， 因此对 大容量 电容器 储能技 术开展 深入的 研究具 有十分 重要的 意义， 可以为 解决电 力系统 、可再生能 源、电 动汽车 以及冲 击性负 载中出 现的问 题提供 一个新 的解决 方案。大容 量电

14、容 器单独 储能在 我国仅 仅出于 理论研 究，而 系统的 研究大 容量电 容器直 流储能 单元、 大容量 电容器 充电均 压及其 实际应 用设计 可以为 大容量 电容器的产 业化发 展打开 市场之 门，意 义深远 。河南城建 学院本科毕业设 计 （ 论文 ） 第一章 绪 论模拟 与电源 技术社 http:/ 与电源 技术社 区论坛 http:/ 电源中 的操作 直流电 源是保 证发电 厂和变 电所正 常、安 全运行 的电源 设备 ， 亦可 以用于 石化 、 冶金 、 矿山 、 建筑 及电气 化铁路 等需要 220V（ 110V） 直流电源 的场合 。 在发 电厂和 变电所 中，直 流控制 负

15、荷和 动力负 荷对安 全性、 可靠性 和运行 稳定性 要求较 高。直 流控制 负荷包 括电气 和热工 系统的 控制电 路、信 号回路 、保护电路 、通信 设备、 自动装 置、事 故照明 和某些 执行机 构等， 直流动 力负荷 包括断路器 分合闸 的操作 机构， 火电厂 中的汽 轮机润 滑油泵 、发电 机氢密 封油泵 及给水润滑 油泵的 直流电 动机等 ，直流 电源系 统，作 为变电 站中不 可或缺 的二次 设备，对发 电厂和 变电站 正常、 安全运 行乃至 整个电 力系统 的稳定 运行， 都起着 极为重要的 作用。 直流电 源系统 在电力 系统中 兼有控 制电源 和保安 电源的 双重作 用，电

16、力操 作直流 电源部 分由充 电模块 、电池 组、调 压和微 机监控 等几部 分构成 。 1.3直流电源系统中的蓄电池组及其存在问题1.3.1镉镍蓄电池直流电源直流 母线输 出 220V电压 时，一 般由 180只蓄 电池组 成。蓄 电池在 加工生 产中不 可能做 到每只 电池的 充放电 特性完 全一致 ，虽然 生产厂 家在出 厂时进 行了匹配组 合，到 了用户 手中就 没有多 少挑选 的余地 。在使 用中用 同一个 充电电 源，又向同 一负荷 放电， 久而久 之由于 个别电 池的特 性差别 越来越 大，而 影响整 个装置的性 能。镉 镍蓄电 池在运 行中长 期处于 浮充状 态，充 电机性 能

17、的好 坏直接 影响电池的 寿命。 一般厂 家承诺 电池寿 命大于 l0年， 但在实 际运用 中往往 只有 3 5年 。这是 因为浮 充电流 如果过 大，会 使电解 液中的 水电解 成氢和 氧，这 两种气 体混合是危 险的爆 炸气体 ，如果 通风不 良就有 可能发 生危险 。过充 电会使 电池冒 液，在电池 外表及 连接片 上产生 墨绿色 氧化物 ，腐蚀 构件， 降低绝 缘，使 自放电 增加。过充 电还会 产生氧 化还原 反应， 在负极 板上生 成氧化 镉，减 少极板 有效面 积，容量减 小，这 就是俗 称的 “记忆 ”效应 。镉镍 电池有 较硬的 放电特 性，放 电量达 到 80时 ，电压 下

18、降也 不明显 ，因此 稍有疏 忽就会 造成电 池过放 电，导 致极性 反转而报废 6。 由于 直流电 源是变 电站设 备中的 重中之 重 ， 直接 影响到 变电站 的安全 运行 ，直流 电源是 日常必 检项目 。河南城建 学院本科毕业设 计 （ 论文 ） 第一章 绪 论模拟 与电源 技术社 http:/ 与电源 技术社 区论坛 http:/ 镉镍蓄 电池维 护量大 ，一种 免维护 密封铅 酸蓄电 池 (简称 阀控蓄 电池或VRLA电池 )开始 得到广 泛应用 。因为 是全密 封电池 ，无需 加水， 这给维 护带来 很多好 处 ， 但同 时也给 观测和 维护带 来困难 。 “免维 护 ”这一 名

19、词给 使用者 带来认 识上的错 误，导 致使用 者放松 对蓄电 的日常 维护和 管理。 由于阀 控蓄电 池在我 国问世只有 10年左 右，至 今还没 有特别 成熟的 制造、 运行经 验 7。1、阀 控蓄电 池的寿 命厂家 说明书 将蓄电 池的寿 命标注 为 10年、 15年、 20年， 是过分 夸大了 ，因而在 说明书 上标称 5年比 较合理 ；对于 胶体蓄 电池， 如德国 阳光、 银彬等 可用 10年以 上。另 外厂家 说明书 上标注 的寿命 是有前 提的， 要在规 定的运 行温度 、标准的充 放电方 式 (包括 负载大 小 )下运 行，实 际上这 些条件 只有在 实验室 才能达 到。2、影

20、 响阀控 蓄电池 寿命的 主要因 素(1)阀控 蓄电池 寿命对 温度十 分敏感生产 厂家要 求电池 运行环 境温度 为 15 25 ， 当环 境温度 超过 25 ， 每升 高10 电池 寿命就 要缩短 一半。 例如对 5年期 寿命的 电池， 当环境 温度为 35 时，实际 寿命只 有 2.5年， 如果再 升高 10 达到 45 时， 其寿命 只有约 1.25年了 。 安装阀 控蓄电 池的配 电室， 室内温 度还要 高，对 蓄电池 的运行 极为不 利。(2)过度 放电 蓄电 池被过 度放电 是影响 蓄电池 使用寿 命的另 一重要 因素。 这种情 况主要 发生在 交流停 电或充 电模块 损坏后 ，

21、蓄电 池组为 负载供 电期间 。当蓄 电池被 过度放电到 输出电 压为零 时 ， 会导 致电池 内部有 大量的 硫酸铅 被吸附 到电池 的阴极 表面 ，形成 电池阴 极的 “硫酸 盐化 ”。 由于 硫酸铅 本身是 一种绝 缘体 ， 它的 形成必 将对电 池的充 、放电 性能产 生不好 的影响 。因此 ，在阴 极板上 形成的 硫酸盐 越多， 电池的内阻 越大， 电池的 充、放 电性能 就越差 ，其使 用寿命 就越短 。 (3)板栅 的腐蚀在开 路状态 下 ， 铅合 金与活 性二氧 化铅直 接接触 ， 而且 共同浸 在硫酸 溶液中 ，它们 各自与 溶液建 立不同 的平衡 电极电 位。正 极栅板 不

22、断溶 解，特 别是在 过充电状态 下，正 极由于 析氧反 应，水 被消耗 ， H增加 ，从而 导致正 极附近 酸度增 高，反栅 腐蚀加 速。如 果电池 使用不 当，长 期处于 过充电 状态， 那么电 池的栅 板就会变薄 ，容量 降低， 会缩短 使用寿 命。 (4)长期 处于浮 充电状 态蓄电 池大多 数都处 于长期 的浮充 电状态 下，只 充电， 不放电 ，这种 工作状 态河南城建 学院本科毕业设 计（论文） 目录4极不 合理。 大量运 行统计 资料表 明，这 样会造 成蓄电 池的阳 极极板 钝化， 使蓄电河南城建 学院本科毕业设 计 （ 论文 ） 第一章 绪 论模拟 与电源 技术社 http

23、:/ 与电源 技术社 区论坛 http:/ 阻急剧 增大， 实际容 量远远 低于其 标准容 量，从 而导致 蓄电池 所能提 供的实际后 备供电 时间大 大缩短 ，减少 其使用 寿命。(5)失水 蓄电 池失水 也是影 响其使 用寿命 的因素 之一， 蓄电池 失水会 导致电 解液比 重增加 ，电池 栅板的 腐蚀， 使蓄电 池的活 性物质 减少， 从而使 蓄电池 的容量 降低而导致 其使用 寿命减 小。当 失水 5.5时 ，容量 降到 75； 失水达 到 25时 ，容量基本 消失。 目前 ，为了 改善蓄 电池的 工作过 程，延 长其使 用寿命 ，对系 统的能 量管理 做了很 多的工 作，如 改进充

24、放电方 法；进 行过充 过放保 护；根 据多种 条件判 断蓄电池的 荷电 状态， 如端电 压、温 度、电 解液密 度、充 放电电 流等。 而且， 针对分 布式发 电系统 的特点 ，对蓄 电池器 件本身 进行改 进，如 优化板 栅合金 ，加大 极板厚度等 ，这些 措施可 以有效 地延长 蓄电池 的使用 寿命， 尽管如 此，基 于电化 学反应的可 充电蓄 电池在 直流系 统中存 在着一 定的局 限性， 很难达 到预期 的性能 要求和技术 指标 ， 大容 量电容 器的出 现及其 具备的 优良性 能为解 决这一 问题带 来了福 音 。1.4大容量电容器简介大容 量电容 器亦称 双电层 电容器 ，是近

25、年来出 现的一 种新型 能源器 件（各 种大容 量电容 器图片 可参见 附录 A，大 容量电 容器的 应用可 参见附 录 B）， 所以称 之为 “大容 量 ”，是 因为与 常规电 容器不 同，其 容量可 达到法 拉级甚 至数千 法拉。各种 储能元 件储存 能量形 式大不 一样， 电池以 电化学 能的形 式储存 能量。 电化学 能在电 池的两 个极板 的界面 处通过 电化学 反应发 生转化 。传统 物理电 容由电极和 电介质 构成 ， 储存 的电能 来源于 电荷 Q在两 块极板 上的分 离 ， 两块 极板被 真空（相 对介电 常数为 1） 或一 层介电 物质 （ 相对 介电常 数 ） 所隔 离

26、， 其储 能量比 较小 。大容 量电容 器填补 了电池 和传统 的物理 电容之 间的空 白。由 于不存 在介质 ，系统为达 到电化 学的平 衡，电 荷在电 极和电 解质的 界面之 间自发 的分配 形成阴 阳离子的界 面，从 而达到 保存能 量的目 的 8。能 获得大 的比电 容是因 为极板 为活性 炭 ， 它具有 极大的 有效表 面积 S。 传统 物理电 容中所 储存的 能量随 外加电 压的升 高而连 续升高 ， 直到 电介质 被击穿 。 而电 池中所 储存的 能量只 与电池 电动热 成正比 。 可见 ，电池 适用于 长时间 低电流 的供电 需要， 而大容 量电容 器适用 于短时 间大电 流的

27、放电。河南城建 学院本科毕业设 计 （ 论文 ） 第一章 绪 论模拟 与电源 技术社 http:/ 与电源 技术社 区论坛 http:/ 外 研 究大 容 量 电 容 器起 步 较 早 ， 技术 相 对 比 较 成熟 。 在 大 容 量电 容 器 的 产业化 方面 ， 美国 、 日本 、 俄罗 斯 、 瑞士 、 韩国 、 法国 的一些 公司如 美国的 Maxwell，日本 的 NEC、 松下 、 Tokin和俄 罗斯的 Econd公司 等 ， 凭借 多年的 研究开 发和技 术积累 ， 目前 处 于 领 先 地位 ， 这 些 公 司目 前 占 据 着 全球 大 部 分 市 场。 美 国 、 日

28、本、 韩国 等 国家 一 直 致 力 于开 发 高 比 功 率和 高 比 能 量 的大 容 量 电 容 器。 在 大 容 量 电容 器的 研 究中 ， 许 多 工 作都 是 开 发 在 各种 电 解 液 中 有较 高 比 能 量 的电 极 材 料 。 它们 均把 大 容量 电 容 器 项 目作 为 国 家 级 的重 点 研 究 和 开发 项 目 ， 提 出了 近 期 和 中 长期 发展计 划。而在 国内， 大容量 电容器 的应用 尚处于 起步阶 段。在 钮扣型 大容量 电容器 市场中 ， 海外 产品几 乎占据 了 90%以上 的份额 ， 竞争 异常激 烈 。 中国 厂商正 采取替 代手段 ，利

29、用 低价策 略 (约为 国外产 品的 40% 60%)、快 速供货 、销售 布局完 善，对中国 终端应 用市场 更加熟 悉，技 术支持 与服务 优于国 际品牌 等各种 优势来 争夺市场。 在卷绕 型和大 型大容 量电容 器方面 ，中国 产品的 技术水 平与国 际接近 ，市场份额 较为理 想。1.6论文的主要研究内容及主要工作全文 共分四 章，各 章主要 内容如 下： 第一 章 ： 首先 介绍直 流电源 系统 ， 分析 直流电 源发展 现状和 目前存 在的问 题 ，介绍 大容量 电容器 ，分析 大容量 电容器 储能及 其应用 技术的 研究意 义。 第二 章：介 绍目前 直流电 源系统 中常用 的

30、充电 模块、 调压模 块和监 控系统 。分析 各种模 块及方 法的优 缺点， 为以后 大容量 电容器 直流电 源的结 构设计 打下基础。第三 章：详 细地介 绍大容 量电容 器储能 的特点 ，针对 直流电 源储能 系统的 特点及 其储能 问题， 提出大 容量电 容器直 流储能 方案。 根据现 场要求 ，进行 理论分析、 系统设 计， 对电 容器直 流 电源 放电 模型进 行仿真 分析。第四 章：对 全文所 作的工 作及主 要研究 成果进 行总结 ，同时 提出下 一步工 作展望 。河南城建 学院本科毕业设 计 （ 论文 ） 第二章 直流电源 系统模拟 与电源 技术社 http:/ 与电源 技术社

31、 区论坛 http:/ ，电力 操作直 流电源 由充电 模块、 调压、 微机监 控和蓄 电池组 等几部 分构成 ，现在 介绍各 部分的 功能及 其相关 技术 91011。2.1充电模块2.1.1充电模块发展现状充电 模块是 整个系 统中十 分重要 的组成 部分， 正常运 行时， 它向蓄 电池提 供浮充 电流， 同时向 控制、 信号、 保护、 自动装 置等常 规负荷 供电， 在蓄电 池放电后， 要向蓄 电池提 供主充 或均充 电能。 目前， 我国电 力使用 直流分 合闸电 源大部分采 用相控 、磁饱 和类电 源，但 是相控 电源存 在功率 因数、 纹波、 效率、 体积等方面 不足， 另外， 由于

32、充 电设备 与蓄电 池并联 运行， 若纹波 系数较 大，会 出现蓄电池 脉动充 电放电 ，影响 蓄电池 的使用 寿命。高频 开关电 力电源 系统与 可控硅 整流装 置的技 术指标 比较情 况 如表 2.1表 2.1高频开关 电力电源系统与 晶闸管相控电源 的技术性能比较 表技 术 指 标 内 容 高 频 开 关 电 力 电 源 系 统 晶 闸 管 相 控 电 源稳 压 精 度 0.5% 1%稳 流 精 度 0.5%0.5% 2%纹 波 系 数 05 2%效 率 90% 75%功 率 因 数 0.9 0.7动 态 响 应 200s 40m s可 靠 性 高 低噪 音 50dB 60dB开 机 浪

33、 涌 无 有系 统 结 构 模 块 化 结 构 传 统 柜 结 构系 统 通 讯 接 口 RS485 RS232 无微 机 监 控 智 能 电 池 管 理 “四 遥 ”功 能 无河南城建 学院本科毕业设 计 （ 论文 ） 第二章 直流电源 系统模拟 与电源 技术社 http:/ 与电源 技术社 区论坛 http:/ ，新建 、改造 的通信 电源已 全部采 用开关 电源， 电力系 统中， 开关电 源也在 逐步取 代相控 电源。2.1.2高频开关电源发达 国家新 建电厂 和变电 站已基 本采用 高频开 关电源 ，高频 开关电 源先将 输入的 工频交 流电经 整流滤 波后得 到直流 电压， 再通过

34、功率变 换器变 换成高 频脉冲电压 ，经高 频变压 器和整 流滤波 电路最 后转换 为稳定 的直流 输出电 压。因 其采用脉冲 宽度调 制 （ PWM） 电路 来控制 大功率 开关器 件 （ 功率 晶体管 、 MOS管 、 IGBT等） 的导通 和截止 时间， 故可以 得到很 高的稳 压和稳 流精度 及很短 的动态 响应时间 12。高 频开关 电源内 部还应 用了软 开关技 术和无 源功率 因数校 正（ PFC）技 术 ，所以 开机浪 涌基本 消除， 功率因 数大幅 提高， 是晶闸 管、磁 饱和类 直流电 源系统的更 新换代 产品。随着 电子元 器件、 新的变 换控制 技术和 新的控 制理论

35、在电源 系统中 的应用 ，电源 系统的 供电方 式经历 了集中 式供电 、分布 式供电 阶段。传统 的集中 式供电 系统的 固有缺 陷是 :单台 电源供 电，一 旦发生 故障则 可能导致系 统瘫痪 ，并导 致不可 估量的 损失。 因而在 八十年 代，随 着高频 电源技 术及新型功 率器件 的发展 ，分布 式电源 供电技 术成为 国际电 力电子 学的研 究热点 ，研究内容 包括 :高频 化电源 变换技 术、高 功率密 度封装 技术、 电源单 元并联 技术、 功率因数 校正技 术以及 电源模 块化和 电源系 统智能 化技术 等。所 谓分布 式电源 供电是相对 于集中 式供电 而言的 ，由相 对较小

36、 的模块 化电源 积木式 地组成 大功率 电源系统。 模块化 电源系 统完全 打破了 单个电 源在功 率上的 局限， 用户可 以象搭 积木一样根 据电源 的功率 需求进 行组合 ，当某 一模块 发生故 障，可 以热更 换此模 块，而其他 模块平 均分担 该故障 模块的 负载， 不影响 整个系 统的工 作，以 此提高 系统的安全 性，方 便维护 ，节省 投资。电源 系统模 块化的 设计方 法，可 大大提 高系统 的灵活 性，有 利于降 低电源 系统的 体积和 重量， 减轻各 电源模 块中功 率开关 器件的 电应力 。从系 统角度 来讲可实现 冗余设 计 ， 提高 系统可 靠性 。 所谓 冗余是

37、指 :设 N n台变 换器模 块并联 ， 其中N台用 以供给 负载所 需的电 流 ， n台为 后备 (或称 为冗余 )模块 ， 当正 在工作 的模块 出现故 障时后 备模块 投人运 行 ， 这样 正在工 作的 N台模 块中即 使有 n台同 时发生 故障 ，电源 系统也 仍然保 证提供 100%的负 载电流 。电源 系统可 由标准 化的模 块组合 而成， 于是电 源产品 的种类 可大大 减少， 便于规 范化， 带来的 好处是 :一方 面降低 不同容 量电源 的设计 成本和 重复投 资，另 一河南城建 学院本科毕业设 计（论文） 目录8方面 减少生 产和维 护费用 。因此 许多大 功率、 高可靠

38、度的电 源系统 采用了 模块化河南城建 学院本科毕业设 计 （ 论文 ） 第二章 直流电源 系统模拟 与电源 技术社 http:/ 与电源 技术社 区论坛 http:/ 系统。 在模 块化电 源系统 中，各 电源模 块并联 运行， 为保证 各模块 间电应 力和热 应力的 均匀合 理分配 ，以实 现电源 系统中 各模块 承受的 电流的 自动平 衡均流 ，以及当输 人电压 或负载 电流发 生变化 时，保 持各模 块输出 电压稳 定，并 有较好 的均流瞬态 响应特 性，需 引入有 效地负 载分配 控制策 略，如 采用并 联均流 技术。 2.1.3开关电源模块并联均流技术电源 模块间 实现均 流的方

39、法很多 ，而且 根据电 源系统 的性能 要求以 及电源 模块的 类型 (如 DC/DC模块 、 DC/AC模块 等 )的不 同 ， 均流 措施也 多种多 样 ， 一般 来讲常 规的均 流方法 有以下 几种 :输出 阻抗法 、平均 电流自 动均流 法、最 大电流 自动均流 法、热 应力均 流法、 主从均 流法、 外加均 流控制 器、均 流母线 法等等 。下面 对其中 几种较 有代表 性或较 为常用 的均流 方法作 简单介 绍。1、输 出阻抗 法此法 是通过 调节 DC/DC变换 器的输 出外特 性倾斜 度 (即输 出阻抗 )，以 达到并联模 块均流 的目的 。图 2.1表示 一个 DC/DC变换

40、 器的外 特性 (或称 为输出 特性 )示意图 。 V0 I0(f ) *R空载 时，模 块的输 出电压 为 Vomax 。 DC/DC变换 器的负 载电压 V0与负 载电流 I0 的关 系可用 下式 (2.l)表示 :0 0m ax 0=V V RI- (2.l)当电 流增量 为 I 时， 负载电 压增量 为 V，得 V/ I R， V/ I 代表DC/DC变换 器的输 出电压 调整率 。图 2.1DC/DC变换器外 特性两台 相同容 量 、 具有 相同参 数的 DC/DC变换 器模块 并联情 况 ， 如图 2.2所示 ，其外 特性方 程如式 (2.2) 、 (2.3)所示 。河南城建 学院

41、本科毕业设 计 （ 论文 ） 第二章 直流电源 系统模拟 与电源 技术社 http:/ 与电源 技术社 区论坛 http:/ 2.2两台并联 DC/DC变换器外 特性得到 式 (2.2)、 (2.3)，其 中 R1、 R2 分别 为模块 1和模 块 2的输 出阻抗 。01 0m ax 1 01=V V RI- (2.2)02 0m ax 2 02=V V RI - (2.3)模块 并联时 V01=V02=V0，于 是可得 式：00110m ax=V VI R - (2.4)00220m ax=V VI R - (2.5)比较 图 2.2中两 条外特 性曲线 可知， 模块 1外特 性斜率 小 (

42、即输 出阻抗 小 )， 分担的 电流比 外特性 斜率大 的模块 2多。 如果能 设法将 模块 1的外 特性斜 率 (即输 出阻抗 )调整 得接近 模块 2， 则可 使这两 个模块 的电流 分配接 近均匀 。 输出 负载均 流方法的 最大优 点是线 路简单 ，而且 均流时 各模块 间没有 均流母 线的连 接，各 模块均流独 立完成 。但是 ，这种 方法的 负载调 整率差 ，均流 精度低 ，以牺 牲外特 性换取各模 块之间 的均流 。在小 电流时 均流特 性较差 ，大电 流时均 流特性 较好但 模块间仍存 在较大 的均流 误差， 而且降 低了输 出电压 调整率 ，输出 电压上 升率不 同的模块间

43、使用这 种方法 则较难 均流。 改进的 下垂控 制法中 加入了 电流补 偿，模 块间均流特 性和电 压调整 率都得 到了改 善，但 是增加 了控制 部分的 复杂性 。2、自 动均流 法按电 流大小 自动均 流法包 括最大 电流法 和平均 电流法 。二者 的共同 特点是 均流过 程受闭 环控制 ，均流 性能较 好。(l)最大 电流法 自动均 流 主从 均流法 是指定 某一模 块为主 模块， 它的输 出电流 作为均 流命令 信号， 剩余模 块作为 从模块 ，其输 出电流 跟随主 模块电 流实现 均流。 这种方 法的缺 点是一旦主 模块故 障就会 使整个 系统瘫 痪，无 法实现 冗余。 为此， 有人

44、提 出了最 大电流自动 均流法 。这是 一种自 动设定 主模块 和从模 块的方 法，即 在 N个并 联的模 块中 ，河南城建 学院本科毕业设 计（论文） 目录10输出 电流最 大的模 块将自 动成为 主模块 ，而其 余的模 块则为 从模块 。最大 电流作河南城建 学院本科毕业设 计 （ 论文 ） 第二章 直流电源 系统模拟 与电源 技术社 http:/ 与电源 技术社 区论坛 http:/ 令电流 ， 各从 模块根 据自身 电流与 指令电 流之间 的差值 调节自 身的给 定电压 ，校正 负载电 流的分 配不均 匀 ， 实现 模块间 均流 。 这种 方法又 称为自 动主从 控制法 。由于 在 N

45、个模 块并联 的系统 中 ， 没有 事先设 定哪一 个模块 是主模 块 ， 而是 按电流 大小排 序，电 流大的 模块， 自动成 为主模 块，所 以这种 方法又 被称为 民主均 流法。这种 方法的 均流效 果较好 ， 支持 热插拔 (失效 模块不 会影响 整个系 统 )， 而且 有现成的均 流芯片 (UC3907、 UC3902等 )可供 使用， 是目前 一种较 好的均 流方法 。(2)平均 电流自 动均流 法 母线 式自动 平均电 流法在 1988年以 专利形 式提出 。所有 模块通 过一根 均流母线相 互连接 ，每个 子模块 从母线 上获得 自身的 电流参 考信号 ，通过 控制环 的调节实

46、现 均流。 由于每 个模块 都只与 均流母 线发生 联系， 模块能 够在线 热插拔 ，从而实现 系统的 增容和 在线维 修，这 种方法 不存在 主模块 ，所以 各模块 的均流 情况相同， 都比较 好。2.2调压模块电力 操作电 源的额 定输出 电压一 般选为 110伏或 220伏， 如果考 虑蓄电 池维护均充 电运行 的需要 ，输出 电压最 高则可 达到额 定输出 电压的 110%，因 此电力 操作电源 的输出 电压较 高，如 对 220伏系 统，最 高输出 电压可 达到 242伏， 在现有 直流电源 系统中 ，与合 闸等冲 击性负 载相连 的母线 为合闸 母线， 与保护 和控制 类负载相连

47、的母线 为控制 母线， 又因为 蓄电池 的端电 压变化 范围很 大，所 以在电 力系统中， 合闸母 线直接 接在蓄 电池的 输出端 ，控制 母线通 过调压 装置间 接与蓄 电池相连接 ，以获 得比较 稳定的 工作电 压。 2.2.1硅链调压传统 的调压 装置是 硅链， 其原理 是在合 闸母线 上串入 硅堆， 利用硅 堆压降 降低输 出电压 。这种 调压方 法简单 、可靠 ，但是 有输出 电压不 能连续 调节 (调节 电压的最 小分辨 率为一 节硅堆 的压降 )和效 率低的 缺点。 开关电 源技术 日益成 熟，调 压模块 可以考 虑用 DC/DC变换 器实现 输出电 压的无 级调节 并得到 较高的 效率 。 同时 ，由于 蓄电池 端压变 化范围 较宽， 最高端 压和最 低端压 分别高 于或低 于所需 控制母线电 压 (如 220伏 )。因 此希望 调压装 置能够 升降压 变换， 还保持 较高的 效率， 所以使用 具有升 降压特 点的 DC/DC变换 电路作 为调压 模块是 十分必 要的。河南城建 学院本科毕