混合微网互联变流器辅助电源设计与实现
黄建明 薛慧杰 田启川
关键词： 交流微网; 直流微网; 混合微网; 辅助电源; 互联变流器; 无缝切换
中图分类号： TN86?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号： 1004?373X（2019）04?0057?04
Design and implementation of auxiliary power supply for interconnection
converters in hybrid microgrid
HUANG Jianming， XUE Huijie， TIAN Qichuan
（School of Electrical and Information Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China）
Abstract： The interconnection converter in the microgrid is the interface of the AC/DC hybrid microgrid， and its operation mode requires that the auxiliary power supply can realize dual sub?network power supply and seamless switching. The conventional auxiliary power supply cannot meet this requirement. Therefore， a topology and seamless handoff strategy for auxiliary power supply of the interconnection converter is proposed for the hybrid microgrid with dual sub?network power supply. The front and back stage transformation architecture is adopted for the auxiliary power supply. The seamless switching between the DC microgrid and AC microgrid is realized by means of mutual power supply of the front?stage dual power supplies and the automatic startup of the control loop. The design scheme was implemented， and the experimental verification was conducted. The experimental results show that the designed auxiliary power supply can meet the requirements of interconnection converters in the hybrid microgrid.
Keywords： AC microgrid; DC microgrid; hybrid microgrid; auxiliary power supply; interconnection converter; seamless switching0 ?引 ?言
大量可再生能源的并网运行会影响传统电网的稳定性。微网是解决可再生能源大规模接入电网的一种有效途径[1]。交直流混合微网在微网中同时存在交流和直流两个子网，它可以提高直流微网的用电效率，同时兼容交流负荷和交流大电网，因而具有广阔的应用前景。混合微网的两个子网可以通过具有双向能量传输能力的电力电子变流器互联，从而提高整个微网的可靠性[2?3]。互联变流器需要在只有单个子网供电的情况下启动，所以其辅助电源应具有双子网供电启动能力。变流器工作时，如果正在供电的子网发生故障，辅助电源应无缝切换到另一个子网，切换过程中输出电压应维持在正常范围，从而使得控制电路可以控制互联变流器对所发生的故障做出快速响应。
常规的辅助电源是单一电源供电方式，无法满足混合微网互联变流器的需要。文献[4]提出一种双源供电的方式，但其切换时间过长，不能满足交直流混合微网互联变流器辅助电源的要求。为了解决这些问题，本文设计一种适用于交直流混合微网互联变流器的辅助电源系统。1 ?互联变流器辅助电源系统架构
辅助电源系统需要为互联变流器提供模拟电源、数字电源和驱动电源。这些电源可以分别直接从微网电压获得，也可先将微网电压通过一个前级变换器变为较低的隔离电压，然后再从该电压变换到所需的各路电源。与前者相比，后一个方案具有成本低、控制方便等优点，因此，本文采用第二个方案，其具体架构如图1所示。
图1中，交流微网电压和直流微网电压经前级隔离变换器后，产生24 V，10 V电压。其中24 V电压经过模拟电源隔离DC/DC、线性电源给信号检测与硬件保护等模拟电路提供多路Vcc。还经6个独立的驱动电源隔离DC/DC为驱动芯片提供Vcc。互联变流器的IGBT数目多，且需提供隔离驱动，因此需要多路驱动电源。通过相应的PWM策略使IGBT得到所需电压[5]。10 V电压经线性电源变换输出DSP，CPLD等数字电路所需的多路Vdd。2 ?前级变换器设计
2.1 ?双网供电无缝切换原理
整个电源系统的双微网供电级和无缝切换由前级隔离变换器实现，本文提出的前级变换器的电路框图如图2所示。
图中交流微网电压整流后输入1#隔离DC/DC变换器，直流微网电压输入2#隔离DC/DC变换器，每个隔离DC/DC的变压器附加一个辅助绕组为另一个隔离DC/DC的控制电路提供Vcc。两个变流器的输出直接并联作为前级变换器的总输出。
DC/DC变换器的副边控制电路如图3所示。图中TL431输出2.5 V基准电压，通过R1和R2可将变流器输出电压Uo设为：
[Uo=2.5×R1+R2R2] ? ? ? ? ? ? （1）
1# DC/DC的輸出电压设为24.1 V，2# DC/DC的输出电压设为23.9 V。如果交直流子网电压都正常，输出电压达到23.9 V之后，2#变换器将自动停止工作，1#变换器将持续工作使得输出电压达到24.1 V。而如果交流子网发生故障，输出电压下降并低于23.9 V之后，2# DC/DC变换器将开始工作，把电压维持在23.9 V。由于其Vcc始终有效，不需要重新启动，所以可以实现无缝切换。
2.2 ?前级DC/DC电路
前级DC/DC变换器的主电路采用反激电路，主电路和主要波形如图4所示，变换器工作于DCM模式[6]。
图4中：Q1导通时，绕组N1充电，能量储存于变压器磁芯中;Q1关断后，磁芯中储存的能量通过二极管D1，D2分别释放到输出电容C1，C2上。变压器T1的磁芯为ER26铁氧体，原边线圈匝数N1和电感量L由式（2）～式（4）确定。
[N1AeBm≥Lim] （2）
[Li2mfsη≥2Po] （3）
[UdcminDmax>fsLim] （4）
式中：Ae= 81.4 mm2，是磁芯有效截面积;Bm是铁氧体最大工作磁密，根据铁氧体的饱和磁密和温度、电流瞬态、剩磁等因素[7?8]，取Bm=300 mT;L是原边电感量;im是原边电流峰值;fs为开关频率;输出功率Po= 60 W;效率η取80%。满足式（2）可保证磁芯不饱和，满足式（3）～式（4）可保证在最低母线电压下能满功率输出。显然，式（2）～式（4）存在无穷多解。实际设计时可通过迭代求解得到合理的设计结果。本文设计结果为L=500 μH，N1=60，fs=75 kHz。变压器工作时磁芯的最大磁密是205 mT，满足饱和磁密的限制。
前级DC/DC变换器由TL431和UCC28C45实现原边峰值电流模式控制[9?10]。TL431位于副边，实现输出电压的检测、误差比较和补偿调节;UCC28C45位于原边，实现TL431输出的误差补偿调节电压到PWM信号的转换;二者通过光耦PC817实现原副边电气隔离信号连接。3 ?后级变换器设计
后级变换器以前级变换器输出的24 V和10 V作为输入电压。其中24 V是驱动电源和模拟电路Vcc的输入，10 V是数字电路Vdd的输入。
3.1 24 V后级变换器
24 V后级变换器需要为电压检测传感器和信号处理电路提供±15 V和5 V电压。本文采用双输出反激变换器实现±15 V输出，然后经过LM7805产生5 V。双输出反激变换器的设计与第2.2节前级DC/DC变换器设计类似。变压器磁芯采用EFD15铁氧体，原边绕组为56匝，副边绕组为双线并绕24匝。24 V后级变换器还要为交直流侧的IGBT驱动电路提供15.8 V和-8.2 V电压。其中负电压用于提供IGBT关断时的门级反压，以提高IGBT的干扰抑制能力，避免误导通[11?12]。如图5所示，首先通过反激变换器在C1两端生成隔离24 V，再由电阻R1和8.2 V稳压管ZD1生成15.8 V和-8.2 V。这样只用一个绕组就生成了两路电源，从而减少了绕组数，简化了变压器结构。
3.2 ?10 V后级变换器
10 V后级变换器把前级变换器输出的10 V变换成数字电路的Vdd。系统中的数字电路包括DSP，CPLD和外围逻辑电路。需要的Vdd有5 V，3.3 V和1.8 V。输入电压经LM7805产生5 V电压，再经过线性电压调节芯片TPS767D301生成其他两路电压。如图6所示TPS767D301可同时输出3.3 V固定电压和一路可调电压。可调电压值由电阻R1和R2通过式（5）设定。
[Uo=1.183 41+R1R2] ? ? ? ? ? ? ?（5）4 ?原理样机和实验结果
基于上述方案，实现了所设计的交直流混合微网互联变流器辅助电源系统，并进行了实验验证。图7a）、图7b）分别为前级24 V变换器和后级驱动电源实物照片。
图8为双微网供电情况下，交流微网发生故障时前级24 V的输出波形。由图可见，在交流微网故障时，由于辅助电源自动切换到直流微网供电，输出电压保持在正常范围，实现了无缝切换。5 ?结 ?语
本文根据交直流混合微网互联变流器的供电特点和运行要求，提出双子网供电无缝切换策略，采用两级架构设计并实现了其电源管理系统。最后组装了样机进行实验验证，实验结果证明，所设计辅助电源系统可以实现双网供电和无缝切换，满足交直流混合微网互联变流器对辅助电源的要求。
注：本文通讯作者为薛慧杰。
参考文献
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[3] 袁泉，金新民，曾国宏.具备多组电池接入功能的储能双向变流器系统[J].电源技术，2013，37（8）：1439?1441.
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[5] 张宇翔，张晓荣，张海超，等.一种非对称三电平逆变器SVPWM调制方法[J].现代电子技术，2017，40（6）：159?163.
ZHANG Yuxiang， ZHANG Xiaorong， ZHANG Haichao， et al. A SVPWM method of asymmetric three?level inverter [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（6）： 159?163.
[6] 孙玉巍，石新春，黄天富，等.基于双频率DCM控制的交错反激光伏并网微逆变器[J].现代电力，2013，30（4）：44?49.
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[8] 陈诚海，徐鑫，马占华，等.高饱和磁通密度NiZn铁氧体材料TN35B[J].磁性元件与电源，2017（1）：119?121.
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[9] 王均，杜建华，纪婧，等.峰值电流模式控制数字移相全桥变换器的分析与设计[J].电源学报，2015，13（2）：71?76.
WANG Jun， DU Jianhua， JI Jing， et al. Analysis and design of digital peak?current?control scheme in phase?shift full?bridge converter [J]. Journal of power supply， 2015， 13（2）： 71?76.
[10] 刘松斌，高建海.基于峰值电流模式的同步Buck变换器的数字控制[J].现代电子技术，2015，38（9）：121?124.
LIU Songbin， GAO Jianhai. Digital control of synchronous buck converter based on peak current?mode [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（9）： 121?124.
[11] 钟再敏，徐旭.车用IGBT模块及其驱动电路双脉冲实验[J].电力电子技术，2017，51（2）：103?106.
ZHONG Zaimin， XU Xu. Double?pulse experiment for automotive IGBT module and its driving circuit [J]. Power electronics， 2017， 51（2）： 103?106.
[12] 刘国友，高云斌，陈喜明，等.SiC IGBT正向导通特性研究[J].电力电子技术，2017，51（8）：42?43.
LIU Guoyou， GAO Yunbin， CHEN Ximing， et al. Research on SiC IGBT on?state characteristics simulation [J]. Power electronics， 2017， 51（8）： 42?43.
关键词： 交流微网; 直流微网; 混合微网; 辅助电源; 互联变流器; 无缝切换
中图分类号： TN86?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号： 1004?373X（2019）04?0057?04
Design and implementation of auxiliary power supply for interconnection
converters in hybrid microgrid
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Abstract： The interconnection converter in the microgrid is the interface of the AC/DC hybrid microgrid， and its operation mode requires that the auxiliary power supply can realize dual sub?network power supply and seamless switching. The conventional auxiliary power supply cannot meet this requirement. Therefore， a topology and seamless handoff strategy for auxiliary power supply of the interconnection converter is proposed for the hybrid microgrid with dual sub?network power supply. The front and back stage transformation architecture is adopted for the auxiliary power supply. The seamless switching between the DC microgrid and AC microgrid is realized by means of mutual power supply of the front?stage dual power supplies and the automatic startup of the control loop. The design scheme was implemented， and the experimental verification was conducted. The experimental results show that the designed auxiliary power supply can meet the requirements of interconnection converters in the hybrid microgrid.
Keywords： AC microgrid; DC microgrid; hybrid microgrid; auxiliary power supply; interconnection converter; seamless switching0 ?引 ?言
大量可再生能源的并网运行会影响传统电网的稳定性。微网是解决可再生能源大规模接入电网的一种有效途径[1]。交直流混合微网在微网中同时存在交流和直流两个子网，它可以提高直流微网的用电效率，同时兼容交流负荷和交流大电网，因而具有广阔的应用前景。混合微网的两个子网可以通过具有双向能量传输能力的电力电子变流器互联，从而提高整个微网的可靠性[2?3]。互联变流器需要在只有单个子网供电的情况下启动，所以其辅助电源应具有双子网供电启动能力。变流器工作时，如果正在供电的子网发生故障，辅助电源应无缝切换到另一个子网，切换过程中输出电压应维持在正常范围，从而使得控制电路可以控制互联变流器对所发生的故障做出快速响应。
常规的辅助电源是单一电源供电方式，无法满足混合微网互联变流器的需要。文献[4]提出一种双源供电的方式，但其切换时间过长，不能满足交直流混合微网互联变流器辅助电源的要求。为了解决这些问题，本文设计一种适用于交直流混合微网互联变流器的辅助电源系统。1 ?互联变流器辅助电源系统架构
辅助电源系统需要为互联变流器提供模拟电源、数字电源和驱动电源。这些电源可以分别直接从微网电压获得，也可先将微网电压通过一个前级变换器变为较低的隔离电压，然后再从该电压变换到所需的各路电源。与前者相比，后一个方案具有成本低、控制方便等优点，因此，本文采用第二个方案，其具体架构如图1所示。
图1中，交流微网电压和直流微网电压经前级隔离变换器后，产生24 V，10 V电压。其中24 V电压经过模拟电源隔离DC/DC、线性电源给信号检测与硬件保护等模拟电路提供多路Vcc。还经6个独立的驱动电源隔离DC/DC为驱动芯片提供Vcc。互联变流器的IGBT数目多，且需提供隔离驱动，因此需要多路驱动电源。通过相应的PWM策略使IGBT得到所需电压[5]。10 V电压经线性电源变换输出DSP，CPLD等数字电路所需的多路Vdd。2 ?前级变换器设计2.1 ?双网供电无缝切换原理
整个电源系统的双微网供电级和无缝切换由前级隔离变换器实现，本文提出的前级变换器的电路框图如图2所示。
图中交流微网电压整流后输入1#隔离DC/DC变换器，直流微网电压输入2#隔离DC/DC变换器，每个隔离DC/DC的变压器附加一个辅助绕组为另一个隔离DC/DC的控制电路提供Vcc。两个变流器的输出直接并联作为前级变换器的总输出。DC/DC变换器的副边控制电路如图3所示。图中TL431输出2.5 V基准电压，通过R1和R2可将变流器输出电压Uo设为：
[Uo=2.5×R1+R2R2] ? ? ? ? ? ? （1）
1# DC/DC的輸出电压设为24.1 V，2# DC/DC的输出电压设为23.9 V。如果交直流子网电压都正常，输出电压达到23.9 V之后，2#变换器将自动停止工作，1#变换器将持续工作使得输出电压达到24.1 V。而如果交流子网发生故障，输出电压下降并低于23.9 V之后，2# DC/DC变换器将开始工作，把电压维持在23.9 V。由于其Vcc始终有效，不需要重新启动，所以可以实现无缝切换。
2.2 ?前级DC/DC电路前级DC/DC变换器的主电路采用反激电路，主电路和主要波形如图4所示，变换器工作于DCM模式[6]。
图4中：Q1导通时，绕组N1充电，能量储存于变压器磁芯中;Q1关断后，磁芯中储存的能量通过二极管D1，D2分别释放到输出电容C1，C2上。变压器T1的磁芯为ER26铁氧体，原边线圈匝数N1和电感量L由式（2）～式（4）确定。[N1AeBm≥Lim] （2）
[Li2mfsη≥2Po] （3）
[UdcminDmax>fsLim] （4）
式中：Ae= 81.4 mm2，是磁芯有效截面积;Bm是铁氧体最大工作磁密，根据铁氧体的饱和磁密和温度、电流瞬态、剩磁等因素[7?8]，取Bm=300 mT;L是原边电感量;im是原边电流峰值;fs为开关频率;输出功率Po= 60 W;效率η取80%。满足式（2）可保证磁芯不饱和，满足式（3）～式（4）可保证在最低母线电压下能满功率输出。显然，式（2）～式（4）存在无穷多解。实际设计时可通过迭代求解得到合理的设计结果。本文设计结果为L=500 μH，N1=60，fs=75 kHz。变压器工作时磁芯的最大磁密是205 mT，满足饱和磁密的限制。
前级DC/DC变换器由TL431和UCC28C45实现原边峰值电流模式控制[9?10]。TL431位于副边，实现输出电压的检测、误差比较和补偿调节;UCC28C45位于原边，实现TL431输出的误差补偿调节电压到PWM信号的转换;二者通过光耦PC817实现原副边电气隔离信号连接。3 ?后级变换器设计
后级变换器以前级变换器输出的24 V和10 V作为输入电压。其中24 V是驱动电源和模拟电路Vcc的输入，10 V是数字电路Vdd的输入。
3.1 24 V后级变换器
24 V后级变换器需要为电压检测传感器和信号处理电路提供±15 V和5 V电压。本文采用双输出反激变换器实现±15 V输出，然后经过LM7805产生5 V。双输出反激变换器的设计与第2.2节前级DC/DC变换器设计类似。变压器磁芯采用EFD15铁氧体，原边绕组为56匝，副边绕组为双线并绕24匝。24 V后级变换器还要为交直流侧的IGBT驱动电路提供15.8 V和-8.2 V电压。其中负电压用于提供IGBT关断时的门级反压，以提高IGBT的干扰抑制能力，避免误导通[11?12]。如图5所示，首先通过反激变换器在C1两端生成隔离24 V，再由电阻R1和8.2 V稳压管ZD1生成15.8 V和-8.2 V。这样只用一个绕组就生成了两路电源，从而减少了绕组数，简化了变压器结构。
3.2 ?10 V后级变换器10 V后级变换器把前级变换器输出的10 V变换成数字电路的Vdd。系统中的数字电路包括DSP，CPLD和外围逻辑电路。需要的Vdd有5 V，3.3 V和1.8 V。输入电压经LM7805产生5 V电压，再经过线性电压调节芯片TPS767D301生成其他两路电压。如图6所示TPS767D301可同时输出3.3 V固定电压和一路可调电压。可调电压值由电阻R1和R2通过式（5）设定。
[Uo=1.183 41+R1R2] ? ? ? ? ? ? ?（5）4 ?原理样机和实验结果
基于上述方案，实现了所设计的交直流混合微网互联变流器辅助电源系统，并进行了实验验证。图7a）、图7b）分别为前级24 V变换器和后级驱动电源实物照片。
图8为双微网供电情况下，交流微网发生故障时前级24 V的输出波形。由图可见，在交流微网故障时，由于辅助电源自动切换到直流微网供电，输出电压保持在正常范围，实现了无缝切换。5 ?结 ?语本文根据交直流混合微网互联变流器的供电特点和运行要求，提出双子网供电无缝切换策略，采用两级架构设计并实现了其电源管理系统。最后组装了样机进行实验验证，实验结果证明，所设计辅助电源系统可以实现双网供电和无缝切换，满足交直流混合微网互联变流器对辅助电源的要求。
注：本文通讯作者为薛慧杰。
参考文献
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