关键词：输电能力；无功功率优化；稳定性与控制；保护与控制
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.139
0引言
特高压交流输电具有输送容量大、距离远、损耗低、占地省等显著优势，随着大容量输电需求的增加，发电技术和输电技术日新月异，作为资源节约型和环境友好型的先进输电技术，发展特高压也成为电力工业发展的必由之路。世界上很多国家的电网公司都进行了特高压工程和技术的研究，如美国的美国电力公司、美国邦纳维尔电力局、日本东京电力公司、前苏联、意大利和巴西等国的电力公司分别建设了开展了特高压工程、技术和设备方面的研究[1]。中国能源资源和负荷需求的逆向分布及能源结构的战略性调整，决定了中国未来的输电网架结构必须在送、受端系统以及1000-3000km的输电系统上有根本性的突破[2]。国家电网正在推进“一特四大”发展战略建设由特高压交流系统和直流构成的大规模特高压电网，以期解决电源与负荷中心之间大规模、远距离、大容量的电力输送难题，实现资源优化配置[3]。特高压电网结构复杂，加之特高压工程建设和电源核准中存在的不确定性，一些薄弱环节将会给复杂电网的稳定分析、控制和运行带来了一系列挑战。
本文概述了特高压交流系统运行控制关键技术，在特高压交流系统功率控制、特高压交流系统稳定性与控制等方面，对特高压电网输电能力、无功功率优化与控制、稳定性与控制、特高压交流系统保护与控制进行了分析总结，提出了需要进一步研究和解决的技术问题，为后续特高压电网规划、调度、运行和控制提供参考。
1特高压交流系统功率控制研究
特高压工程的投运以及大规模间歇性可再生能源的接入使原有电网的结构更加复杂化，对各区域电网负荷带来波动，可能造成整个电网系统暂态或稳态平衡被打破，各区域电网发电机结构各有不同，机组的调节能力各异，极易出现潮流的协调控制出现一定的困难，加之输电线路运行越来越接近其安全稳定运行的极限。因此，从输电能力、无功优化与控制等方面研究特高压电网的功率控制与优化，对电力系统安全、稳定、经济、高效运行有着重要的意义。
1.1特高压交流电网输电能力与控制的研究
特高压交流输电技术可以提电网的高安全性以及经济性，其输送能力和输送通道的输送效率一直备受关注。其输送能力也受热稳定、电压稳定、功率稳定的限制。特高压交流输电系统的输电能力是指在保持经济合理和系统稳定性的情况下，一定距离的输电线路所具有的最大输送功率。特高压的输电能力受多种因素的影响，文献[4]分析高压并联电抗、发电机-变压器高压侧电压调节、1000kV升降压变压器的短路比、中间开关站加SVC和串联电容补偿等各电气量对1000kV输电系统输电能力影响，研究了能进一步提高1000kV输电系统远距离输电能力的技术。文献[5]研究了省际电网输电极限问题，给出了考虑特高压接入后稳定性的输电能力分析方法与流程，并对电网的稳定性进行了校验。文献[6]结合电网新技术、新材料、新方法阐述了影响电网输电能力的因素，从改变电网网架结构、电气特性和加装稳控装置等方面提出了对特高压电网具有适用性的输电网络方案和提高电网输送能力的方法。关于输电能力的问题，已经得到了国内外学者较高程度的的研究与关注，随着新型电力电子器件的发展与应用，利用补偿装置间的协调配合来提特高压电网的输送自然功率的技术有待进一步研究。随着电力市场的开放，从经济角度对提高特高压输电能力以及接收新能源的能力有待进一步研究。
1.2特高压交流电网无功优化与控制的研究
随着输电系统电压等级的升高和输电距离的增加，输电系统的无功特性发生了根本变化。在特高压交流输电系统中，合理配置电抗器和低压无功补偿设备维持特高压交流输电系统的电压水平，通过系统无功电压控制实现电力系统安全经济运行具有重要意义。特高压输电线路的无功损耗随电能输送有很大的有功变动，同时电容效应产生很大的充电功率，特高压输电线路给变电站无功补偿、电压控制带来困难。
针对特高压交流输电线路电容效应给无功补偿和电压控制带来的问题，文献[7]通过控制线路电压不越限的方法研究了变电站的无功控制方式及补偿容量，文献[8]提出了一种基于经济压差的特高压电网无功补偿运行与控制方法。文献[9]提出了一种改进的采用65%的固定高压电抗器加30%的可调节高压电抗器的特高压输电系统的无功补偿改进方法，提高了特高压输电系统的输电能力和电压稳定性。文献[10]分析了无功补偿设备投切策略、稳态过电压措施、应用可控高抗调压等电压控制需要考虑的技术问题，提出了高抗和低压无功补偿配置原则及方法，并结合实际系统进行了仿真验证。针对特高压接入系统使系统的稳定控制更加复杂，对电力系统的无功优化要求越来越高，寻求最佳的无功补偿方法称为亟待解决的重要问题。在以后的研究中，应更加侧重于无功补偿控制策略方面的研究，提高无功补偿装置的响应速度，增强无功补偿的有效性。
2特高压交流系统的稳定性研究
随着电力系统的发展和区域性负荷的增长，远距离大容量输电日益普遍，随之而来的电力系统稳定性和可靠性问题越来越突出。国内外对电力系统稳定性问题做了大量研究，甚至在某些方面实现了在线安全稳定评估及决策分析，同时能对电网中存在的潜在问题提出安全性措施，有效指导了电力系统的调度决策和安全稳定运行。虽然解决了很多技术上的难题，但是随着特高压电网的接入、电力电子器件以及新的控制技术的应用，仍有大量的工作要做，必须要考虑特高压接入后各种控制措施良好配合等方面的研究。
特高压交流系统的功角、频率、电压稳定性研究：
电力系统功角稳定电力系统中同步发电机保持同步运行的能力，可以细分为静态稳定、小干扰动态稳定、暂态稳定、大干扰动态稳定。随着电能需求的增加和电力系统的规模扩大，电力系统的稳定问题越来越突出，在典型故障下面临暂态功角失稳的风险。文献[11]针对暂态功角失稳风险问题提出了基于典型故障集的电力系统暂态功角稳定近似判别方法，设计了风险评估流程并且为提高电力系统暂态稳定性提出了新的研究思路。文献[12]提出了一种用于暂态功角稳定的切机控制策略计算方法。目前，所有研究都集中在交直流混合系统的功角稳定性与控制策略研究上，针对特高压交流电网的功角稳定性与控制策略仍需进一步研究。
频率稳定是指电力系统发生有功功率扰动后，系统频率能够保持或恢复到允许的范围内，不发生频率崩溃的能力[13]。基于两机系统模型及WAMS实测数据，，文献[14]提出了大受端电网频率安全稳定评估采用的模型和分析方法，总结了受端电网频率安全稳定分析中应注意的问题。基于目前频率稳定研究中存在的不足，文献[15]提出一种电力系统频率失稳风险评估方法，推导了计及旋转备用的频率动态特性，建立了考虑低频减载作用的频率稳定分析模型和考虑发电方式、网络拓扑和负荷水平的随机模型。国内外研究人员对功角稳定与电压稳定关注较多，其中某些领域已经实现在线分析控制，而电网频率动态特性及其控制一直是电力系统稳定研究中的一个薄弱环节，特高压交流系统中频率稳定性及控制策略有待深入研究。
电压稳定是指电力系统受到小的或大的扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围内，不发生电压失稳的能力[16]。电力系统越来越朝极限运行方式发展，其中电源竞价上网机制和网架结构薄弱等因素给系统电压稳定性带来巨大挑战，文献[17]阐述了电力系统电压稳定性的研究现状、理论和研究方法，分析了电压稳定的薄弱环节和薄弱区域，研究了防止系统电压失稳的控制策略和电力系统优化理论。由于大干扰电压失稳机理的理论和研究方法不完善以及电力系统暂态电压失稳与功角特性存在联系，如何快速准确判断电力系统暂态电压失稳是电力系统需要解决的一个难题，也有相关论文通过分析特高压联络线潮流和电压大幅波动的影响因素，总结了特高压系统无功和电压控制策略。
3特高压交流系统保护与控制
继电保护作为维护电力系统安全稳定运行的重要防线，在电力系统中时刻发挥着重要作用。与超高压输电线路相比，特高压输电线路参数发生较大变化，1000kV输电系统对保护的影响主要是由分布电容引起的，因此对特高压交流输电线路的保护提出了更高的要求。
文献[18]介绍了在1000kV输电线路保护中所关注的一些重要问题，重点分析了特高压系统暂态过程及特高压保护中的关键技术问题。文献[19]根据特高压系统结构和运行特点，结合我国继电保护发展的具体情况，提出我国特高压系统保护的配置方案。文献[20]充分考虑特高压电网的特点，给出了特高压线路分布参数模型，介绍了近年来我国特高压线路保护的研究成果以及国内特高压主设备保护方面的进展。随着电力电子技术的发展以及新型电子式互感器的研究及应用，特高压系统保护技术的研究有待进一步发展。
4总结与展望
随着特高压输电线路工程建设及投运，特高压电网已成为现代电网的重要组成部分，并对电网的安全稳定运行带来挑战。本文概述了特高压交流系统运行控制关键技术，在特高压交流系统功率控制、特高压交流系统稳定性与控制等方面，对特高压电网输电能力、无功功率优化与控制、稳定性与控制高压交流系统保护与控制进行了分析总结，提出了需要进一步研究和解决的技术问题，为后续特高压电网规划、调度、运行和控制提供参考。
为了提高电网输送能力、新能源并网和消纳能力，提高电网运行的安全性、稳定性和经济性，在特高压电网建设、运行和控制上需进一步深入研究。
（1）规划中的特高压直流直流输电和多端直流输电相关技术需要特高压交流电网提供坚强的网架支撑，含交、直流特高压的复杂电网的动态特性，运行方式，稳定性分析、预测及控制策略等方面需进一步研究。
（2）针对特高压交直流互联电网交直流互济过程中的动态无功优化与无功配置问题需进行深入研究，并提出合理的控制策略和手段。
（3）大规模交直流互联给系统特性带来深刻变化，对电力系统的仿真提出了更高的要求。利用全新的仿真技术，建立特高压交直流互联系统机电-电磁暂态仿真平台，准确把握交直流互联系统机理以及特性，跟踪特高压交、直流工程建设进度以及新的设备和技术的应用，提高建模精度、扩大仿真规模、提高仿真效率需进一步研究。
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【关键词】STM32；DC/DC；PWM控制器；闭环控制
一、系统方案设计
本系统主要由2块DC/DC开关电源模块和单片机测控模块两部分构成。其中，DC/DC模块输入为24V直流电压，输出为8V直流电压信号。采用了Buck降压电路结构。测控模块采集电压和电流量，经过计算之后，使用STM32F103产生调整信号。保证电压和电流按照一定比例输出。每一个模块都是双环控制系统，分别为电压控制和电流控制，电压环为内环，电流环为外环，两个环路的信号共同通过SG3525进行脉宽调制，将输出的信号反馈回输入端，形成闭环控制系统。如图1所示：
均流电路：实际应用中，往往由于一台直流电源的输出参数不能满足要求，需要采用模块式电源，按照并联、串联方式，实现输出电压、输出电流、输出功率的扩展。在设计中使用了电源并联技术，但是简单的并联不能保证整个扩展后的系统稳定可靠的工作，电源模块存在“均流”问题。解决的方法对整个系统的稳定性、可靠性都有很大影响。本设计使用强迫均流法，该方法通过监控模块实现均流，实现方式主要有软件控制和硬件控制两种。其中软件方式比较容易实现，均流精度高。软件方式是通过软件计算，比较模块电流与系统平均电流，然后调整模块电压，使其电流与平均电流关系固定。
Buck变换器电路：采用SG3525作为Buck型拓扑的PWM控制芯片。SG3525是高性能固定频率电流模式控制器，专为离线和直流变换器应用而设计，只需最少外部元件就能获得成本效益高的方案，能进行精确的占空比控制。
二、电路分析与实现
1.DC/DC变压器稳压原理分析
系统共有两个DC/DC电源模块，输入是24V直流电压，调整负载电阻时要保证负载上的输出电压不变，即保证在8V。电路里使用了电压反馈和电流反馈，使整个系统形成稳定的闭环，如图2所示。
调整负载电阻的时候，根据欧姆定律，电路电流发生了变化（取自B点），为保证输出的电压稳定在8V，就需要采用单片机测控电路配合调节。单片机产生的PWM信号经LM331进行频率—电压转换后，电压信号与B路输入形成互补。为保证反馈的电压不变，只需调整SG3525PWM控制器输出固定脉冲占空比，使B端电压和PWM输出的电压保持平衡状态。
2.电流电压检测
如图3中所示，从DC/DC模块中电源的输出端取8V输出分压后的A（电压）、B（电流）信号，分别接到单片机STM32F103的两路AD通道上进行测量。另外一个电源模块也用同样的方法，测量其电流的输出。
3.均流方法分析
本系统采用强迫均流法，强迫均流法是通过监控模块实现均流，实现方法主要有软件控制和硬件控制两种。这里采用软件控制。
软件控制是通过软件计算，比较模块电流和系统平均电流，然后再调整模块的电压，使其电流与平均电流相等，这种方法易于实现，均流精度高。
实现的公式：设总电流I0；分电流：I1，I2；I0=I1+I2；I1=I0；I2=I1—I0；
使用测控模块输出的电压调整其中一个电源模块的电流为I0，那么另一个模块的电流自动变为I0，实现均流。
4.过流保护分析
本设计中电路保护功能的实现由两部分构成。其中一部分使用软件保护，一部分使用硬件保护。
软件保护部分使用测控模块检测电压信号，当发生短路故障，电压变为0，使用PWM转换后输出较小电压，然后循环检测，直到检测到电压不为0，说明短路故障已经修复，重新调整电源模块电流恢复原来的状态。如此可以实现短路故障的自动恢复功能。硬件保护部分使用了可控硅。如图4所示，当检测到E端有较高电压信号时，既满足控制级有足够的正向电压和电流的条件，同时也满足阳极电位高于阴极电位的条件，此状态使得Q5截止，Q6导通，在F端有电压输出。把F端电压加载到SG3525的软启动引脚。使得PWM输出关闭，调整反馈回路的电压。
图4硬件保护模块
5.测控电路
该部分电路使用了STM32自带的3个通道的AD转换器，分别采集2个开关电源输出的电压和电流信号，该信号在CPU中处理后，得到调整结果，经过内部的PWM模块产生占空比可调的方波脉冲，该脉冲经过LM331模块进行频率和电压的转换，然后供给电源模块，和原来的模拟量电流输出进行平衡，以保证SG3525的输出稳定。
三、总结
采用Buck降压变换器为核心的并联开关电源供电系统，可以在负载不同时，通过设定自动控制两路开关电源按照任意电流比例输出。通过测试结果表明，该系统输出稳定，纹波小，精度高，有一定的应用意义。
【参考文献】
[1]张占松，蔡宣三.开关电源原理设计[M].北京电子工业出版社，1999.
[2]刘胜利.现代高频开关电源使用技术[M].北京电子工业出版社，2001.
【关键词】MSP430F149单片机；A/D转换；开关管
一、系统设计方案
1.总体方案设计
电子负载系统采用MSP430F149单片机、LCD液晶显示、键盘操作、PWM移相控制、功率管电路、A/D转换结合的技术方案；集控制、检变、显示等功能于一体的设计方法。总方案设计框图如图1所示。
2.电流源方案比较
方案一：根据传统线性恒流源的原理，以集成纹样芯片（LM337）与数字电位器构成电源的主体部分，通过单片机改变数字电位器的阻值，以及实现对恒流源输出值的调整，并使用LCD12864显示其数值，其原理方框图如图2所示。由于流过的电流较大，需要并串多个数字电位器才能满足输出的电流要求，且系统的开环控制稳定性较差，精度较低。
方案二：根据开关电源的原理，经AC/DC变换过程来实现可调稳流的功能，主电路由整流滤波电路、斩波电路和恒流电路构成。其工作过程如下：市电经变压器降压后，通过整流桥，电容器滤波，变成平稳的直流电，该方案可靠性高，编程容易。电源设计框图如图3所示。比较两种方案，最终选择方案二。
3.采样方案
方案一：采用外置A/D转换器，如10位A/D转换器TLC1549系列对功率器件两端电压取样，并进行转换、控制、存储和显示。TLC1549采用CMOS工艺。内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且在设计时使在满刻度时总误差也不高，因此广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。
方案二：采用TI公司提供的高性能单片机内部的12位高速A/D转换器，最多能同时对8个模拟量采样，MPS430系列产品内部A/D转换器件性能优良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、电路简单，接口简便，实用价值高，与对应的MSP核心控制模块协同控制，分辨率较高，采样精确方便。
采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，从功率电路采集实际工作电压和电流，反馈到MSP430单片机，由单片机根据采样电压自动循环调节功率器件上的电流达到平衡点稳定下来，最后通过液晶屏显示出来。本设计需要测出电压值、电流值，对设定值的精确度要求更高，故选择方案二。
二、方案理论分析与计算
1.电子负载及恒流电路分析
电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。电子负载的原理是控制内功率MOSFET或晶体管的导通量（占空比），靠功率管的耗散功率消耗电能的设备，它能够准确检测出负载电压，精确调整负载电流，同时可以实现模拟负载短路，模拟负载是感性阻性和容性，容性负载电流上升时间。它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻、恒功率这几种，本设计采用恒流工作方式。图4为简易直流电子负载原理示意图。
2.电压、电流测量及精度分析
系统要求输出电流为100mA-1000mA，设置分辨率为100mA，设置精度为±1%，我们采用单片机内部12位转换精度的A/D转换器，其量化精度能达到1/4096〈1/2000，完全能达到设计的精度要求。
3.直流稳压电源组成原理
市电经过变压器降压后，通过整流桥，电容滤波，变成平稳的直流电，完成AC/DC的变换，预设的电流值与采样的电流值进行比较后，调整PWM调制脉冲的占空比改变开关管的导通时间以达到预设电流值的目的。
4.电源负载调整率测试原理
直流稳压电源负载调整率是指电源输出电流从零至额定值变化时引起的输出电压变化率。稳压电源及负载调整率测试示意图如图5所示。
三、硬件电路设计
1.显示模块
本设计中要测量实际的电压电流值，采用LCD12864液晶可以显示电压、电流等汉字，一目了然，而且液晶的功耗低、无辐射危害，与单片机连线较简单。MSP430F149单片机与LCD12864的接线如图6所示。
2.按键模块
在系统中需要通过键盘输入设定值，电流单位是mA，通过控制系统采样处理后输出实际值，所以需要有0-9的数字键、确认、清除、增加、减少键；按键较多，所以选择矩阵按键。4*4矩阵按键电路图如图7所示。
3.AD采样模块
在采样点采集的电流和电压经过控制器的处理显示在液晶上，P6.1采集电流，P6.2采集负载电压，MSP430F149单片机内部10位/12位的硬件AD转换器能达到采集的要求，为了节约成本所以选择单片机内部的AD转换器。采样电路如图8所示。
4.放大模块
系统中MSP430F149单片机输出的PWM信号的最高电压才3.3V，驱动电压过小，为了达到驱动电压，需要将电压放大2倍，我们采用TI公司的UA741进行放大。放大器电路如图9所示。
四、软件设计
主程序软件流程如图10所示，在图5中软件首先进行DA、AD、LCD液晶显示、控制变量初始化，再调用键盘扫描处理程序，在没有按下自动调节启动停止按键时，默认为功能设置，此时单片机只预置数据输入、按键查询、预置数据LCD显示等功能；而当按下该按键1次后，单片机将转为执行负载调节、A/D采集、实际数据LCD显示等功能。
五、测试方案与测试结果
1.测试的方案及测试条件
先给定系统一个被测电压，通过键盘输入多个预制电流，测量实际的电压电流值，再通过更改不同的被测电压，测量实际的电流电压值。如表1所示。
2.测试结果
表2当被测电压为8V时对比表
预置电流（mA）1002003004005006007008009001000
实测电流（mA）1242102783905055987097989101010
实测电压（mV）8.078.058.068.058.088.048.068.058.078.05
表3被测电压为12V时对比表
预置电流（mA）1002003004005006007008009001000
实测电流（mA）112208290406499588698805896986
实测电压（mV）12.812.612.612.512.412.512.412.312.112.2
表4输入电压为5V时的调整率时对比表
被测电源附带电阻Rw（欧姆）2.22.93.3
电压调整率0.1740.220.27
参考文献
[1]谢自美.电子线路设计·实验·测试（第三版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.
Abstract：Thepaperanalyzedthedischargecharacteristicsofintrinsicallysafeswitchingpowersupply.Asatheoreticalfoundation，ithelpedmedesigndigitalintrinsicallysafepowersupplybasedonDSPwhichworksinmine-onexplosiveenvironment.
关键词：本质安全；开关电源；DSP；数字控制
Keywords：intrinsicsafety；switchingpowersupply；DSP；digitalcontrol
中图分类号：TN86文献标识码：A文章编号：1006-4311（2014）02-0051-02
0引言
本质安全型开关电源在正常工作以及发生故障的情况下，所产生的电火花和热效应均不足以引燃矿井环境中存在的可燃性气体；电源中本质安全电路和非本质安全电路之间要有可靠的电气隔离；本质安全型开关电源要包含多重的限能保护电路。为此本文设计一种基于DSP的本质安全型数字电源（下文简称本安电源）。
1本安电源放电特性分析
电路主要包括电阻性、电容性、电感性三种形式，三种电路的放电特性各不相同。在研究本安电源设计时，必须了解电容性电路放电的全过程，弄清电路放电规律[2][3]，图1为电容性电路实验原理图。
电路包括放电回路电阻R，火花放电间隙G，由图1得到回路电压方程为uc=uR+ug，即：uc-igR=ug（1）
式中：ug为火花放电电压，uc为电容电压，uR为回路电阻电压。放电电流为：ig=ic=-C■（2）
对式（1）做微分处理，然后将式（2）带入得到微分方程：■+■=-■■（3）
假设电压的指数模型为：ug=A1+A2e■（4）
式中：A1、A2为未知系数。
将式（4）带入式（3）中得：■+■=-■e■（5）
根据电容性电路火花放电电压临界条件：ug（0）=E、ug（T）=uT，式中T是每次火花放电时间，uT为每次放电结束时刻的放电电压。将电容性电路火花放电电压临界条件带入式（4）中得：A1+A2=EA1+A2e■=uT解得A1=■A2=■（6）
将式（6）带入式（5）中得：
■+■=■■e■（7）
根据电流初始条件：t=0时，ig=0，可将放电电流解出，解得放电电流为：ig=■te■（8）
将式（6）带入式（4）中可得放电电压为：
ug=A1=■+■e■（9）
则放电能量为：W=■ugigdt=■（■+■e■）■te■dt=■（■+■-E？琢）-（T？子0+？子■■）■？琢-■？琢2（10）
式中？琢=e■，？子0=RC，
放电能量是决定是否引燃的因素之一，只有电路放电总能量小于爆炸性气体环境下的最小点燃能量，才不会引燃气体。根据式（10）当单次放电时，uT=0，则有：
W=■CE2[■+■T]=■CE2？茁（11）
式中：？茁=[■+■T]
令n=■，则有？茁=■+■+■（12）
因为n>0，由式（12）可得：？茁>■，从以上递推可以看出，电容单次放电的最小放电能量为电容储存的总能量的一半，因此，电容最终放电的能量总小于电容所储存总能量。
2本安电源总体结构设计及工作原理
根据井下一般的用电标准，本文所设计的是输入为交流127V，输出为直流24V的本安型数字电源，其总体结构设计如图2所示。
本安电源电路主要由输入整流滤波电路、DC/DC变换器、二级过流保护电路以及二级过压保护电路组成。当127V交流电通过整流滤波电路转化为直流电后，由DC/DC变换器将整流后的直流电压变换为24V直流电压，所输出的直流电压经过第二级过流过压保护电路[4]进行限能保护，最终实现本质安全直流输出。其中控制DC/DC变换器的PWM信号由DSP数字控制芯片发出，同时DSP芯片本身具有过压过流保护功能。
3本安电源电路硬件设计
3.1本安电源主回路的设计本安电源主回路采用反激式拓扑结构，选用DSP芯片TMS320F2812作为控制芯片，由芯片发出PWM信号，经驱动电路光耦TLP250放大控制变换电路中开关管Q1的通断，并通过对电流、电压信号的采集反馈来调节PWM信号，该电源主回路的原理如图3所示。
整流滤波后电流直接送给变压器T1原边，图3中C1和R5构成吸收回路，可在Q1关断时吸收由高频变压器初级漏感产生的尖峰电压，保护Q1不受损坏，平滑直流信号，旁路可能存在的高频信号；R4、R6为过流检测电阻，检测电压输入到TMS320F2812中来控制输出矩形波；次级绕组输出经过二极管D3整流以及电容器C2的滤波后，通过采样电阻R10，R11分压，与TL431内部基准2.5V比较，将误差电压送入光耦，再通过光耦的导通能力来控制PWM芯片TMS320F2812进而来控制开关管导通和关断的时间从而实现恒流。此外，采样电阻R12，R13分压与TL431内部基准2.5V比较，将误差电压送入光耦，再通过光耦的导通能力将信号反馈到PWM芯片TMS320F2812进而来控制开关管导通和关断的时间，从而实现恒压。
3.2二级过流过压保护电路的设计根据对本质安全电路的要求，在电源主电路的输出端要设计第二级过流保护电路。并且在过流保护电路后接上三端稳压器，这样可使过流保护电路的输出端能够输出稳定直流电。如果在电源电路工作时，由于元器件损坏而使电路出现故障导致输出的电压超过规定值，输出电压就会迅速升高，这种情况可能会造成很大的损失，因此在电路中要加入第二级过压保护电路，常用的是晶闸管短路保护。图4为二级过流过压保护电路原理图。
图4（a）为二级过流保护电路，当输入进来的电流小于所设限流I时，电阻R17上的电压小于Q4的开启电压，这时Q4工作在截止状态。电阻R16将输入电压分压，使Q2的源极S和栅极G之间产生足够的电压差，这样便可使Q2导通，这时过流保护电路正常工作。当输入进来的电流比所设限流I大时，电阻R17上的电压比Q4上的开启电压要大，这时Q4是工作在导通状态的。此时输入电压直接加在Q2的栅极G上，Q2的源极S和栅极G的基本无电压差，这样便可使Q2截止，导致电路断开，使电路工作在保护状态，Q2和Q3功能相同，给电源电路提供双重保护。图4（b）为二级过压保护电路，在电路工作正常的情况下，Dz2、晶闸管SCR都处在截止状态，电路所输出的电压直接为负载供电；当直流稳压器以为一些不定因素导致输出过高电压时，稳压管Dz2进入导通状态，为电容C6充电，此时有正向电压和电流流过晶闸管SCR，使晶闸管SCR触发导通，同时由于输出端对地短接，从而使输出电压迅速下降，起到保护作用。
4结论
本文设计了一款基于DSP的反激式数字本安电源，电源的各部分电路均符合国标GB3836.4-2000中对本质安全电路的规定。经过实验测试，该电源工作正常，保护及时，实验结果与数据理论一致。
参考文献：
[1]刘树林.本质安全开关变换器基础理论及关键技术研究[D].西安科技大学，2007.
关键词：交流抗干扰电路；pfc电路；高压整流滤波；pwm
1引言2计算机电源发展历程
在计算机各部件中最令人注意的就是cpu的频率、内存的大小、硬盘容量，显卡的性能等等。而对于电脑中的一个重要部件电源．却往往总会受到忽略。而事实上，电脑的许多奇怪症状都是由电源引起的。假如我们把计算机比作一个人的话，cpu作为计算机的核心部件起着运算和控制的作用，它相当于我们人类的大脑；而电源作为计算机的动力提供者，完全等价于我们人类的心脏，其重要之处由此可见。所以有必要了解电源内部结构，熟悉电源的工作原理，才能更好地维护好计算机电源，才能从根本上保障公司各部门计算机设备长时间稳定工作。
2计算机电源发展历程
pc／xt_ibm最先推出个人pc／xt机时制定的标准；at_也是由ibm早期推出pc／at机时所提出的标准，当时能够提供192w的电力供应；atx—intel公司于1995年提出的工业标准。与at比较主要变化为：
1、取消了at电源上必备的电源开关而交由主板进行电源开关的控制，增加了一个待机电路为电源主电路和主板提供电压来实现电源唤醒等功能：
2、atx电源首次引进了+3．3v的电压输出端，与主板的连接接口上也有了明显的改进：atx12v——支持p4的atx标准，是目前的主流标准：atx12v一1．1：在atx的基础之上增加了4pin的+12v辅助供电线(pio)为p4处理器供电，改变了各路输出功率分配方式，增强+12v负载能力；atx12v一1.3：提高了电源效率，增加了对sata的支持。去掉了一5v输出，增加了+12v的输出能力；atx12v一2.0：尚未有产品实施的最新规范；电源连接器由20针改为24针，以支持75w的pciexpress总线．同时取消辅助电源接口；提供另一路+12v输出，直接为4pin接口供电；wtx—atx电源的加强版本：尺寸上比atx电源大。供电能力也比比atx电源强，常用于服务器和大型电脑；btx一现有架构的终结者，电源输出要求、接口等支持atx12v。
3计算机开关电源的工作原理
电源是一种能量转换的设备，它能将220v的交流电转变为计算机需要的低电压强电流的直流电。首先将高电压交流电(220v)通过全桥二极管整流以后成为高电压的脉冲直流电，再经过电容滤波以后成为高压直流电。此时，控制电路控制大功率开关三极管将高压直流电按照一定的高频频率分批送到高频变压器的初级。接着，把从次级线圈输出的降压后的高频低压交流电通过整流滤波转换为能使电脑工作的低电压强电流的直流电。其中，控制电路也是必不可少的部分。它能有效的监控输出端的电压值，并向控制功率开关三极管发出信号控制电压上下调整的幅度。目前的常见产品主要采用脉冲变压器耦合型开关稳压电源，它分为交流抗干扰电路、功率因数校正电路、高压整流滤波电路、开关电路、低压整流滤波电路5个主要部分。
4交流抗干扰电路
为避免电网中的各种干扰信号影响高频率、高精度的计算机系统．防止电源开关电路形成高频扰窜，影响电网中的其他电器等；各种电磁、安规认证都要求开关电源配有抗干扰电路。主要结构为兀型共模、差模滤波电路．由差模扼流电感、差模滤波电容、共模扼流电感、共模滤波电容组成：
5功率因数校正电路
开关电源传统的桥式整流、电容滤波电路令整体负载表现为容性，且使交流输入电流产生严重的波形畸变，向电网注人大量的高次谐波，功率因数仅有0．6左右，对电网和其他电气设备造成严重的谐波污染与干扰。因此，我国在2003年开始实施的ccc中明确要求计算机电源产品带有功率因数校正器(powerfactorcorrector，即pfc)，功率因数达到0．7以上。pfc电路分为主动式(有源)与被动式(无源)两种：主动式pfc本身就相当于一个开关电源．通过控制芯片驱动开关管对输入电流进行”调制”，令其与电压尽量同步，功率因数接近于1；同时．主动式pfc控制芯片还能够提供辅助供电，驱动电源内部其他芯片以及负担+5vsb输出。主动式pfc功率因数高、+5vsb输出纹波频率高、幅度小，但结构复杂，成本高，仅在一些高端电源中使用。目前采用主动式pfc的计算机电源一般采用升压转换器式设计，电路原理图如下：被动式pfc结构简单，只是针对电源的整体负载特性表现，在交流输人端．抗干扰电路之后串接了一个大电感，强制平衡电源的整体负载特性。被动式pfc采用的电感只需适应50～60hz的市电频率，带有工频变压器常用的硅钢片铁芯，而非高频率开关变压器所采用的铁氧体磁芯，从外观上非常容易分辨。被动式pfc效果较主动式pfc有一定差距，功率因数一般为0．8左右；但成本低廉，且无需对原有产品设计进行大幅度修改就可以符合ccc要求，是目前主流电源通常采取的方式。
6高压整流滤波电路
目前的各种开关电源高压整流基本都采用全桥式二极管整流，将输人的正弦交流电反向电压翻转，输出连续波峰的“类直流”。再经过电容的滤波，就得到了约300v的“高压直流”。
7开关电路
开关电源的核心部分．主要由精密电压比较芯片、pwm芯片、开关管、驱动变压器、主开关变压器组成。精密电压比较芯片将直流输出部分的反馈电压与基准电压进行比较．pwm芯片根据比较结果通过驱动变压器调整开关管的占空比，进而控制主开关变压器输出给直流部分的能量，实现“稳压”输出。pwm(puleswidthmodulation)即脉宽调制电路，其功能是检测输出直流电压，与基准电压比较，进行放大，控制振荡器的脉冲宽度，从而控制推挽开关电路以保持输出电压的稳定，主要由1ctl494及周围元件组成。使用驱动变压器的目的是为了隔离高压(300v)区与低压区(最高12v)，避免开关管击穿后高压电可能对低压设备造成的危害，也令pwm芯片无需接触高压信号，降低了对元件规格的要求。
冲变压器耦合型开关稳压电源主要的直流(高压到低压)转换方式有5种，其中适合作为计算机电源使用的主要为推挽式与半桥式，而推挽式多用于小型机、ups等，我们常见的电源产品则基本都采用半桥式变换。
8低压整流滤波电路
经过调制的高压直流成为了低压高频交流，需要经过再次整流滤波才能得到希望的稳定低压直流输出。整流手段与高压整流类似，仍是利用二极管的单向导通性质，将反向波形翻转。为了保证滤波后波形的完整性，要求互相配合实现360。的导通，因此一般采用快速恢复二极管(主要用于+12v整流)或肖特基二极管(主要用于+5v、+3．3v整流)。滤波仍是采用典型的扼流电感配合滤波电容，不过此处的电感不仅为了扼制突变电流，更为重要的作用是像高压滤波部分的电容一样作为储能元件，为输出端提供连续的能量供应。实际产品中高压整流滤波电路、开关电路、低压整流滤波电路是一个整体，虽然原理与前述基本相同，但元件个数、分布方式会有很大变化。例如采用半桥式电压变换的电源就有两个高压滤波电容，每一路直流输出对应两个整流管，各负责半个周期的输出；而采用单端正激式电压变换的电源则只有一个高压滤波电容，每一路直流输出对应两个整流管，工作时间按照开关管占空比分配。其他较为重要的部分还有辅助供电电路与保护电路：辅助供电电路一个小功率的开关电源，交流输入接通后即开始工作。300v直流电被辅助供电开关管调制成为脉冲电流，通过辅助供电变压器输出二路交流电压。一路经整流、三端稳压器稳压，输出为+5vsb，供主板待机所用；另一路经整流滤波，输出辅助+12v电源，供给电源内部的pwm等片工作。主动式pfc具有辅助供电的功能，可以提供+5vsb及电源内部芯片所需电压；故采用主动式pfc的电源可以省略掉辅助供电部分，只使用两个开关变压器。
9保护电路
电源主要的保护措施有7种：
1、输入端过压保护：通过耐压值为270v的压敏电阻实现：
2、输入端过流保护：通过保险丝：
3、输出端过流保护：通过导线反馈，驱动变压器就会相应动作，关断电源的输出；
4、输出端过压保护：当比较器检测到的输出电压与稳压管两端的基准电压偏差较大时，就会对电压进行调整：
5、输出端过载保护：过载保护的机理与过流保护一样，也是通过控制电路和驱动变压器进行的：
6、输出端短路保护：输出端短路时，比较器会侦测到电流的变化，并通过驱动变压器、关断开关管的输出：
7、温度控制：通过温度探头检测电源内部温度，并智能调整风扇转速，对电源内部温度进行控制；
10电源的好坏对其他部件的影响
cpu对电压就非常敏感，电压稍微高一点就可能烧毁cpu，电压过低则无法启动；而硬盘在电压不足时就无法正常工作，在电压波动大时甚至会划伤盘片，造成无法挽救的物理损害；诸如此类，不一而足。在很多情况下，主机内的配件损坏了，用户只是认为是配件本身的质量问题．而很少考虑可能是电源输出的低压直流电电压不稳所造成的。所以，输出电压的波动范围就是考查电源质量的重要指标之一。目前，一般的电源产品在空载和轻载时的表现都较好(假冒伪劣产品除外)，而重载测验才是烈火试真金的真正考验。
参考文献
关键词：矿用；三相逆变；SPWM
中图分类号：TM464文献标志码：A文章编号：2095-2945（2017）20-0102-03
1概述
煤矿井下施工过程中，经常需要进行设备的拆装、搬运、检修、维护，需要临时用电。然而，煤矿井下的供电通常是由井下中央变电所通过敷设输电线路供给电能的方式实现，这种供电方式只适用于设施固定、长期运行的场所。因此，煤矿井下迫切需要一种无需敷设供电线路的移动逆变电源，能够满足临时工作场所的照明和电动工具的使用。本文设计了一款矿用移动式三相逆变电源，可以提供容量2KVA的三相交流50Hz、127V电源，能够应用于井下部分区域的照明和煤电钻用电，为井下施工及意外事故提供临时用电，弥补了当前井下集中供电方式的输电线路长、安装周期长等不足。
2系统方案设计
矿用移动式三相逆变电源的电路构成如图1所示，由大容量锂电池模块组、三相逆变主电路、逆变控制电路、人机界面和电池电压检测、交流输出检测电路组成。
锂电池选用磷酸铁锂电池模块，标称电压48V，标称容量100Ah。5组电池组模块串联连接，锂电池组总输出直流电压为240V，作为三相逆变主电路的输入。
逆变主电路使用智能功率模块IPM，选用FUJIelectric的IGBT-IPM模块6MBP30RH060，这款IPM模块内部集成6组绝缘栅双极型晶体管（IGBT，InsulatedGateBipolarTransistor）及其驱动电路，额定电流30A，耐压600V，内部集成了过电流保护（OC）、短路保护（SC）、控制电源欠压保护（UV）、过热保护（管壳过热TcOH、芯片过热TjOH）等保护电路，且可通过向IPM相连的MCU输出报警信号（ALM），确保系统停止工作。
逆变控制电路采用低功耗单片机作为控制核心，检测锂电池组电压和三相逆变主电路输出的电压、电流，运行PID调节算法程序，控制三相纯正弦波逆变器专用芯片EG8030的输出SPWM，对三相逆变主电路的逆变过程实施控制，得到符合要求的三相交流电。
3EG8030的特性
3.1EG8030性能特点
EG8030是一款功能完善的自带死区控制的三相纯正弦波逆变发生器芯片，采用CMOS工艺，+5V单电源供电，外接16MHz晶体振荡器，可选四种载波频率，能产生高精度、失真和谐波都很小的三相SPWM信号。芯片具备完善的采样机构，能够采集电流信号、温度信号、三相电压信号，可实现输出稳压，还具有死区时间控制、软启动、相序反转、相序清零等功能以及过压、欠压、过流、短路、过热等保护功能。
3.2EG8030的引脚功能
引脚如图2所示：
3.3EG8030的工作模式
EG8030具有四种工作模式：分别是三相同步开环调压模式、三相同步闭环稳压模式、三相独立开环调压模式和三相独立闭环稳压模式。其中三相独立闭环稳压模式是EG8030的一种测试模式。
三相同步开环调压模式是EG8030最简单的一个工作模式。只需提供一个比较稳定的高压直流电源和一个三相输出滤波器，即可调节VOLADJ脚上的电压使输出电压达到目标值。
三相同步闭环稳压模式是EG8030的推荐应用模式，适用于对输出电压有精度要求的场合。在这种工作模式下，芯片采样AVFB、BVFB、CVFB脚上的反馈信号并取平均值得到当前三相的平均反馈电压，再经过内部PI调节器运算得到三相SPWM的调制深度MA、MB、MC，且MA=MB=MC，同步调节三相输出。
三相独立开环调压模式EG8030的另外一种开环工作模式。用户通过调节AVFB、BVFB、CVFB脚上的电压独立控制三相SPWM的调制深度MA、MB、MC。
4移动式三相逆变电源的电路设计
4.1逆变主电路
逆变主电路选用的6MBP30RH060型IGBT-IPM智能功率模块，内部集成6组IGBT器件及其驱动电路，内部结构如图3所示。直流输入端口与锂电池模块组连接，上桥臂驱动电路电源为三组独立的+15VDC隔离电源，下桥臂驱动电路共用一组+15VDC隔离电源；上、下桥臂PWM输入端与逆变控制电路的6路SPWM脉冲信号接入；报警输出端口经光电隔离后与逆变控制电路的通用输入/输出接口相连。
4.2逆变控制电路
本设计中，采用EG8030的三相同步开环调压模式，由单片机通过D/A输出，控制调制深度控制引脚（Pin8：VOLADJ），D/A输出的0～5V直流电压线性对应着0～100%的SPWM波的调制深度，调制深度的数值大小影响着逆变器的交流输出电压。如式（1）所示：m代表调制深度，VACRMS代表逆变器输出交流电压的有效值，VDC代表电池组的直流电压。
单片机采用NXP公司的P89V51RD2，运行速度达36MHz，支持12时钟或6时钟模式，片上集成1kBSRAM和64kBFlashROM，拥有4个8位并行通用输入输出口、3个16位定时计数器。该款单片机无模拟量输入输出功能，本设计通过I2C总线外接扩展芯片PCF8591。PCF8591是一款8位A/D和D/A转换芯片，采用2.5V～6V单电源供电，采样速率取决于I2C总线的传输速率，支持最多4路A/D通道和1路D/A通道，模拟输入可配置成4路单端输入、3路关联的差分输入、2路单端和1路差分输入、2路差分输入等四种模式。
P89V51RD2检测锂电池组直流电压，逆变器输出的交流电流、电压，运行PID算法程序，根据结果调节D/A输出电压，从而改变SPWM波调制深度，得到稳定的逆变三相交流电输出。
4.3光电隔离与驱动电路
EG8030的SPWM脉冲输出为推挽式输出端口，其灌电流能力达20mA，拉电流能力仅为5mA。接线时将SPWM脉冲输出引脚与光电耦合器一次侧发光二极管的阴极相连，SPWM脉冲电流由电源流出经发光二极管灌入EG8030。光电耦合器的输入侧提供的正向电流If足够大，降低了光电耦合器输出侧出现误动作的可能性。
5逆变器软件设计
主程序流程图如图5所示。
本设计的SPWM脉冲序列由专用三相逆变控制芯片EG8030自主生成的，单片机无需参与。逆变控制电路中单片机的主要任务是实时检测锂电池组电压、逆变主电路输出的交流电流和电压，动态计算调制深度参数，进而设定EG8030的运行特征数据，维持和保障整个三相逆变器的正常工作。
6结束语
按照上述方案设计的三相逆变电源，集成化程度高、电路简单、运行稳定可靠，与当前IGBT+驱动电路+数字信号处理器DSP的逆变器设计相比较，硬件电路和软件编程得以大大简化。该逆变器作为井下临时施工的便携电源、应急场合的备用电源进行了测试并取得良好效果。
参考文献：
[1]吴海东，任晓明，蒲强，等.基于SPWM控制的三相逆变器电路设计[J].电器与能效管理技术，2015（8）：43-45.
[2]周志敏，周纪海，纪爱华.逆变电源实用技术[M].北京：中国电力出版社，2007.
[3]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大W出版社，2007.
[4]富士IGBT-IPM应用手册[Z].富士电机电子设备技术株式会社，
