高頻開關直流操作電源系統(tǒng)

l 引言

直流操作電源系統(tǒng)是發(fā)電廠、變電站中不可缺少的二次設備之一,它的可靠性直接影響發(fā)電廠和變電站設備的安全可靠運行。我國發(fā)電廠和變電站中正在運行的直流操作電源系統(tǒng)有很多仍是較落后的陳舊設備,存在較多的缺陷,引發(fā)了不少事故,而造成重大損失。隨著閥控密封鉛酸蓄電池的推廣普及，也對原有的直流操作電源系統(tǒng)提出了更高的要求,與防酸隔爆蓄電池及鎘鎳堿性電池相比,閥控密封鉛酸蓄電池具有以下特點：無需添加水和調酸比重等維護工作,具有免維護功能；不漏液、無酸霧、不腐蝕設備,容易組成成套裝置；自放電電流小；電池壽命長，25℃的浮充壽命可達l0～15年；結構緊湊、密封性好、抗震動性能好;不存在鎘鎳堿性電池的“記憶效應”。但閥控密封鉛酸蓄電池對溫度的反映較靈敏,對充電裝置要求嚴格,不允許過充和欠充。如果仍采用陳舊落后的充電裝置,出于其穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度低，紋波系數高,可能造成閥控密封蓄電池的壽命降低甚至本體漲裂損壞，而使整個直流系統(tǒng)癱瘓。

通信電源經過近幾年的發(fā)展,已普遍采用了閥控密封鉛酸蓄電池和高頻開關電源模塊組成的充電裝置。高頻開關電源模塊具有體積小、重量輕、噪聲低、穩(wěn)壓精度高、紋波系數小、配置靈活的特點,與閥控密封鉛酸蓄電池配套使用,可以增加直流系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。當前，城鄉(xiāng)電網建設和改造工程中已開始部分采用高頻開關電源模塊和閥控密封鉛酸蓄電池組成的直流操作電源成套裝置，在保證直流系統(tǒng)可靠運行和電池壽命上都有較好的效果，受到設計和運行人員的好評。

東方電子信息產業(yè)股份有限公司自96年開始研制開發(fā)智能型高頻開關直流操作電源系統(tǒng),至今已有百余套直流電源在現場運行。

2 直流操作電源系統(tǒng)組成

高頻開關電源模塊目前有5A、l0A和20A三種,根據負載要求和蓄電池容量的不同,可以由多臺模塊按照N＋l備份原則并聯組成幾十到幾百安的直流操作電源系統(tǒng)。圖l是直流操作電源系統(tǒng)的原理框圖，這是一種單母線接線方式,模塊輸出和直流母線、蓄電池組并聯,平時蓄電池處于全浮充狀態(tài)。對于控制、動力母線分別設置的直流操作電源系統(tǒng),有兩種接線方式：一種是所有模塊的輸出與電池組和動力母線并聯，在動力母線和控制母線之間設置自動調壓裝置，控制母線的負荷由動力母線經自動調壓裝置提供,原理如圖2所示，該方式要求自動調壓裝置有較高的可靠性；另一種是將模塊分成兩組,一組輸出與動力母線、電池組并聯,另一組輸出與控制母線并聯,動力母線和控制母線之間設置自動調壓裝置,在正常情況下,控制母線負荷由模塊提供,自動調壓裝置由于承受反壓處于備用狀態(tài),只有當交流停電或控制母線的所有模塊全部故障時,自動調壓裝置才投入運行，其原理框圖如圖3所示，這種接線方式要求兩組模塊均按照負荷進行N＋l配置。

3 高頻開關電源模塊的輸入功率因數

輸入功率因數低是早期高頻開關電源模塊普遍存在的問題,這主要與采用的電路形式有關。在早期的高頻開關電源中，交流輸入電壓經整流后直接加在濾波電容兩端,只有交流輸入電壓高于濾波電容兩端電壓時，整流二極管才開始導電,因此輸入電流波形為寬度很窄的脈沖,輸入電流諧波失真嚴重，功率因數通常只有0.6～0.7。這種開關電源模塊對電網造成諧波污染,形成電力公害,干擾其他用電設備,使測量儀表產生較大誤差。為降低電源裝置對電網的污染，EMI及EMC的有關標準對不同功率等級電源裝置的功率因數及諧波電流值有明確的規(guī)定,因此,需要對高頻開關電源模塊的功率因數進行校正。

功率因數校正的基本方法有兩種,無源功率因數校正（PFC）和有源功率因數校正（APFC）。無源功率因數校正方法是在輸入端加入電感量很大的低頻電感,并降低濾波電容的容量,以便減小濾波電容充電電流的尖峰,這種方法比較簡單。但校正效果不理想，只能達到0.9～0.92左右,一般用于三相輸入的高頻開關電源模塊。有源功率因數校正方法是在輸入端加入一個高頻電感、一個二極管、一個高頻開關管以及相應的控制器，組成升壓變換器，控制器通過采集交流輸入的電壓信號和電流信號，控制開關管的開通與關斷,從而使輸入電流波形始終跟隨輸入電壓波形，使高頻開關電源模塊的功率因數達到0.99以上，諧波失真小于5％。

4 高頻開關電源模塊的均流

與相控充電裝置不同，高頻開關電源模塊組成的直流操作電源系統(tǒng)的充電裝置一般采用N＋1冗余備份方式，并聯模塊之間通過均流電路實現各模塊之間的功率分配，各模塊間功率分配的均衡程度主要取決于均流方式。直流系統(tǒng)中的負荷包括兩個部分：蓄電池組充電電流和控制母線負荷電流。蓄電池組長期處于浮充狀態(tài),充電電流很小,對于鉛酸免維護電池,浮充電流只有額定容量的0.0l左右,加上控制負荷較小,整個充電裝置處于輕載狀態(tài);當高壓斷路器合閘時,蓄電池組提供合閘沖擊電流,與蓄電池組并聯的充電裝置由于電流過大處于限流保護狀態(tài),合閘沖擊電流結束之后,由充電裝置對蓄電池進行補充電,充電電流突增。因此均流電路需要保證充電裝置無論是在輕載還是在超載下,都保持良好的均流特性,即所謂的“全范圍均流”。如果在輕載下,均流特性不好,可能造成某些模塊無電流輸出,長期處于空載運行狀態(tài),嚴重影響模塊的可靠性。

用于高頻開關電源模塊的均流方式比較多,比如：降壓法、主從控制法、外部控制法、平均電流自動均流法、最大電流自動均流法等。考慮到直流系統(tǒng)充電裝置的運行特性以及穩(wěn)壓/穩(wěn)流精度的要求,我們在高頻開關電源模塊中采用了平均電流自動均流方法,該方法的優(yōu)點是不存在主模塊,而且并聯模塊數量不受限制,可以實現負載電流的精確分配和全負載范圍均流。

5 高頻開關電源模塊的散熱與防塵

充電裝置是直流系統(tǒng)的心臟部分,其可靠性是直流系統(tǒng)安全運行的重要保證。對于高頻開關電源模塊組成的充電裝置,一方面可采用N＋1冗余備份有效延長充電裝置的平均無故障工作時間，另一方面則必須提高單臺高頻開關電源模塊的平均無故障工作時間（即壽命）。高頻開關電源模塊是由大量的電阻、電容、電力電子器件等按照一定的電路方式組成,在進行功率變換過程中,總要產生一定的功率損耗,而且功率損耗通常以熱能的形式散發(fā)，使電源模塊溫度上升。過高的溫升對模塊的壽命影響很大,模塊的工作溫度越高,性能和可靠性越低，使用壽命越短。因此,除采取高可靠性的電路方式之外,還必須選擇合適的散熱方式,有效降低高頻開關電源模塊溫升,確保使用壽命。