高頻開(kāi)關(guān)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(shè)備之一,它的可靠性直接影響發(fā)電廠和變電站設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。我國(guó)發(fā)電廠和變電站中正在運(yùn)行的直流操作電源系統(tǒng)有很多仍是較落后的陳舊設(shè)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(duì)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(diǎn)：無(wú)需添加水和調(diào)酸比重等維護(hù)工作,具有免維護(hù)功能；不漏液、無(wú)酸霧、不腐蝕設(shè)備,容易組成成套裝置；自放電電流�。浑姵貕勖�長(zhǎng)，25℃的浮充壽命可達(dá)l0～15年；結(jié)構(gòu)緊湊、密封性好、抗震動(dòng)性能好;不存在鎘鎳堿性電池的“記憶效應(yīng)”。但閥控密封鉛酸蓄電池對(duì)溫度的反映較靈敏,對(duì)充電裝置要求嚴(yán)格,不允許過(guò)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(shù)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(gè)直流系統(tǒng)癱瘓。

通信電源經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)電源模塊組成的充電裝置。高頻開(kāi)關(guān)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(shù)小、配置靈活的特點(diǎn),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(dāng)前，城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)和改造工程中已開(kāi)始部分采用高頻開(kāi)關(guān)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(yùn)行和電池壽命上都有較好的效果，受到設(shè)計(jì)和運(yùn)行人員的好評(píng)。

東方電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司自96年開(kāi)始研制開(kāi)發(fā)智能型高頻開(kāi)關(guān)直流操作電源系統(tǒng),至今已有百余套直流電源在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。

2 直流操作電源系統(tǒng)組成

高頻開(kāi)關(guān)電源模塊目前有5A、l0A和20A三種,根據(jù)負(fù)載要求和蓄電池容量的不同,可以由多臺(tái)模塊按照N＋l備份原則并聯(lián)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(lián),平時(shí)蓄電池處于全浮充狀態(tài)。對(duì)于控制、動(dòng)力母線分別設(shè)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(dòng)力母線并聯(lián)，在動(dòng)力母線和控制母線之間設(shè)置自動(dòng)調(diào)壓裝置，控制母線的負(fù)荷由動(dòng)力母線經(jīng)自動(dòng)調(diào)壓裝置提供,原理如圖2所示，該方式要求自動(dòng)調(diào)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(dòng)力母線、電池組并聯(lián),另一組輸出與控制母線并聯(lián),動(dòng)力母線和控制母線之間設(shè)置自動(dòng)調(diào)壓裝置,在正常情況下,控制母線負(fù)荷由模塊提供,自動(dòng)調(diào)壓裝置由于承受反壓處于備用狀態(tài),只有當(dāng)交流停電或控制母線的所有模塊全部故障時(shí),自動(dòng)調(diào)壓裝置才投入運(yùn)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(fù)荷進(jìn)行N＋l配置。

3 高頻開(kāi)關(guān)電源模塊的輸入功率因數(shù)

輸入功率因數(shù)低是早期高頻開(kāi)關(guān)電源模塊普遍存在的問(wèn)題,這主要與采用的電路形式有關(guān)。在早期的高頻開(kāi)關(guān)電源中，交流輸入電壓經(jīng)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(shí)，整流二極管才開(kāi)始導(dǎo)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(yán)重，功率因數(shù)通常只有0.6～0.7。這種開(kāi)關(guān)電源模塊對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染,形成電力公害,干擾其他用電設(shè)備,使測(cè)量?jī)x表產(chǎn)生較大誤差。為降低電源裝置對(duì)電網(wǎng)的污染，EMI及EMC的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同功率等級(jí)電源裝置的功率因數(shù)及諧波電流值有明確的規(guī)定,因此,需要對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源模塊的功率因數(shù)進(jìn)行校正。

功率因數(shù)校正的基本方法有兩種,無(wú)源功率因數(shù)校正（PFC）和有源功率因數(shù)校正（APFC）。無(wú)源功率因數(shù)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(jiǎn)單。但校正效果不理想，只能達(dá)到0.9～0.92左右,一般用于三相輸入的高頻開(kāi)關(guān)電源模塊。有源功率因數(shù)校正方法是在輸入端加入一個(gè)高頻電感、一個(gè)二極管、一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)管以及相應(yīng)的控制器，組成升壓變換器，控制器通過(guò)采集交流輸入的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷,從而使輸入電流波形始終跟隨輸入電壓波形，使高頻開(kāi)關(guān)電源模塊的功率因數(shù)達(dá)到0.99以上，諧波失真小于5％。

4 高頻開(kāi)關(guān)電源模塊的均流

與相控充電裝置不同，高頻開(kāi)關(guān)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(lián)模塊之間通過(guò)均流電路實(shí)現(xiàn)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(fù)荷包括兩個(gè)部分：蓄電池組充電電流和控制母線負(fù)荷電流。蓄電池組長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài),充電電流很小,對(duì)于鉛酸免維護(hù)電池,浮充電流只有額定容量的0.0l左右,加上控制負(fù)荷較小,整個(gè)充電裝置處于輕載狀態(tài);當(dāng)高壓斷路器合閘時(shí),蓄電池組提供合閘沖擊電流,與蓄電池組并聯(lián)的充電裝置由于電流過(guò)大處于限流保護(hù)狀態(tài),合閘沖擊電流結(jié)束之后,由充電裝置對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電,充電電流突增。因此均流電路需要保證充電裝置無(wú)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(wú)電流輸出,長(zhǎng)期處于空載運(yùn)行狀態(tài),嚴(yán)重影響模塊的可靠性。

用于高頻開(kāi)關(guān)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(dòng)均流法、最大電流自動(dòng)均流法等�？紤]到直流系統(tǒng)充電裝置的運(yùn)行特性以及穩(wěn)壓/穩(wěn)流精度的要求,我們?cè)诟哳l開(kāi)關(guān)電源模塊中采用了平均電流自動(dòng)均流方法,該方法的優(yōu)點(diǎn)是不存在主模塊,而且并聯(lián)模塊數(shù)量不受限制,可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的精確分配和全負(fù)載范圍均流。

5 高頻開(kāi)關(guān)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(yùn)行的重要保證。對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)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(zhǎng)充電裝置的平均無(wú)故障工作時(shí)間，另一方面則必須提高單臺(tái)高頻開(kāi)關(guān)電源模塊的平均無(wú)故障工作時(shí)間（即壽命）。高頻開(kāi)關(guān)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(jìn)行功率變換過(guò)程中,總要產(chǎn)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(guò)高的溫升對(duì)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(kāi)關(guān)電源模塊溫升,確保使用壽命。