摘要:就高頻開關(guān)直流操作電源系統(tǒng)的組成及高頻開關(guān)電源模塊的功率因數(shù)、均流方式、散熱防塵等問題進(jìn)行描述,并對(duì)直流操作電源系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論。
關(guān)鍵詞:高頻開關(guān)電源 直流操作電源
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L(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(guān)電源模塊組成的充電裝置。高頻開關(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)和改造工程中已開始部分采用高頻開關(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年開始研制開發(fā)智能型高頻開關(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)低是早期高頻開關(guān)電源模塊普遍存在的問題,這主要與采用的電路形式有關(guān)。在早期的高頻開關(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,無源功率因數(shù)校正(PFC)和有源功率因數(shù)校正(APFC)。無源功率因數(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)高頻開關(guān)管以及相應(yīng)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(hào)和電流信號(hào),控制開關(guān)管的開通與關(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 高頻開關(guān)電源模塊的均流
與相控充電裝置不同,高頻開關(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(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)充電裝置的平均無故障工作時(shí)間,另一方面則必須提高單臺(tái)高頻開關(guān)電源模塊的平均無故障工作時(shí)間(即壽命)。高頻開關(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,有效降低高頻開關(guān)電源模塊溫升,確保使用壽命。
目前用于電力直流系統(tǒng)的高頻開關(guān)電源模塊,主要采用強(qiáng)迫風(fēng)冷和自然冷卻兩種散熱方式。強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的優(yōu)點(diǎn)是模塊的體積小、重量輕、模塊內(nèi)部溫度低等,缺點(diǎn)是噪聲較大,存在風(fēng)機(jī)自身壽命、線路板積塵問題。自然冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)是無噪聲,不存在風(fēng)機(jī)壽命問題,缺點(diǎn)是體積大、成本高。

高頻開關(guān)電源模塊首先是在通信電源行業(yè)得以推廣應(yīng)用,許多高頻開關(guān)電力直流電源中的一些技術(shù)也是從通信用高頻開關(guān)電源轉(zhuǎn)化而來,模塊的散熱方式也大多沿用通信電源的技術(shù),無論是強(qiáng)迫風(fēng)冷還是自然冷卻,散熱風(fēng)道均采用敞開式結(jié)構(gòu)。但變電站的工作環(huán)境要比通信機(jī)房惡劣,空氣中塵埃含量很高,特別是新建站,經(jīng)常是土建工程尚未結(jié)束,由于繼電保護(hù)等裝置的調(diào)試需要直流電源,使得直流電源經(jīng)常提前投入運(yùn)行。如果不采取有效的防塵措施,就會(huì)造成大量的水泥灰等塵埃吸附在電源模塊內(nèi)的線路板或元器件上,引起絕緣下降,甚至短路,使模塊出現(xiàn)故障。
高頻開關(guān)電源模塊電路板上形成的塵埃,一是風(fēng)機(jī)抽入的塵埃,二是靜電吸附。為了防塵,一些開關(guān)電源模塊采取了如下一些揩施:
采用防塵罩:在模塊進(jìn)風(fēng)口處安裝防塵罩,可起到一定的防塵作用,但需經(jīng)常清洗,否則防塵罩上的通風(fēng)孔容易堵塞而影響通風(fēng)散熱效果。這種方式不適合用于無入值班的變電站中。
采用自然冷卻:可以避免風(fēng)機(jī)吸入灰塵,但出于散熱需要,必須在模塊上開許多散熱孔,這樣塵埃的靜電吸附問題還是不能解決。
東方電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司在研制開發(fā)高頻開關(guān)電源模塊的過程中,綜合考慮了強(qiáng)迫風(fēng)冷和自然冷卻的優(yōu)缺點(diǎn)以及變電站現(xiàn)場(chǎng)的情況,模塊散熱方式采用溫控強(qiáng)迫風(fēng)冷方式和封閉式散熱風(fēng)道。風(fēng)機(jī)由溫度檢測(cè)電路控制,只有當(dāng)模塊散熱器溫度高于設(shè)定值時(shí),風(fēng)機(jī)才運(yùn)轉(zhuǎn)。由于直流系統(tǒng)的充電裝置長(zhǎng)期處于輕載運(yùn)行,一般只有額定容量的l5%左右,散熱器溫度低于風(fēng)機(jī)開啟溫度,風(fēng)機(jī)不工作。這種散熱方式可以保持模塊內(nèi)部溫度相對(duì)穩(wěn)定,不隨外部環(huán)境及負(fù)載變化,風(fēng)機(jī)壽命提高2~3倍,從而提高高頻開關(guān)電源模塊的可靠性。在防塵方面,采用完全封閉的散熱風(fēng)道,使散熱風(fēng)流僅通過散熱器的表面,實(shí)現(xiàn)散熱通道與內(nèi)部電路的隔離,既可以防止電路板產(chǎn)生積塵,同時(shí)又提高散熱效果,充分提高充電模塊對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。
6 直流系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
為保證變電站中的后臺(tái)機(jī)、自動(dòng)裝置、變送器、通信設(shè)備、保護(hù)裝置等交直流用電裝置的安全運(yùn)行,除變電站的直流系統(tǒng)外,還需要配置UPS裝置和專用的通信電源裝置,以往人們一直將這三種不同的電源分別設(shè)置,各自配置一組蓄電池,導(dǎo)致設(shè)備造價(jià)高,維護(hù)量大,可靠性低,資源利用率低。
隨著高頻開關(guān)電源技術(shù)在直流系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用,人們開始考慮如何合理應(yīng)用變電站的資源、降低設(shè)備造價(jià)和維護(hù)工作量以及提高可靠性。目前在一些變電站開始嘗試采用這樣一種組合方式:用正弦波逆變電源代替UPS設(shè)備,用大功率DC/DC變換器代替通信電源裝置,兩種設(shè)備的輸入直接掛靠在直流系統(tǒng)的母線上。交流電正常時(shí),由直流系統(tǒng)的充電裝置提供逆變器和DC/DC變換器的用電;交流失電時(shí),由直流系統(tǒng)的蓄電池組提供直流用電。逆變器和DC/DC變換器的狀態(tài)信息送入直流系統(tǒng)的監(jiān)控單元。
采用上述方式,至少可以省去UPS和通信電源裝置中的蓄電池組以及監(jiān)控單元,在設(shè)備的管理上,僅需對(duì)直流系統(tǒng)的蓄電池組進(jìn)行智能化管理,從而減少系統(tǒng)的維護(hù)。
7 結(jié)語
高頻開關(guān)直流操作電源系統(tǒng)的充電裝置由多個(gè)高頻開關(guān)電源模塊按N+1冗余備份方式并聯(lián)組成,為降低對(duì)電網(wǎng)的諧波污染,高頻開關(guān)電源模塊應(yīng)具有功率因數(shù)校正功能。考慮到系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷特性,高頻開關(guān)電源模塊應(yīng)具有全范圍均流特性,而且模塊的散熱應(yīng)將模塊的散熱通道與電路板隔離,防止靜電吸附和風(fēng)機(jī)引起的線路板積塵。為合理利用變電站的電源裝置資源,在直流操作電源系統(tǒng)的配置中,將電力正弦波逆變器和DC/DC變換器,分別提供通信用交流和直流用電,降低變電站電源裝置的維護(hù)工作量和設(shè)備成本,該集成方式將成為今后直流操作電源系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。