高频开关直流操作电源系统的分析

l 引言

直流操作电源系统是发电厂、变电站中不可缺少的二次设备之一,它的可靠性直接影响发电厂和变电站设备的安全可靠运行。我国发电厂和变电站中正在运行的直流操作电源系统有很多仍是较落后的陈旧设备,存在较多的缺陷,引发了不少事故,而造成重大损失。随着阀控密封铅酸蓄电池的推广普及，也对原有的直流操作电源系统提出了更高的要求,与防酸隔爆蓄电池及镉镍碱性电池相比,阀控密封铅酸蓄电池具有以下特点：无需添加水和调酸比重等维护工作,具有免维护功能；不漏液、无酸雾、不腐蚀设备,容易组成成套装置；自放电电流小；电池寿命长，25℃的浮充寿命可达l0～15年；结构紧凑、密封性好、抗震动性能好;不存在镉镍碱性电池的“记忆效应”。但阀控密封铅酸蓄电池对温度的反映较灵敏,对充电装置要求严格,不允许过充和欠充。如果仍采用陈旧落后的充电装置,出于其稳压、稳流精度低，纹波系数高,可能造成阀控密封蓄电池的寿命降低甚至本体涨裂损坏，而使整个直流系统瘫痪。

通信电源经过近几年的发展,已普遍采用了阀控密封铅酸蓄电池和高频开关电源模块组成的充电装置。高频开关电源模块具有体积小、重量轻、噪声低、稳压精度高、纹波系数小、配置灵活的特点,与阀控密封铅酸蓄电池配套使用,可以增加直流系统的可靠性和稳定性。当前，城乡电网建设和改造工程中已开始部分采用高频开关电源模块和阀控密封铅酸蓄电池组成的直流操作电源成套装置，在保证直流系统可靠运行和电池寿命上都有较好的效果，受到设计和运行人员的好评。

东方电子信息产业股份有限公司自96年开始研制开发智能型高频开关直流操作电源系统,至今已有百余套直流电源在现场运行。

2 直流操作电源系统组成

高频开关电源模块目前有5A、l0A和20A三种,根据负载要求和蓄电池容量的不同,可以由多台模块按照N＋l备份原则并联组成几十到几百安的直流操作电源系统。图l是直流操作电源系统的原理框图，这是一种单母线接线方式,模块输出和直流母线、蓄电池组并联,平时蓄电池处于全浮充状态。对于控制、动力母线分别设置的直流操作电源系统,有两种接线方式：一种是所有模块的输出与电池组和动力母线并联，在动力母线和控制母线之间设置自动调压装置，控制母线的负荷由动力母线经自动调压装置提供,原理如图2所示，该方式要求自动调压装置有较高的可靠性；另一种是将模块分成两组,一组输出与动力母线、电池组并联,另一组输出与控制母线并联,动力母线和控制母线之间设置自动调压装置,在正常情况下,控制母线负荷由模块提供,自动调压装置由于承受反压处于备用状态,只有当交流停电或控制母线的所有模块全部故障时,自动调压装置才投入运行，其原理框图如图3所示，这种接线方式要求两组模块均按照负荷进行N＋l配置。

3 高频开关电源模块的输入功率因数

输入功率因数低是早期高频开关电源模块普遍存在的问题,这主要与采用的电路形式有关。在早期的高频开关电源中，交流输入电压经整流后直接加在滤波电容两端,只有交流输入电压高于滤波电容两端电压时，整流二极管才开始导电,因此输入电流波形为宽度很窄的脉冲,输入电流谐波失真严重，功率因数通常只有0.6～0.7。这种开关电源模块对电网造成谐波污染,形成电力公害,干扰其他用电设备,使测量仪表产生较大误差。为降低电源装置对电网的污染，EMI及EMC的有关标准对不同功率等级电源装置的功率因数及谐波电流值有明确的规定,因此,需要对高频开关电源模块的功率因数进行校正。

功率因数校正的基本方法有两种,无源功率因数校正（PFC）和有源功率因数校正（APFC）。无源功率因数校正方法是在输入端加入电感量很大的低频电感,并降低滤波电容的容量,以便减小滤波电容充电电流的尖峰,这种方法比较简单。但校正效果不理想，只能达到0.9～0.92左右,一般用于三相输入的高频开关电源模块。有源功率因数校正方法是在输入端加入一个高频电感、一个二极管、一个高频开关管以及相应的控制器，组成升压变换器，控制器通过采集交流输入的电压信号和电流信号，控制开关管的开通与关断,从而使输入电流波形始终跟随输入电压波形，使高频开关电源模块的功率因数达到0.99以上，谐波失真小于5％。

4 高频开关电源模块的均流

与相控充电装置不同，高频开关电源模块组成的直流操作电源系统的充电装置一般采用N＋1冗余备份方式，并联模块之间通过均流电路实现各模块之间的功率分配，各模块间功率分配的均衡程度主要取决于均流方式。直流系统中的负荷包括两个部分：蓄电池组充电电流和控制母线负荷电流。蓄电池组长期处于浮充状态,充电电流很小,对于铅酸免维护电池,浮充电流只有额定容量的0.0l左右,加上控制负荷较小,整个充电装置处于轻载状态;当高压断路器合闸时,蓄电池组提供合闸冲击电流,与蓄电池组并联的充电装置由于电流过大处于限流保护状态,合闸冲击电流结束之后,由充电装置对蓄电池进行补充电,充电电流突增。因此均流电路需要保证充电装置无论是在轻载还是在超载下,都保持良好的均流特性,即所谓的“全范围均流”。如果在轻载下,均流特性不好,可能造成某些模块无电流输出,长期处于空载运行状态,严重影响模块的可靠性。

用于高频开关电源模块的均流方式比较多,比如：降压法、主从控制法、外部控制法、平均电流自动均流法、最大电流自动均流法等。考虑到直流系统充电装置的运行特性以及稳压/稳流精度的要求,我们在高频开关电源模块中采用了平均电流自动均流方法,该方法的优点是不存在主模块,而且并联模块数量不受限制,可以实现负载电流的精确分配和全负载范围均流。

5 高频开关电源模块的散热与防尘

充电装置是直流系统的心脏部分,其可靠性是直流系统安全运行的重要保证。对于高频开关电源模块组成的充电装置,一方面可采用N＋1冗余备份有效延长充电装置的平均无故障工作时间，另一方面则必须提高单台高频开关电源模块的平均无故障工作时间（即寿命）。高频开关电源模块是由大量的电阻、电容、电力电子器件等按照一定的电路方式组成,在进行功率变换过程中,总要产生一定的功率损耗,而且功率损耗通常以热能的形式散发，使电源模块温度上升。过高的温升对模块的寿命影响很大,模块的工作温度越高,性能和可靠性越低，使用寿命越短。因此,除采取高可靠性的电路方式之外,还必须选择合适的散热方式,有效降低高频开关电源模块温升,确保使用寿命。

目前用于电力直流系统的高频开关电源模块,主要采用强迫风冷和自然冷却两种散热方式。强迫风冷方式的优点是模块的体积小、重量轻、模块内部温度低等,缺点是噪声较大,存在风机自身寿命、线路板积尘问题。自然冷却方式的优点是无噪声,不存在