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、散熱防塵等問題進行描述,并對直流操作電源系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢進行討論。 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(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(diào)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(shè)備,容易組成成套裝置；自放電電流?。浑姵貕勖L，25℃的浮充壽命可達l0～15年；結(jié)構(gòu)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(yīng)”。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(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,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(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)可靠運行和電池壽命上都有較好的效果，受到設(shè)計和運行人員的好評。 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)場運行。 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(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),平時蓄電池處于全浮充狀態(tài)。對于控制、動力母線分別設(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力母線并聯(lián)，在動力母線和控制母線之間設(shè)置自動調(diào)壓裝置，控制母線的負荷由動力母線經(jīng)自動調(diào)壓裝置提供,原理如圖2所示，該方式要求自動調(diào)壓裝置有較高的可靠性；另一種是將模塊分成兩組,一組輸出與動力母線、電池組并聯(lián),另一組輸出與控制母線并聯(lián),動力母線和控制母線之間設(shè)置自動調(diào)壓裝置,在正常情況下,控制母線負荷由模塊提供,自動調(diào)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(diào)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(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，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(shù)通常只有0.6～0.7。這種開關(guān)電源模塊對電網(wǎng)造成諧波污染,形成電力公害,干擾其他用電設(shè)備,使測量儀表產(chǎn)生較大誤差。為降低電源裝置對電網(wǎng)的污染，EMI及EMC的有關(guān)標準對不同功率等級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,需要對高頻開關(guān)電源模塊的功率因數(shù)進行校正。 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(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高頻電感、一個二極管、一個高頻開關(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和電流信號，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(lián)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(jié)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(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、平均電流自動均流法、最大電流自動均流法等?？紤]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(guān)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(lián)模塊數(shù)量不受限制,可以實現(xiàn)負載電流的精確分配和全負載范圍均流。 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)安全運行的重要保證。對于高頻開關(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(guān)電源模塊的平均無故障工作時間（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,主要采用強迫風冷和自然冷卻兩種散熱方式。強迫風冷方式的優(yōu)點是模塊的體積小、重量輕、模塊內(nèi)部溫度低等,缺點是噪聲較大,存在風機自身壽命、線路板積塵問題。自然冷卻方式的優(yōu)點是無噪聲,不存在風機壽命問題,缺點是體積大、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),無論是強迫風冷還是自然冷卻,散熱風道均采用敞開式結(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)常提前投入運行。如果不采取有效的防塵措施,就會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,一是風機抽入的塵埃,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：在模塊進風口處安裝防塵罩,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孔容易堵塞而影響通風散熱效果。這種方式不適合用于無入值班的變電站中。 采用自然冷卻:可以避免風機吸入灰塵,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,綜合考慮了強迫風冷和自然冷卻的優(yōu)缺點以及變電站現(xiàn)場的情況,模塊散熱方式采用溫控強迫風冷方式和封閉式散熱風道。風機由溫度檢測電路控制,只有當模塊散熱器溫度高于設(shè)定值時,風機才運轉(zhuǎn)。由于直流系統(tǒng)的充電裝置長期處于輕載運行，一般只有額定容量的l5％左右，散熱器溫度低于風機開啟溫度,風機不工作。這種散熱方式可以保持模塊內(nèi)部溫度相對穩(wěn)定,不隨外部環(huán)境及負載變化，風機壽命提高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道，使散熱風流僅通過散熱器的表面，實現(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,同時又提高散熱效果，充分提高充電模塊對環(huán)境的適應(yīng)能力。 6 直流系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 為保證變電站中的后臺機、自動裝置、變送器、通信設(shè)備、保護裝置等交直流用電裝置的安全運行,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，導致設(shè)備造價高,維護量大,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)備造價和維護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，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,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，僅需對直流系統(tǒng)的蓄電池組進行智能化管理,從而減少系統(tǒng)的維護。 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?？紤]到系統(tǒng)運行時的負荷特性,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,防止靜電吸附和風機引起的線路板積塵。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。