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(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(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”。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。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(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。