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操作電源系統

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是發電廠、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電廠和變電站設備的安全可靠運行。

1 操作電源系統 -摘要:

就高頻開關直流操作電源系統的組成及高頻開關電源模塊的功率因數、均流方式、散熱防塵等問題進行描述,並對直流操作電源系統今後的發展趨勢進行討論。

關鍵詞:高頻開關電源直流操作電源

2 操作電源系統 -l引言

直流操作電源系統是發電廠、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電廠和變電站設備的安全可靠運行。中國發電廠和變電站中正在運行的直流操作電源系統有很多仍是較落後的陳舊設備,存在較多的缺陷,引發了不少事故,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提出了更高的要求,與防酸隔爆蓄電池及鎘鎳鹼性電池相比,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;結構緊湊、密封性好、抗震動性能好;不存在鎘鎳鹼性電池的「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。如果仍採用陳舊落後的充電裝置,出於其穩壓、穩流精度低,紋波係數高,可能造成閥控密封蓄電池的壽命降低甚至本體漲裂損壞,而使整個直流系統癱瘓。

通信電源經過近幾年的發展,已普遍採用了閥控密封鉛酸蓄電池和高頻開關電源模塊組成的充電裝置。高頻開關電源模塊具有體積小、重量輕、雜訊低、穩壓精度高、紋波係數小、配置靈活的特點,與閥控密封鉛酸蓄電池配套使用,可以增加直流系統的可靠性和穩定性。當前,城鄉電網建設和改造工程中已開始部分採用高頻開關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。

 


東方電子信息產業股份有限公司自96年開始研製開發智能型高頻開關直流操作電源系統,至今已有百餘套直流電源在現場運行。

2直流操作電源系統組成

高頻開關電源模塊目前有5A、l0A和20A三種,根據負載要求和蓄電池容量的不同,可以由多台模塊按照N+l備份原則並聯組成幾十到幾百安的直流操作電源系統。圖l是直流操作電源系統的原理框圖,這是一種單母線接線方式,模塊輸出和直流母線、蓄電池組並聯,平時蓄電池處於全浮充狀態。對於控制、動力母線分別設置的直流操作電源系統,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並聯,在動力母線和控制母線之間設置自動調壓裝置,控制母線的負荷由動力母線經自動調壓裝置提供,原理如圖2所示,該方式要求自動調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、電池組並聯,另一組輸出與控制母線並聯,動力母線和控制母線之間設置自動調壓裝置,在正常情況下,控制母線負荷由模塊提供,自動調壓裝置由於承受反壓處於備用狀態,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高頻開關電源模塊的輸入功率因數

輸入功率因數低是早期高頻開關電源模塊普遍存在的問題,這主要與採用的電路形式有關。在早期的高頻開關電源中,交流輸入電壓經整流后直接加在濾波電容兩端,只有交流輸入電壓高於濾波電容兩端電壓時,整流二極體才開始導電,因此輸入電流波形為寬度很窄的脈衝,輸入電流諧波失真嚴重,功率因數通常只有0.6~0.7。這種開關電源模塊對電網造成諧波污染,形成電力公害,干擾其他用電設備,使測量儀錶產生較大誤差。為降低電源裝置對電網的污染,EMI及EMC的有關標準對不同功率等級電源裝置的功率因數及諧波電流值有明確的規定,因此,需要對高頻開關電源模塊的功率因數進行校正。

功率因數校正的基本方法有兩種,無源功率因數校正(PFC)和有源功率因數校正(APFC)。無源功率因數校正方法是在輸入端加入電感量很大的低頻電感,並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,一般用於三相輸入的高頻開關電源模塊。有源功率因數校正方法是在輸入端加入一個高頻電感、一個二極體、一個高頻開關管以及相應的控制器,組成升壓變換器,控制器通過採集交流輸入的電壓信號和電流信號,控制開關管的開通與關斷,從而使輸入電流波形始終跟隨輸入電壓波形,使高頻開關電源模塊的功率因數達到0.99以上,諧波失真小於5%。

4高頻開關電源模塊的均流

與相控充電裝置不同,高頻開關電源模塊組成的直流操作電源系統的充電裝置一般採用N+1冗餘備份方式,並聯模塊之間通過均流電路實現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於均流方式。直流系統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。蓄電池組長期處於浮充狀態,充電電流很小,對於鉛酸免維護電池,浮充電流只有額定容量的0.0l左右,加上控制負荷較小,整個充電裝置處於輕載狀態;當高壓斷路器合閘時,蓄電池組提供合閘衝擊電流,與蓄電池組並聯的充電裝置由於電流過大處於限流保護狀態,合閘衝擊電流結束之後,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「全範圍均流」。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,長期處於空載運行狀態,嚴重影響模塊的可靠性。

 


用於高頻開關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。考慮到直流系統充電裝置的運行特性以及穩壓/穩流精度的要求,我們在高頻開關電源模塊中採用了平均電流自動均流方法,該方法的優點是不存在主模塊,而且並聯模塊數量不受限制,可以實現負載電流的精確分配和全負載範圍均流。

5高頻開關電源模塊的散熱與防塵

充電裝置是直流系統的心臟部分,其可靠性是直流系統安全運行的重要保證。對於高頻開關電源模塊組成的充電裝置,一方面可採用N+1冗餘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台高頻開關電源模塊的平均無故障工作時間(即壽命)。高頻開關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,總要產生一定的功率損耗,而且功率損耗通常以熱能的形式散發,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,除採取高可靠性的電路方式之外,還必須選擇合適的散熱方式,有效降低高頻開關電源模塊溫升,確保使用壽命。

目前用於電力直流系統的高頻開關電源模塊,主要採用強迫風冷和自然冷卻兩種散熱方式。強迫風冷方式的優點是模塊的體積小、重量輕、模塊內部溫度低等,缺點是雜訊較大,存在風機自身壽命、線路板積塵問題。自然冷卻方式的優點是無雜訊,不存在風機壽命問題,缺點是體積大、成本高。

 


高頻開關電源模塊首先是在通信電源行業得以推廣應用,許多高頻開關電力直流電源中的一些技術也是從通信用高頻開關電源轉化而來,模塊的散熱方式也大多沿用通信電源的技術,無論是強迫風冷還是自然冷卻,散熱風道均採用敞開式結構。但變電站的工作環境要比通信機房惡劣,空氣中塵埃含量很高,特別是新建站,經常是土建工程尚未結束,由於繼電保護等裝置的調試需要直流電源,使得直流電源經常提前投入運行。如果不採取有效的防塵措施,就會造成大量的水泥灰等塵埃吸附在電源模塊內的線路板或元器件上,引起絕緣下降,甚至短路,使模塊出現故障。

高頻開關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,一些開關電源模塊採取了如下一些揩施:

採用防塵罩: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。這種方式不適合用於無入值班的變電站中。

採用自然冷卻:可以避免風機吸入灰塵,但出於散熱需要,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。

東方電子信息產業股份有限公司在研製開發高頻開關電源模塊的過程中,綜合考慮了強迫風冷和自然冷卻的優缺點以及變電站現場的情況,模塊散熱方式採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於設定值時,風機才運轉。由於直流系統的充電裝置長期處於輕載運行,一般只有額定容量的l5%左右,散熱器溫度低於風機開啟溫度,風機不工作。這種散熱方式可以保持模塊內部溫度相對穩定,不隨外部環境及負載變化,風機壽命提高2~3倍,從而提高高頻開關電源模塊的可靠性。在防塵方面,採用完全封閉的散熱風道,使散熱風流僅通過散熱器的表面,實現散熱通道與內部電路的隔離,既可以防止電路板產生積塵,同時又提高散熱效果,充分提高充電模塊對環境的適應能力。

6直流系統的發展趨勢

為保證變電站中的後台機、自動裝置、變送器、通信設備、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置,各自配置一組蓄電池,導致設備造價高,維護量大,可靠性低,資源利用率低。

隨著高頻開關電源技術在直流系統中的推廣應用,人們開始考慮如何合理應用變電站的資源、降低設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採用這樣一種組合方式:用正弦波逆變電源代替UPS設備,用大功率DC/DC變換器代替通信電源裝置,兩種設備的輸入直接掛靠在直流系統的母線上。交流電正常時,由直流系統的充電裝置提供逆變器和DC/DC變換器的用電;交流失電時,由直流系統的蓄電池組提供直流用電。逆變器和DC/DC變換器的狀態信息送入直流系統的監控單元。

採用上述方式,至少可以省去UPS和通信電源裝置中的蓄電池組以及監控單元,在設備的管理上,僅需對直流系統的蓄電池組進行智能化管理,從而減少系統的維護。

7結語

高頻開關直流操作電源系統的充電裝置由多個高頻開關電源模塊按N+1冗餘備份方式並聯組成,為降低對電網的諧波污染,高頻開關電源模塊應具有功率因數校正功能。考慮到系統運行時的負荷特性,高頻開關電源模塊應具有全範圍均流特性,而且模塊的散熱應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備成本,該集成方式將成為今後直流操作電源系統的發展方向之一。

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