解读电力系统智能高频开关电源特性及应用前景

解读电力系统智能高频开关电源特性及应用前景

发表时间：2018-08-09T09:37:48.547Z 来源：《电力设备》2018年第12期作者：姚昆洪伊俐

[导读] 摘要：高频开关电源具有体积小、重量轻、安全可靠、自动化程度及综合效率高、噪音低等诸多优点。

（杭州中恒电气股份有限公司浙江杭州 310053）

摘要：高频开关电源具有体积小、重量轻、安全可靠、自动化程度及综合效率高、噪音低等诸多优点。目前，电力直流电源系统已逐步采用高频开关电源作为系统的主要充电装置。究其原因，高频开关电源系统对比原始直流设备自然其独特的优势，本文亦会浅谈两者应用在直流电源系统上的的优劣点。

关键词：高频开关电源；电力；电源系统

1 前言

在电力系统中，直流电源为断路器的分、合闸及二次回路中的仪器、仪表、继电保护和应急故障照明回路等提供不间断的直流电，是发电厂和变电站中及其重要的设备。因直流电源故障而引发的事故时有发生，所以对直流电源的可靠性、稳定性提出了更高的要求。传统的直流电源多采用可控硅整流型，近几年许多直流电源厂家推出智能化的高频开关电源，适应电网发展的综合需求，值得在各变电站，用户变中推广使用。

目前，我国电力电源系统采用的直流电源也正由传统的相控电源逐步向模块化的高频开关电源转变。直流电源系统主要是由交流配电、高频开关充电模块、监控系统、直流馈电、蓄电池组等组成。常规运行时高频开关充电模块输出可靠的直流电为电池组充电，同时为馈线单元供电。当交流异常断电时，由蓄电池组保证直流负载不断电正常运行。这中间监控系统对直流系统中各功能单元进行长期自动检测，获取其中各运行参数和状态，根据测量数据及运行状态进行实时处理，实现电源系统的全自动精确管理，保证其工作的连续性、可靠性和安全性。

2 高频开关电源的原理和特性

2.1 高频开关电源的原理

高频开关整流器一般是先将交流电直接经二极管整流、滤波成直流电，再经过开关电源变换成高频交流电，通过高频变压器变压隔离后，由快速恢复二极管高频整流、电感电容滤波后输出稳定可靠的直流电。

2.2 采用高频化有较高技术经济指标

理论分析和实践经验表明，电器产品的体积重量与其供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz时，用电设备的体积重量大体上降至工频设计的（5～10）％。这正是开关电源实现变频带来明显效益的基本原因。逆变或整流焊机、通讯电源用浮充电源的开关式整流器，都是基于这一原理。

那么，以同样的原理对传统的电镀、电解、电加工、浮充、电力合闸等各种直流电源加以类似的改造，使之更新换代为“开关变换类电源”，其主要材料可以节约90％或更高，还可节电30％或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，既可带来显著节能、节材的经济效益，更可体现技术含量的价值。

2.3 设计模块化――自由组合扩容互为备用提高安全系数

模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的应力（表现为过电压、过电流毛刺）。为了提高系统的可靠性，而把相关的部件做到一个模块中。多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载电流。这样，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情况下满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，便极大地提高了系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为修复提供了充分的时间。

在电力电源系统中模块的自主均流精度、输入输出过欠压，过温保护功能、维护是否安全（带电热插拔护）、模块的防尘，防潮，散热技术等优劣也一直是评判高频开关电源好坏的一项重要标准。

3 电力智能高频开关电源系统与原始直流设备的性能比较

以前我国各地的发电厂、水电站及500kV、220kV、110kV、35kV等各类变电站所使用的直流电源设备，大部分采用的是相控电源，由于受工艺水平和器件特性的限制，上述电源长期以来处于低技术指标、维护保养难的状况。我国在近几年来也逐步完成了从原始直流设备到高频直流电源系统的过渡。

3.1 相控电源硅整流器采用1+1主从备份方式，而高频开关电源采用N+1模块冗余并联组合方式供电，即如果N个模块的输出电流能满足充电电流需要，则采用N+1模块平均分配，因此，可提高系统运行可靠性。个别模块故障时，可带电更换，不影响系统的正常运行，扩容维护方便。

3.2 可控硅整流器运行于浮充电方式时，直流输出的纹波系数较大，曾发生中央信号装置误动作和高频继电保护误发信号等事故，按规范要求纹波系数不大于2%。可控硅整流器与蓄电池并联运行，纹波系数较大时，若浮充电压波动或偏低会出现蓄电池脉动充电放电现象，对蓄电池不利。高频开关电源系统的充电装置采用多个智能化模块并联组合供电，使得供电质量和技术参数明显提高。

3.3 高频开关电源整流模块具有内置微处理器，是提高设备管理水平的基础，在满足直流系统故障信号应尽量完善的前提下，使接线简单，安装调试快捷。除了能在面板上直接显示输出电流和电压及模块的各种运行状况外，还能通过监控模块与电力系统的自动化网或变电工区直流班监控系统通信，进行远程监视和对模块各项操作，实现“遥测、遥信、遥控、遥调”四遥功能。而传统的直流电源一般在屏柜上装设电流、电压表和其它专用装置对设备进行监视，而这些测量值不能经通信口实现远程监视（微机型除外）。即使有遥测，也是采用直流采样方式，采样点不多，对反映各种运行状况的信号也以接点方式接至光字牌或遥信屏，且接线繁琐，自动化程度低，实现遥控和遥调功能的难度较大。

再者高频开关整流模块电源系统设有微机型集中监控系统，系统配置不同的监控器可以用61850、MODBUS、CDT91等协议，接口可选择RS232 、RS485、以太网等方式，方便实现与自动化系统后台对接。监控系统由主监控和各子监控组成，采用模块式集散结构，单元功能相对独立，单元故障不会在系统中扩散，提供系统的可靠性。工作中对直流系统进行四遥监控，具有测量模块的输出电流和