电力直流系统高频开关电源充电装置

电力直流系统高频开关电源充电装置内容摘要：

电力直流系统高频开关电源充电装置 122 | 电气时代 2006 年第 10 期品与技术 系统 & 装置随 着电网规模的逐渐扩大， 直流系统越来越体现出了其重要性， 充电装置作为直流能量的提供者， 它的发展方向应引起我们足够的重视。 目前， 高频开关电源正在电力直流系统中得到广泛应用。 高频开关电源的组成、 工作原理与特点高频开关电源主要由以下几部分组成 ： 主电路 ： 从交流电网输入交流能量到输出直流能量的全过程。 控制电路 ：一方面从输出端取样， 经与设定标准进行比较， 然后去控制逆变器， 改变其频率或脉宽， 使输出稳定 ； 另一方面， 根据测试电路提供的数据， 经保护电路鉴别， 提供控制电路对整机进行各种保护。 检测电路 ： 除了提供保护电路中正在进行各种参数外， 还提供各种显示仪表数据给值班人员进行观察， 记录。 辅助电源 ： 提供所有单一电路所谓的不同要求电源。 高频开关电源的工作原理如图 1 所示， 50 相 ( 三相 )交流电源经 波， 再整流滤波然后将滤波后的直流电经变换电路变换为数十或数百千赫的高频方波交流电， 通过高频变压器隔离并降压 ( 或升压 ) 后， 再经高频整流、 滤波， 输出直流电压。 通过取样、 比较、 放大及控制、 驱动电路， 控制变换器中功率开关管的占空比， 便能得到稳定的输出电压。 高频开关电源与传统的晶闸管整流电源相比具有以下优点 ： 适合于分散供电。 可与阀控密封式铅酸蓄电池配套。 模块自动均流， 充电电流连续可调。 噪声低， 开关频率在 40 上， 大于正常人的听觉频率 20 基本无噪声。 维护方便， 采用多个高频开关模块并联组成直流充电浮充电装置， 可以在运行中更换模块。 实行 N 1 配套， 即所需充电电流由 N 个模块提供即能满足要求时， 由 N 1 个模块供电， 所需电流由 N 1 个模块平均分配， 这样任何一个模块故障都不影响系统正常运行， 提高了系统供电的可靠性。 容量大， 扩容方便， 初建时， 可预计终期容量机架， 整流模块可根据扩容计划， 逐步增加。 调试方便， 内设模拟测试电路。 自动化程度高， 配有微机监控， 远端接口， 组成智能化电源设备， 便于集中监控， 无人值守。 对交流输入要求低， 在三相严重不平衡时， 仍能输出提供负载稳定的直流电。 高频开关电源的几个关键问题1. 高频开关电源模块的功率因数及谐波电力直流系统高频开关电源充电装置文 / 武汉大学电气工程学院 巩晓昕直流系统是变电站的关键设备系统， 对电力系统安全运行具有特殊重要性， 在正常运行和事故情况下都必须保证不间断地供电， 并满足电压质量和供电能力的要求。 表 1 高频开关电源与传统的相控电源通过实测数据进行的部分性能比较特性 高频开关电源 晶闸管整流电源功率因数 满载时 ) 90% 60% 80%动态响应 / 2 100重量比 体积比 功耗比 稳压精度 一般在 左右 一般在 左右纹波系数 2%工作频率 20 500 频平均无故障时间 /h 100 000图 1 开关电源的基本原理图交流输入 006 年第 10 期 | 123品与技术系统 & 装置高频开关电源一般采用电容滤波的方式， 交流输入电压经整流后直接加在滤波电容两端， 以得到较为平直的直流电压。 整流器和电容滤波电路是一个非线性元件和储能元件的组合， 只有交流输入电压高于滤波电容两端电压时， 滤波电容才开始充电， 因此， 虽然输入的交流电压是正弦波， 但输入电流波形是宽度很窄的脉冲， 脉冲状的输入电流含有大量的谐波 , 使电路的功率因数变低并对电网产生污染。 1) 谐波电流对电网的危害 大量的谐波电流流入电网，造成对电网的谐波污染， 一方面产生 “二次效应”， 即电流流过线路阻抗造成谐波电压降， 反过来使电网电压 ( 原来是正弦波 ) 发生畸变， 干扰其他用电设备， 使测量仪产生误差 ； 另一方面， 会造成电路故障， 使变电设备损坏。 因此 关标准中， 对不同容量开关电源的功率因数及谐波电流值有严格的规定， 以确保电网的洁净。 2) 功率因数校正 ( 有无源功率因数校正 (和有源功率因数校正 (两种校正方式。 其中无源功率因数校正 (采用电感、 电容等无源元件来改善输入级的功率因数， 减小电流谐波， 电路简单， 但体积庞大、 笨重， 功率因数可达到 主要用于三相交流输入的电源。 有源功率因数校正 (要提高设备的功率因数， 不仅要减小输入的基波电流与电压的相位差， 还要减小总的谐波分量。 有源功率因数校正即要通过控制输入电流， 减小输入电流的畸变， 使其跟踪输入电压波形， 使电流与电压间相位差 0。 2. 高频开关电源模块的防尘高频开关电源模块在进行功率变换的过程中， 总要产生一定的功率损耗， 功率损耗通常以热能的形式散发到模块内部， 使模块温度上升。 为降低模块内部的温度， 需要在模块上设置散热风道。 由于变电站的工作环境中空气中尘埃含量较高， 特别是新建变电站， 直流系统经常在土建尚未完成之前投运， 如果不采取有效的防尘措施， 会造成大量水泥灰尘等吸附在高频开关电源模块的线路板或元器件上， 引起绝缘强度下降， 甚至短路。 引起尘埃的因素有两种 ： 风机和静电吸附。 防尘措施主要有以下三种方式 ：1) 防尘罩 用于风冷方式， 在进风口处安装， 需要经常清洗， 否则容易堵塞通风孔而影响散热， 此方式不适合于无人值守变电站。 2) 自然冷却 需要在模块上开许多散热孔， 可以避免风机吸入灰尘， 无法消除静电吸附的灰尘。 3) 温控风冷封闭风道 轻载时， 风机关闭 ； 满载时，风机运转， 提高风机寿命 ； 完全封闭的散热风道， 散热风流仅通过散热器表面， 使散热通道与内部电路隔离， 消除风机和静电吸附引入的线路板积尘。 3. 高频开关电源模块的均流并联开关电源模块间的均流是实现大功率电源系统的关键。 均流可以保证模块间应力和热应力的均匀分配， 防止一台或多台电源模块运行在电流的极限状态。 所以均流是电源系统可靠运行的基本要求。 实现均流的方法很多， 如输出阻抗法、 主从法、 平均电流法、 最大电流法、 热应力法等。 在诸多均流方法中， 最大电流法和平均电流法得到了广泛的应用，无论是均流精度还是系统稳定性都优于其他方法。 4. 高频开关电源的备份方式相控型直流系统的整流器一般采用一主一备方式。 高频开关直流系统的整流器一般采用多个高频开关电源模块并联，备份方式为 N 1 方式， 其中 N 是额定情况下所需模块的数量， 1 是备用模块。 正常情况下， 在均流电路控制下， 所有模块平均分担负荷电流， 当某一模块出现故障时， 自动退出运行， 其余模块正常运行。 高频开关电源系统组成框图高频开关电源系统主要有 3 种组成方式， 分别如图 2 图4 所示。 电力高频开关电源的发展趋势1. 直流系统的发展趋势( 下转第 126 页 )图 2 系统组成方式 1交流输入 充电装置 合闸馈出控制馈出绝缘监察电压置蓄电池组监控单元远程通信图 3 系统组成方式 2交流输入 充电装置 合闸馈出控制馈出绝缘监察蓄电池组监控单元远程通信126 | 电气时代 2006 年第 10 期品与技术 系统 & 装置弦， 但电压尖峰的问题比较明显， 这与仿真结果相符。 在试u 60 V/ 格 ； t ： 5 格(a) 输出线电压波形u 50 V/ 格 ； i 5 A/ 格 t： 5 格(b) 输出线电压、 电流波形u A： 30 V/ 格 ； i A： 5 A/ 格 t ： 5 格(c) 输出相电压、 电流波形图 5 试验波形( 上接第 123 页 )在直流系统的配置上， 主要有 ： 系统设备简单可靠， 维护工作量小， 使用集中监控， 向智能化、 无人值守方向发展。 整流设备低功耗， 小体积， 长寿命， 以节约能源减少投资。 可靠性、 扩容灵活性和经济合理性。 向无污染、 绿色电源方向发展。 2. 高频开关电源的未来发展高效率、 智能化、 集成化、 小型化以及高可靠性是高频开关电源今后的发展方向， 尤其是在开关整流器上， 现在已经采用 联而成的组合器件， 它兼有 减小了开关损耗，提高了工作效率。 验过程中还发现， 软件调节功率器件的开关频率高时波形的谐波较小， 正弦性更强 ； 脉冲的占空比较大时波形也相对较好 ； 加载时杂波干扰比较严重， 尖峰也很大， 空载的情况相对要好一些。 收稿日期 ： 关文章流可逆调速微机控制系统 电气时代 2004 年第 11 期同时近几年高频开关电源应用新技术有 3 项重要内容 ： 功率因数校正与脉宽调制二合一的 制器的电路分析。 大幅提高电源整机效率的副边同步整流控制器 实体解剖 3 500 W ， 6 000 W 高档开关电源， 全面测量直流输出 48 V/70 A 和 350 V/10 A 两种电源通电加载不同负载下的实测数据与波形。 目前， 一种新型的软开关技术逐渐在电力系统中得到应用， 它解决了传统的 关技术中开关损耗随着频率的增大而升高的缺陷， 在零电压、 零电流条件下完成开关过程， 从而使开关损耗减小为零， 同时还解决了开关噪声给电路带来的严重的电磁干扰的问题， 使开关电源在更高的频率下工作，同时具有更高的效率。 收稿日期 ： 关文章开关电源的新技术与发展前景 电气时代 2003 年第 6 期开关电源直流 波器的设计与实现 电气时代 2004 年第 8 期开关电源电磁干扰滤波器 电气时代 2005 年第 1 期图 4 系统组成方式 3交流输入 充电装置 合闸馈出控制馈出绝缘监察蓄电池组调压装置充电装置。