高频开关电源在电力系统的优势及应用

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、噪音低等特点，目前，电力系统已逐步采用这种电源系统。高频开关整流器与原始直流设备的性能比较关键词：高频开关电源；特点；性能比较；应用

中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：

1、前 言在电力系统中，直流电源作为继电保护、自动装置、控制操作回路、灯光音响信号及事故照明等电源之用，是发电厂和变电站比较重要的设备。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、稳定性具有很高要求。传统的直流电源多数采用可控硅整流型。近几年来，我国电网已经全面采用智能化的高频开关电源，这种电源系统具有许多优点：安全、可靠、自动化程度高、具有更小的体积和重量、综合效率高以及噪音低等，大大降低了运行人员的工作量，适应电网发展的需要，值得推广使用。高频开关电源整流器的工作原理：交流电源接入整流模块，经滤波及三相全波整流器后变成直流，再接入高频逆变回路，将直流转换为高频交流，最后经高频变压器、整流桥、滤波器后输出平稳直流。这种高频开关电源主要由高频开关充电模块、集中监控器和蓄电池组等组成，其中充电模块和集中监控器具有内置微处理器，智能化程度高。高频开关电源系统正常运行时，充电机的输出与蓄电池组并联运行，给经常性负荷供电，同时对蓄电池进行浮充电，以补充蓄电池的自放电。当交流电源输入中断后，由蓄电池组给负荷供电，以保证对负荷连续不间断供电，当交流电源恢复正常后，系统自动对蓄电池进行均充电，对蓄电池大量放电后进行电能的快速补充。

2、高频开关电源的原理和特性

2.1高频电源系统方框图

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，见图1。

图1

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，而把相关的部分做成模块。

把开关器件的驱动、保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块（IPM），这既缩小了整机的体积，又方便了整机设计和制造。

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。

3电力智能高频开关整流器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。由于受变压器或晶闸管自身参数的限制，上述电源存在很多不足之处，已远远不能满足飞速发展的电力工程的需要，而以体积小、重量轻、效率高、输出纹波低、动态响应快、控制精度高、模块可叠加输出、N＋1冗余等为特点的高频开关电源逐步取代相控电源已是大势所趋，特别是近十年来电力电子技术的迅猛发展以及功率器件制造技术的提高，更使高频开关电源的可靠性及适用面大大优于前者，所以自上世纪90年代以后，美国、德国等西方发达国家新建电厂和变电站的相关设备已全部采用高频开关电源，并完成了对旧有电源设备的改造。而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的过渡。

表1高频开关电源直流系统与常规电源直流系统的比较

由以上表格我们可以看出，智能型高频开关电源与传统的相控电源比较，主要技术指标均优于部标1～2个等级以上，具有以下优点。（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。（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，按部颁要求纹波系数不大于2%。另外，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。模块采用准谐振技术（或脉宽调制技术）和电流电压双环控制技术，提高开关工作频率，开通损耗小，输出电压的纹波系数很小，一般≤±0.1%额定电压，进而可防止蓄电池脉动充电放电，延长蓄电池的使用寿命，可靠性更高。（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，实现四遥功能。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，且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，因此，接线繁琐，自动化程度低，实现遥控和遥调功能的难度较大。 （4）按部颁要求，充电时稳流精度误差≤±5%，浮充电时稳压精度误差≤±2%。而高频开关电源稳压、稳流精度更高，其误差一般≤±0.5%，可避免对蓄电池过充、欠充，保证蓄电池运行在最佳状态。阀控式电池容量大、维护量孝放电倍率低，适用于大容量的直流电源。从原理性能看，高频开关模块适合与阀控式电池配套使用。（5）高频开关电源整流模块具有并联运行方式下自动均流功能。同时，设有过流、过压及瞬时短路保护，安全可靠的防雷措施，能有效地承受输出短路冲击。另外，采取多重有效措施，防止高频电源及谐波对交流电网侧的干扰。（6）高频开关电源综合转换效率高，多数厂家的转换效率达到90%以上，而相控电源转换效率一般只有60%～80%。再有一大特点就是这种电源系统设有微机型集中监控装置，可以支持多种通信协议，与调度中心或变电工区的直流班监控系统通信，对直流系统进行四遥监控，具有测量模块的输出电流和电压、直流母线电流和电压、电源的输出电流和电压、电池充放电电流和电压等；控制电源的开关机等；控制高频开关电源实现对蓄电池浮充、均充方式的自动转换；控制硅链的自动或手动投切，保证控制母线的稳压精度等功能。同时，这种系统还设有专用微机绝缘监察装置，能实时显示母线电压和正、负母线对地绝缘电阻的大小及发出异常报警，对各回馈线的绝缘情况进行巡检，指示具体发生故障的回路，这种选线功能为查找直流接地带来极大方便。

4、结束语

目前，我国正大力实施变电站的无人值班管理，因此，对设备的选择将会朝着小型化、少维护或免维护及自动化程度高的方向发展。高频开关直流电源正能适应这种要求，经过这几年的运行考验，这种产品的性能已逐步成熟、稳定。凭着优越的技术性能和良好的价格性能比，高频开关电源将成为直流电源的首选产品。参考文献

[1] 白忠敏，刘百震，於崇干《电力工程直流系统设计手册（第二版）》，2009年，中国电力出版社

[2]DL/T 857-2004《电力用直流电源监控装置》 国家经济贸易委员会

[3]DL/T 781-2001《电力用高频开关整流模块》 国家经济贸易委员会

[4]DL/T 459-2000《直流电源柜订货技术条件》 国家经济贸易委员会

[5] DL/T 5044-2004 《电力工程直流系统设计技术规程》 国家经济贸易委员会

[6] 国家电网公司.《直流电源系统管理规范》.北京：中国电力出版社，2006.

作者简介

张克超（1960-），男，河北天津，副高级工程师，大学本科，1982年毕业于天津大学，主要从事电力配电网运行与维护管理工作。