高频开关电源与相控电源之比较.doc

高频开关电源与传统相控电源之比较摘 要: 通过对高频开关电源与传统相控电源的技术经济比较，结合工程实践，提出在水电站机电设计选型中不断消化、吸收新产品、新技术，不断优化产品设计，提高勘测设计产品质量，在市场竞争中始终立于不败之地。关键词: 高频开关电源；相控电源；直流系统；整流装置；充电；浮充电；稳压精度；稳流精度；阀控式蓄电池引言从80年代以来，我国水电行业直流操作电源几乎一直沿用体积庞大，且操作、维护复杂的可控硅相控式电源。从80年代后期，国外许多厂家纷纷推出结构轻巧且功能其全，性能优越且维护简便的高频开关电源，这一产品一经问世，便受到广大工程技术人员的热切关注，高频开关电源首先在国外水电工程中得到应用。我国发展较慢，直到90年中期才接受和引进这一技术，经过近十年努力，高频开关电源设备选型几经更新换代，目前这一技术日异成熟，已在我国大中型水电建设中得到广泛应用。1. 高频与相控的技术性能比较随着水电站无人值班，少人值守的实施、普及和阀控式密封铅酸蓄电池(免维护蓄电池)的应用，电力部门对直流系统的性能要求越来越高，传统的相控整流装置已不能满足要求。大多数阀控式蓄电池在传统的相控充电设备下运行1-2年后，均不同程度出现电池胀裂(电池相体膨胀)和电池失较(电池开路)。出现这种情况的根本原因在于传统相控充电设备输出电压、电流不稳。这种现象在电源小电流输出时最为明显，这时系统纹波增大，电流谐波含量增多。由于相控电源响应速度慢(1/50s)，无法及时调整，当交流电网电压变化时，浮充电压忽高忽低、浮充电流忽大忽小，密封铅酸蓄电池长时间处于过充电状态，电池内部的化学平衡被打破，过量气体无法与海绵铅发生化合作用，结果导至电池损坏。高频开关电源由于具有高质量的直流输出，其稳压稳流精度0.5%，纹波系数0.1%，其响应速度200s，即使电源电压有20%的大幅度变化或负载端有大电流冲击，亦能迅速进行调整。始终保持稳定的浮充电压和很低的纹波系数。从而保证了阀控式蓄电池的内部化学反映的平衡，为这类新型电池的安全运行和长寿命提供了保障。传统的相控整流电源不能容忍其输出端发生任何情况的短路(长时间或多次瞬时短路)，高频开关电源允许负载发生短路，且短路电流不超过系统的定值。这一点在蓄电池因事故深度放电或大电流放电后再进行充电时显得更为重要。当蓄电池充电时选用相控充电装置，在充电初期，由于蓄电池电压过低，充电电流则会过蓄电池安全充电倍率，对蓄电池形成冲击，严重影响蓄电池寿命。而高频开关电源最大输出电流不受负载的影响，只取决于出厂前设置的设备容许最大输出值，这一数值是根据设计计算的蓄电池容量来确定的。通过这下限制，确保了蓄电池在深度放电后仍按照安全充电倍率逐渐恢复其容量。直流220V操作系统使用数量众多的单体蓄电池，长期运行不可避免会出现某一电池提早失效，即相当于蓄电池开路。此时，相控电源是不允许蓄电池脱离单独运行的，因相控直流电压不稳等诸多因数，将直接导致继电保护、自动装置的误动作，给电力系统带来无法预料的损失。而高频开关电源，由于直流输出电压稳定且质量很高，即使发生蓄电池脱离系统运行仍可以单独带负荷供电，大大提高了系统运行的稳定性。由于高频开关电源逆变频率大幅度提高，使得电感、电容等元器件体积大幅度减小，一般相控电源所配置的工频变压器大略在几十公斤到数百公斤，而高频开关电源的每个电源模块内的高频隔离变压器仅为2公斤左右。并且每个模块就是一台独立的充电器，可以相互并联组成容量不同的系统。由于体积减小、重量轻，充电柜与馈电柜可做在一起，模块与模块之间可以彼此互换，可带电插拨，更换时无时间限制，使得直流系统的维护变得简便而从容。2. 高频与相控的可靠性比较相控电源发生故障时，需将整台充电装置退出系统运行，且故障修复难度大，周期长，影响系统正常供电。而高频开关电源的模块化结构与(N+1)备份形式，使直流系统供电的可靠性大幅度提高，当系统(以40A充电装置为例，4台10A电源模块并联)中任一模块故障时，该模块自动退出，其它模块继续运行。充电容量减少到30A，而其它电气性能不受任何影响，由于故障模块可带电更换，无须整台充电装置停电，故系统可靠性大大提高。只要事先准备好备品模块，当发生故障时，先在线替换，然后再将故障模块细致修复，使维护运行管理工作变得更加简便、轻松自如。3. 高频与相控的技术参数比较技术指标内容高频开关电源相控电源稳压精度0.5%2%稳流精度0.5%2%输出纹波电压有效值0.1%2%电网调整率0.5%2%负载调整率0.5%2%效率90%0.90.7可靠性(N+1)备份(1+1)备份开机浪涌无有系统结构模块化结构系统柜结构微机管理智能化充电系统操作管理系统操作管理系统通信接口RS-232和四遥RS-232和四遥噪音55dB65dB4. 高频与相控的经济性能比较4.1高频开关电源4.1.1高频开关电源由于采用了模块化结构，使其在水电站二次设备更新换代时，对直流系统的扩充改善变得更加方便灵活。4.1.2从设备投资上看，由于高频开关电源可实现在线维修；充电、浮充电可实现一体化，做在一起；采用微机智能化管理，自动切换运行工况。由于在投资上节省了一套充电设备，因此系统成本大大降低。4.1.3由于电源质量高，提高了蓄电池使用寿命，对控制、保护、监控等靠直流电源供电的设备提供了良好的运行环境，使设备运行时间延长。4.1.4直流电源运行稳定，水电站内部由于直流电源造成的设备误动，停机等故障不会发生，使电厂营运更可靠，效益更明显。4.2相控电源4.2.1设备庞大，安装困难，充电、浮充电不能做在一起，智能化程度低，不能用于“无人值班、少人值守”的电站，不利于对直流设备的自动化管理。4.2.2由于相控电源是独立的调压整流装置，不利于水电站直流系统增容，当直流负荷变动时，设备需整体更换。4.2.3设备维修困难，故障电源必须退出系统运行，只有专业维修人员才能进行故障处理。4.2.4相控电源稳定性能差，容易造成供电设备(包括蓄电池在内)的损坏，使水电站安全营运受到限制。目前随着高频开关电源的大批量生产，制造成本降低，高频开关电源的设备价格与相控电源大至相同，小容量的高频开关电源比相控电源还要便宜。从以上四个方面的比较分析，不难看出，在220V直流操作系统中，高频开关电源的技术性能、系统可靠性等方面都大大高出相控整流充电设备。同时高频开关电源直流系统还具有体积小、重量轻、维修简便等优点。5220V高频开关电源直流操作系统5.1高频开关电源系统的功能特点 高频开关电源是集高频脉宽调制技术、软开关技术、单片机控制技术于一体的高新技术产品。高频开关电源具有极强的负载适应能力，在稳压状态下，整流器输出电流范围为0至所设定的稳流值；在稳流状态下，整流器输出电压范围为0-320V，整流器对正常工作时的负载突然短路能自动保护，对负载突然过载能自动限流。该直流电源在不与上级监控单元联机时，具有浮充电、自动均充电和手动充电三种运行方式，自动均衡充电的稳流值、充电时间、均充电压可供用户在操作面板上设置。高频开关电源具有计算机通信接口，可以组成具有遥控、遥信、遥测的电力智能开关电源直流系统。目前国内生产的高频开关电源模块分为强制风冷和自然冷却两种方式，而自然风冷取消了冷却风扇等转动部件，使模块的平均无故障时间MTBF大大延长，系统可靠性大大提高，系统噪声仅为45dB(基本上为环境噪声)，大大改善了水电站内部的工作环境。直流电源装置采用多个独立的高频开关电源模块并联方式构成系统，借助于高频开关电源模块的优异性能和技术指标使电源系统达到了前所未有的技术境界。近年来，220V直流操作高频开关电源融入了微机智能化控制、数据采集、大屏幕全汉字液晶显示、微机在线绝缘监测、自动调压装置、蓄电池温度补偿以及远程通讯等综合技术。整个电源系统处于高度自动化管理之下运行，无需人为干预即可按设定的蓄电池充电曲线自动运行，有效的提高了蓄电池使用寿命，最大限度的提高了系统的运行性能。为水电站实现“无人值班、少人值守”提供了可靠保障。5. 2直流220V高频开关电源模块的工作原理高频开关电源模块的基本工作原理是将50Hz的交流电经全桥整流变为高压直流电，再经高频变换器逆变为5000Hz以上的高频交流电，通过自动脉宽调制技术对输出端负载反馈信号进行有效调节，然后经高频整流器、滤波器生产出满足负载需要的优质直流电源。高频开关电源模块框图5.3电力直流220V微机智能高频开关电源系统工作原理微机智能型高频开关电源的基本原理是将多个相同类型的高频开关电源模块根据负荷大小和需要进行并联组合，并接入备用蓄电池，接入微机智能化管理模块和其它外部控制、监测、保护等元器件构成一套完整的直流电源系统。微机型智能高频开关电源系统原理框图6. 结语我院从80年代开始在水电站直流操作电源设计中长期选用可控硅相控电源，取得了不少设计经验和设计技术方法。直到98年在江西柘林水电站设计中大胆选用高频开关电源，并应用阀控式铅酸(免维护)蓄电池作为后备电源，为我院直流系统的选型换代开辟了一条全新的思路，这一举措得到业主和同行的支持，作为一名设计工作者深有感触，特选写这篇文章供同行和广大设计