智能高频开关电源在向家坝电站的应用

2012-07-19吴高强何长平孔丽君袁双双

水电站机电技术 2012年5期

吴高强，何长平，孔丽君，袁双双

（向家坝水力发电厂，四川宜宾 644612）

0 引言

向家坝电站位于四川省宜宾县和云南省水富县交界的金沙江峡谷出口处，是金沙江流域规划的最末一级电站。电站左岸坝后厂房、右岸地下厂房各安装水轮发电机组4台（单机容量80万kW），总装机640万kW，年发电量307亿kW·h。工程于2006年11月正式开工，计划于2012年10月首批机组投产发电，2015年全部建成竣工。向家坝电站直流系统采用许继电源有限公司生产的PZ61系列智能高频开关电源系统，为全厂继电保护、自动装置、信号装置等二次设备，断路器分合闸以及事故照明等设备提供可靠的直流电源。

1 高频开关电源系统构成及原理

PZ61系列高频开关电源系统主要由交流配电单元、高频整流模块、蓄电池组、绝缘监测装置、电池巡检装置、配电监测单元和集中监控模块等部分组成。系统构成接线如图1所示。

图1 高频开关电源系统构成接线图

1.1 交流配电单元

交流配电单元主要是实现交流电源输入到高频整流模块的电源分配、保护和监测。为了保证设备供电的可靠性，一般通过双电源切换开关向整流模块提供双路三相交流电源，在“自动”工作模式下，当常用电源发生异常时，能自动控制切换到备用电源，实现双路电源的自动切换。为了吸收雷击感应或开关操作产生的浪涌电流，限制过电压幅值，降低电涌冲击对整流模块的危害，在交流电源侧装有防雷保护装置。同时安装智能仪表用于监视交流电源电压，当交流电压过压、欠压或缺相时，监控装置发出相应的告警信号。

1.2 高频整流模块

高频整流模块的作用是将输入的交流电变换为直流电，一方面给蓄电池充电，同时提供给直流系统的经常性负荷，是高频开关电源的重要核心部件。向家坝电站直流系统采用的是ZZG23系列高频整流模块，主要由EMI滤波器、全桥整流器、高频变换器、高频变压器、高频整流器、LC滤波器、控制电路和保护电路等部分组成。其基本工作原理是输入交流电压经过EMI滤波、整流滤波得到一个平滑的直流电压，经过高频变换器将直流电压变换为脉宽可调的高频交流脉冲电压，经过高频变压器隔离输出至高频整流器，将高频交流脉冲电压变换为高频脉动直流电压，经LC滤波得到所需平滑的直流电压输出给负载。其工作原理见图2。

EMI滤波主要是抑制来自交流输入侧各种电磁干扰，如开关操作、雷击产生的尖峰电压干扰，将过电压冲击对整流模块的危害降低到最小，同时也阻断高频整流模块本身产生的高频干扰反向传输而污染电压。为防止高频噪声对负载干扰，在开关电源输出侧也装有EMI滤波。

图2 ZZG23系列高频整流模块原理图

1.3 绝缘监测装置

绝缘监测装置主机采用电桥原理，实时监测正负直流母线的对地电压和绝缘电阻，当正负直流母线的对地绝缘电阻低于设定的报警值时,自动启动支路巡检功能，及时提醒运行人员查找并排除接地故障，从而杜绝直流系统接地故障可能引发的电力事故。

1.4 集中监控模块

集中监控模块是电源系统的控制和管理核心，它通过RS485串口对高频整流模块、电池巡检模块、绝缘监测装置、数字智能仪表和开关量采集模块等智能设备实施数据采集、处理，根据系统管理和电池管理的要求进行各种控制，显示和记录系统的运行信息。同时通过通信口与远方监控设备通讯，实现远方对电源设备的监测与控制，减少人为操作，保证了其工作的连续性、可靠性和安全性。

2 高频开关电源与相控电源比较

2.1 工作原理比较

相控电源是指采用晶闸管作为整流器件的电源系统，其原理是交流输入电压经变压器降压，然后采用晶闸管进行整流，并通过移相控制以保持输出电压的稳定。

高频开关电源输入的交流电经整流滤波后得到直流电压，再通过整流变换为高频脉冲电压，经高频变压器和整流滤波电路最后转化为平滑的直流电压。因为其采用脉宽调制电路来控制功率开关期间的导通和截至时间，所以可以得到很高的稳压精度、稳流精度和很低的纹波系数。高频开关电源内部还采用软开关技术和无源功率因数校正技术，大幅减小功率器件的开关损耗，提高转换效率。

2.2 技术参数比较

高频开关电源与相控电源的主要技术参数对照如表1所列。

表1 高频开关电源与相控电源的主要技术参数对照

2.3 可靠性比较

相控电源整流模块发生故障时，需要将整套充电装置退出运行，故障修复难度大，周期长，影响系统正常供电，降低了系统运行的可靠性。高频开关电源采用模块化结构和N+1冗余方式，当系统的任一模块因故障退出运行时，其他模块继续均流运行，对系统供电不造成影响，且该模块可带电拔插，不需要整套装置停电检修，故系统的可靠性大大提高。当用户需要扩展电源系统容量时，只需增加整流模块数量即可实现。

2.4 对蓄电池影响

发电厂目前主要使用阀控铅酸免维护蓄电池，这种蓄电池对充电装置的功能特性要求较高。大多数阀控铅酸蓄电池在相控充电装置运行3到6年后，均会出现不同程度的电池外壳膨胀等现象，而蓄电池在高频充电装置运行同样的时间后，不会出现以上现象。出现这种情况的根本原因就是相控电源系统的输出纹波大，输出直流电压含有的交流分量较大，影响蓄电池性能，大大降低了蓄电池的使用寿命，而高频开关电源由于输出纹波小，输出稳定，智能控制管理，从而能延长蓄电池使用寿命。

从以上四方面的比较分析，高频开关电源在技术参数，可靠性和对蓄电池的影响等方面都优于相控电源，同时高频开关电源还有体积小、重量轻，维护方便等优点。