变电站并联直流电源替代电力UPS电源系统

2018-05-03范杰刘国瑞杨思安杨盼盼

价值工程 2018年14期

范杰刘国瑞杨思安杨盼盼

摘要：提出一种采用并联直流电源替代电力UPS电源系统的方案，分析阐述UPS负荷——监控服务器内部开关电源工作原理及采用直流240V供电的可行性，进一步分析并联直流电源内部模块原理和应用优势，在理论分析基础上搭建了并联电池系统试验平台，对比直流240V和交流220V电源供电的各项指标，实验结果表明，并联直流电源替代UPS电源是可行的。

Abstract： The scheme of replacing the power UPS power system with parallel DC power supply is proposed. The working principle of switching power supply in the UPS load monitoring server and the feasibility of DC 240V power supply are analyzed. The principle and application advantages of the internal module of the parallel DC power supply are further analyzed. On the basis of theoretical analysis， a parallel battery system test platform is built， and the indexes of DC 240V and AC 220V power supply are compared. The experimental results show that the parallel DC power supply is feasible to replace UPS.

關键词：电力UPS电源；开关电源；并联直流电源

Key words： UPS for electric power；parallel DC power supply system；switching power supply

中图分类号：M910.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）14-0131-03

0 引言

为提高变电站供电系统的可靠性，变电站配电系统中都设有电力UPS电源，它的作用是在交流工作电源失电后，继续为监控服务器等设备不间断供电。而与直流电源相比，UPS电源存在着一些不足：①UPS电源在电路结构上多出一个逆变环节，逆变电路结构比整流器复杂得多。并且UPS电源总成本是同等容量直流电源的数倍，而其可靠性并没有提高[1]。②当UPS电源交流输入侧失电后，其内部逆变单元的直流输入由蓄电池提供。但如果电池和逆变器同时损坏，UPS电源就会失效，不再给负荷供电。同时由于逆变器输出电压在幅值、相位、频率等方面存在差异，因此逆变器输出端不能与其它电源并联[2]。③传统UPS配置的串联结构蓄电池组存在“单体电池故障影响整组输出问题”、“串联蓄电池组要求单体电池电参数一致性很高，会导致部分电池损坏整组退役问题”、“串联蓄电池组难以实施在线全容量核容问题”，这些问题同样使UPS负荷处于不安全状态[3]。

由此，依据UPS负荷——监控服务器内部开关电源工作原理，提出使用并联直流电源替代UPS电源系统的方案，在理论上分析开关电源采用直流240V供电的可行性，搭建了试验平台，测试比较并联直流240V电源与交流220V供电的各项指标，验证并联直流电源替代UPS电源的可行性。

1 并联直流电源替代电力UPS电源

变电站电力UPS电源所带负载包括监控主机、综合应用服务器、辅助控制主机、时间同步系统、火灾报警控制器设备等[4]。这些设备的电源输入均内置开关型稳压电源。它的优点是效率高、能耗低、体积小、重量轻。随着微电子技术的发展，现在大多数电气设备内部电源均采用开关电源。

1.1 开关电源工作原理

开关电源电路结构通常包括EMI滤波、整流桥、PFC、DC/DC变换等。交流220V输入电压经过EMI滤波电路和整流桥整流后的电压为220=311V，再经过PFC电路将直流电压升压到400V左右，最后经DC/DC变换电路转换为12V、5V和3.3V电压[5]。本文主要探讨直流240V与交流220V的供电区别，而直流和交流输入对DC/DC部分电路的情况是相同的，所以只需要关注PFC及其之前的电路部分，电路结构如图1所示。

1.2 开关电源采用直流240V供电

开关电源具有宽范围电压输入特征，可以达到-50%、+20%以上，即110～264VAC。若开关电源采用直流240V供电，理论上可以从以下几点分析其可行性。

①整流管承受的反向电压更小。如图1所示，在交流电的正半周，输入电流流经整流桥的D1和D3，而二极管D2和D4承受反向电压，反向电压的最大值即等于交流电压的峰值220=311V；在交流电的负半周时，同理，D1和D3承受311V的反向电压。而采用直流240V供电，经过EMI滤波器、整流，整流二极管承受的反向电压即等于直流输入电压240V，并且二极管电流平均值等于输入电流平均值。

②PFC二极管流过的峰值电流更小。比较交流和直流输入时，二极管流过的电流差异。在PFC电路中，开关管S1关断时，电感电流L1流过二极管D5，而输入电流经过整流桥整流后即等于电感L1的电流。根据

所以同样负载情况下，采用直流240V供电时PFC二极管峰值电流比交流220V供电时的要小。

③母线电容电压纹波更小。在交流输入时，由于需要经过整流二极管整流，整流过后的直流电压会存在低频分量，虽然经过PFC电容升压，但并不能完全消除这个纹波，这会增大流过母线电容的纹波电压，从而影响母线电容寿命；而在直流输入时，电容上纹波电压则不存在低频分量。

因此，用直流240V直接输入对应电压等级的开关型稳压电源是能正常工作的。

1.3 并联直流电源

上文所述直流240V电源是由并联直流电源系统实现的。并联直流电源系统的原理是将具有AC/DC充电、DC/DC升压等功能的并联电池模块，结合12V蓄电池构成并联电池组件[6]。并联电池模块原理如图2所示，交流电正常输入时通过充电模块整流输出12V直流电，为蓄电池充电，并通过CPU进行相应的均浮充管理，同时通过DC/DC模块及滤波电路输出240V直流电。当交流侧失电时，充电模块停止工作，此时蓄电池进入放电模式，使系统输出直流240V电压。

如图3所示，每个并联电池模块带一节蓄电池，与交流输入开关及熔断器一同组成并联电池组件，多个这样的电池组件并联输出，即组成满足实际功率需求的并联直流电源系统。并联直流系统采用电池间接并联的连接方式，在根本上解决了单体影响整组问题，蓄电池能够在线更换，在线充放电管理和全电量0.1C10核容，实现蓄电池全生命周期管理，提高了直流系統运行可靠性。

2 实验分析

基于以上理论分析，搭建了如图3所示的并联电池直流系统实验平台，将两个电池组件并联，由电池单独供电，输出直流240V/4A，并以一个通信电源（48V/10A）的整流模块作为负载来模拟监控服务器设备，测试比较直流与交流供电的不同。

图4和图5是采用交流和直流供电时的实验波形，对照图1电路结构，从上至下分别为输入电压、整流桥D4反向电压、母线电容C1电压及PCF二极管D5流过的电流。首先，在交流220V和直流240V输入下，D4承受的反向电压分别为316V和250V，直流输入下整流管可靠性更高。其次，交流输入时母线电容C1上的电压纹波有8V，明显大于直流输入时不到1V的纹波。最后是D5通过的电流波形，交流输入时电感电流的波形为馒头波。图6和图7分别是交流和直流输入时二极管D5电流的展开波形，其中图6是在电流波峰处展开的。波形从上至下分别为输入电压、PCF二极管D5流过的电流及开关管S1的驱动电压。可以看到，在S1开通时，二极管D5截止，此时电感电流不流过D5，S1关断时，二极管导通，电感电流流过D5。从波形数据来看，交、直流输入时，D5电流有效值差异不大，而直流输入时D5的峰值电流更小些，这与理论分析是吻合的。