直流系統中高頻開關電源與相控電源的比較
摘要：從工作原理、技術性能、供電可靠性、對蓄電池壽命的影響及效益等五方面對高頻開關電源系統和晶閘管相控電源系統進行了比較，使讀者對高頻開關電源系統有進一步的認識和了解。
1 引言
眾所周知，用于變電站和發電廠的直流電源系統，作為斷路器合閘電源、繼電器保護裝置電源和操作電源，要求其可靠性高，性能穩定。隨著科學技術的飛速發展，對供電質量的要求越來越高，為保證電網的安全、可靠、經濟運行，實現電力系統的自動化，對直流電源系統提出了更高的要求。為了更好地選用和用好電力系統中的直流操作電源系統，現將晶閘管相控電源直流系統與高頻開關電源直流系統作一比較。
2 工作原理比較
相控電源是指采用晶閘管作為整流器件的電源系統，其原理是交流輸入電壓經工頻變壓器降壓，然后采用晶閘管進行整流。并通過移相控制以保持輸出電壓的穩定。
高頻開關電源先將輸入的工頻交流電經整流濾波后得到直流電壓，再通過功率變換器變換成高頻脈沖電壓，經高頻變壓器和整流濾波電路最后轉換為穩定的直流輸出電壓。因其采用脈沖寬度調制（PWM）電路來控制大功率開關器件（功率晶體管、MOS管、IGBT等）的導通和截止時間，故可以得到很高的穩壓和穩流精度及很短的動態響應時間。高頻開關電源內部還應用了軟開關技術和無源功率因數校正（PFC）技術，所以開機浪涌基本消除，功率因數大幅提高，是晶閘管、磁飽和類直流電源系統的更新換代產品。
3 技術性能比較
高頻開關電源直流系統與晶閘管直流系統的技術性能對照如表1所列。
表1 兩種電源系統的技術性能對照表 技術性能 高頻開關電源直流系統 晶閘管直流系統
穩壓精度 ≤±0.5％ ≤±1％
穩流精度 ≤±0.5％ ≤±2％
紋波系數 ≤0.05％ ≤2％
效率 ≥94％ ≤75％
功率因數 ≥0.9 ≤0.7
動態響應 好 較差
可靠性 高 低
噪音 低 高
開機浪涌 無 有
微機監控 智能電池管理、“四遙”功能 無
系統結構 模塊化結構 傳統柜結構
系統通信接口 RS232、RS485 無
4 供電可靠性比較
1）晶閘管相控電源采用硅堆調壓，響應速度慢，反應時間為幾十ms，輸入電壓突變時在輸出端會產生沖擊，容易燒壞二次設備。高頻開關電源直流系統采用無級調壓方式，響應速度快，輸入電壓突變時，模塊在200μs內調整完成，過沖小于5％。
2）晶閘管相控電源采用硅堆調壓，一般6～10V為一級降壓，因而輸出最少有3～5V的誤差。而高頻開關電源直流系統采用無級調壓方式，輸出電壓穩定，輸出精度高；降壓范圍大，輸入電壓可到320V，可降壓100V；當輸入電壓低到180V仍能夠輸出穩定的220V。
3）晶閘管相控充電裝置發生故障時，必須將整臺充電裝置退出運行，然后進行維護和檢修，降低了系統的可靠性。高頻開關電源直流系統由于采用模塊化結構和N＋1備份方式，使系統的可靠性得到大大提高，并為系統擴容提供了極大方便。當運行的電源系統中某一整流模塊出現故障時，該模塊自動退出，其它模塊繼續均衡工作，對系統供電不產生影響，且模塊可以帶電插拔。當用戶需要擴展電源系統容量時，只需增加整流模塊即可以實現。
4）高頻開關電源直流系統能夠滿足更多變化的系統運行方式，徹底解決了人們長期以來對直流系統的種種顧慮。
5 對蓄電池壽命影響的比較
發電廠和變電站的直流系統目前主要使用的是鎳鎘蓄電池或免維護鉛酸蓄電池，這2種蓄電池對充電設備的要求較高。高頻開關電源直流系統對蓄電池壽命的影響比晶閘管直流電源系統要小，這是因為晶閘管直流電源系統輸出紋波大，輸出電壓含有的交流成分較大，影響了蓄電池的使用壽命，而高頻開關電源由于輸出紋波小、輸出穩定，再加智能化管理能延長電池的使用壽命。
6 效益比較
高頻開關電源的設備容量和運行成本比相控電源要低得多。
如果直流電源系統的負載功率為P，若采用相控電源，其功率因數為0.7，效率為70％，則需輸入功率為
Pλ1=P0/(0.7×0.7)=2.041P
若采用高頻開關電源功率因數為0.92，效率為94％，則需輸入功率為
Pλ2=P0/(0.92×0.94)=1.156P
顯然，采用高頻開關電源比相控電源節省了電力增容投資。
對于負載為50A的220V直流電源系統來說，負載功率P=220V×50A=11kW。電價按0.5元/kW·h計算，不考慮無功損耗，則采用高頻開關電源相對于相控電源而言，每年節省的電費為0.5×11×8760(1/0.7－1/0.94)=17573.3元
另外，智能化的特點也能節省很多維護費用，所以，高頻開關電源的經濟效益是顯而易見的。
7 結語
高頻開關電源直流系統的技術性能、可靠性、所產生的經濟效益以及系統構造都遠遠優于晶閘管相控直流系統，必將成為電力行業直流電源的主流換代產品。高頻開關電源直流系統的廣泛應用，將使我國電力行業直流電源系統設備跨入一個全新的時代。■
