直流系統(tǒng)中高頻開關(guān)電源與相控電源的比較

    摘要：從工作原理、技術(shù)性能、供電可靠性、對(duì)蓄電池壽命的影響及效益等五方面對(duì)高頻開關(guān)電源系統(tǒng)和晶閘管相控電源系統(tǒng)進(jìn)行了比較，使讀者對(duì)高頻開關(guān)電源系統(tǒng)有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和了解。 

    1    引言 

    眾所周知，用于變電站和發(fā)電廠的直流電源系統(tǒng)，作為斷路器合閘電源、繼電器保護(hù)裝置電源和操作電源，要求其可靠性高，性能穩(wěn)定。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)供電質(zhì)量的要求越來越高，為保證電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化，對(duì)直流電源系統(tǒng)提出了更高的要求。為了更好地選用和用好電力系統(tǒng)中的直流操作電源系統(tǒng)，現(xiàn)將晶閘管相控電源直流系統(tǒng)與高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)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(tǒng)，其原理是交流輸入電壓經(jīng)工頻變壓器降壓，然后采用晶閘管進(jìn)行整流。并通過移相控制以保持輸出電壓的穩(wěn)定。 

    高頻開關(guān)電源先將輸入的工頻交流電經(jīng)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(jīng)高頻變壓器和整流濾波電路最后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出電壓。因其采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路來控制大功率開關(guān)器件（功率晶體管、MOS管、IGBT等）的導(dǎo)通和截止時(shí)間，故可以得到很高的穩(wěn)壓和穩(wěn)流精度及很短的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。高頻開關(guān)電源內(nèi)部還應(yīng)用了軟開關(guān)技術(shù)和無源功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)，所以開機(jī)浪涌基本消除，功率因數(shù)大幅提高，是晶閘管、磁飽和類直流電源系統(tǒng)的更新?lián)Q代產(chǎn)品。 

    3    技術(shù)性能比較 

    高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)與晶閘管直流系統(tǒng)的技術(shù)性能對(duì)照如表1所列。 

    表1    兩種電源系統(tǒng)的技術(shù)性能對(duì)照表 技術(shù)性能 高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng) 晶閘管直流系統(tǒng) 

    穩(wěn)壓精度 ≤±0.5％ ≤±1％ 

    穩(wěn)流精度 ≤±0.5％ ≤±2％ 

    紋波系數(shù) ≤0.05％ ≤2％ 

    效率 ≥94％ ≤75％ 

    功率因數(shù) ≥0.9 ≤0.7 

    動(dòng)態(tài)響應(yīng) 好 較差 

    可靠性 高 低 

    噪音 低 高 

    開機(jī)浪涌 無 有 

    微機(jī)監(jiān)控 智能電池管理、“四遙”功能 無 

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 模塊化結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)柜結(jié)構(gòu) 

    系統(tǒng)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(diào)壓，響應(yīng)速度慢，反應(yīng)時(shí)間為幾十ms，輸入電壓突變時(shí)在輸出端會(huì)產(chǎn)生沖擊，容易燒壞二次設(shè)備。高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)采用無級(jí)調(diào)壓方式，響應(yīng)速度快，輸入電壓突變時(shí)，模塊在200μs內(nèi)調(diào)整完成，過沖小于5％。 

    2）晶閘管相控電源采用硅堆調(diào)壓，一般6～10V為一級(jí)降壓，因而輸出最少有3～5V的誤差。而高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)采用無級(jí)調(diào)壓方式，輸出電壓穩(wěn)定，輸出精度高；降壓范圍大，輸入電壓可到320V，可降壓100V；當(dāng)輸入電壓低到180V仍能夠輸出穩(wěn)定的220V。 

    3）晶閘管相控充電裝置發(fā)生故障時(shí)，必須將整臺(tái)充電裝置退出運(yùn)行，然后進(jìn)行維護(hù)和檢修，降低了系統(tǒng)的可靠性。高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)由于采用模塊化結(jié)構(gòu)和N＋1備份方式，使系統(tǒng)的可靠性得到大大提高，并為系統(tǒng)擴(kuò)容提供了極大方便。當(dāng)運(yùn)行的電源系統(tǒng)中某一整流模塊出現(xiàn)故障時(shí)，該模塊自動(dòng)退出，其它模塊繼續(xù)均衡工作，對(duì)系統(tǒng)供電不產(chǎn)生影響，且模塊可以帶電插拔。當(dāng)用戶需要擴(kuò)展電源系統(tǒng)容量時(shí)，只需增加整流模塊即可以實(shí)現(xiàn)。 

    4）高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)能夠滿足更多變化的系統(tǒng)運(yùn)行方式，徹底解決了人們長(zhǎng)期以來對(duì)直流系統(tǒng)的種種顧慮。 

    5    對(duì)蓄電池壽命影響的比較 

    發(fā)電廠和變電站的直流系統(tǒng)目前主要使用的是鎳鎘蓄電池或免維護(hù)鉛酸蓄電池，這2種蓄電池對(duì)充電設(shè)備的要求較高。高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)對(duì)蓄電池壽命的影響比晶閘管直流電源系統(tǒng)要小，這是因?yàn)榫чl管直流電源系統(tǒng)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(guān)電源由于輸出紋波小、輸出穩(wěn)定，再加智能化管理能延長(zhǎng)電池的使用壽命。 

    6    效益比較 

    高頻開關(guān)電源的設(shè)備容量和運(yùn)行成本比相控電源要低得多。 

    如果直流電源系統(tǒng)的負(fù)載功率為P，若采用相控電源，其功率因數(shù)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(guān)電源功率因數(shù)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(guān)電源比相控電源節(jié)省了電力增容投資。 

    對(duì)于負(fù)載為50A的220V直流電源系統(tǒng)來說，負(fù)載功率P=220V×50A=11kW。電價(jià)按0.5元/kW·h計(jì)算，不考慮無功損耗，則采用高頻開關(guān)電源相對(duì)于相控電源而言，每年節(jié)省的電費(fèi)為0.5×11×8760(1/0.7－1/0.94)=17573.3元 

    另外，智能化的特點(diǎn)也能節(jié)省很多維護(hù)費(fèi)用，所以，高頻開關(guān)電源的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。 

    7    結(jié)語 

    高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)的技術(shù)性能、可靠性、所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益以及系統(tǒng)構(gòu)造都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于晶閘管相控直流系統(tǒng)，必將成為電力行業(yè)直流電源的主流換代產(chǎn)品。高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，將使我國(guó)電力行業(yè)直流電源系統(tǒng)設(shè)備跨入一個(gè)全新的時(shí)代。■