變電站并聯(lián)直流電源替代電力UPS電源系統(tǒng)

范杰 劉國瑞 楊思安 楊盼盼

摘要：提出一種采用并聯(lián)直流電源替代電力UPS電源系統(tǒng)的方案，分析闡述UPS負荷——監(jiān)控服務(wù)器內(nèi)部開關(guān)電源工作原理及采用直流240V供電的可行性，進一步分析并聯(lián)直流電源內(nèi)部模塊原理和應(yīng)用優(yōu)勢，在理論分析基礎(chǔ)上搭建了并聯(lián)電池系統(tǒng)試驗平臺，對比直流240V和交流220V電源供電的各項指標，實驗結(jié)果表明，并聯(lián)直流電源替代UPS電源是可行的。

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(guān)鍵詞：電力UPS電源；開關(guān)電源；并聯(lián)直流電源

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

中圖分類號：M910.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0131-03

0 引言

為提高變電站供電系統(tǒng)的可靠性，變電站配電系統(tǒng)中都設(shè)有電力UPS電源，它的作用是在交流工作電源失電后，繼續(xù)為監(jiān)控服務(wù)器等設(shè)備不間斷供電。而與直流電源相比，UPS電源存在著一些不足：①UPS電源在電路結(jié)構(gòu)上多出一個逆變環(huán)節(jié)，逆變電路結(jié)構(gòu)比整流器復(fù)雜得多。并且UPS電源總成本是同等容量直流電源的數(shù)倍，而其可靠性并沒有提高[1]。②當(dāng)UPS電源交流輸入側(cè)失電后，其內(nèi)部逆變單元的直流輸入由蓄電池提供。但如果電池和逆變器同時損壞，UPS電源就會失效，不再給負荷供電。同時由于逆變器輸出電壓在幅值、相位、頻率等方面存在差異，因此逆變器輸出端不能與其它電源并聯(lián)[2]。③傳統(tǒng)UPS配置的串聯(lián)結(jié)構(gòu)蓄電池組存在“單體電池故障影響整組輸出問題”、“串聯(lián)蓄電池組要求單體電池電參數(shù)一致性很高，會導(dǎo)致部分電池損壞整組退役問題”、“串聯(lián)蓄電池組難以實施在線全容量核容問題”，這些問題同樣使UPS負荷處于不安全狀態(tài)[3]。

由此，依據(jù)UPS負荷——監(jiān)控服務(wù)器內(nèi)部開關(guān)電源工作原理，提出使用并聯(lián)直流電源替代UPS電源系統(tǒng)的方案，在理論上分析開關(guān)電源采用直流240V供電的可行性，搭建了試驗平臺，測試比較并聯(lián)直流240V電源與交流220V供電的各項指標，驗證并聯(lián)直流電源替代UPS電源的可行性。

1 并聯(lián)直流電源替代電力UPS電源

變電站電力UPS電源所帶負載包括監(jiān)控主機、綜合應(yīng)用服務(wù)器、輔助控制主機、時間同步系統(tǒng)、火災(zāi)報警控制器設(shè)備等[4]。這些設(shè)備的電源輸入均內(nèi)置開關(guān)型穩(wěn)壓電源。它的優(yōu)點是效率高、能耗低、體積小、重量輕。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在大多數(shù)電氣設(shè)備內(nèi)部電源均采用開關(guān)電源。

1.1 開關(guān)電源工作原理

開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)通常包括EMI濾波、整流橋、PFC、DC/DC變換等。交流220V輸入電壓經(jīng)過EMI濾波電路和整流橋整流后的電壓為220=311V，再經(jīng)過PFC電路將直流電壓升壓到400V左右，最后經(jīng)DC/DC變換電路轉(zhuǎn)換為12V、5V和3.3V電壓[5]。本文主要探討直流240V與交流220V的供電區(qū)別，而直流和交流輸入對DC/DC部分電路的情況是相同的，所以只需要關(guān)注PFC及其之前的電路部分，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 開關(guān)電源采用直流240V供電

開關(guān)電源具有寬范圍電壓輸入特征，可以達到-50%、+20%以上，即110～264VAC。若開關(guān)電源采用直流240V供電，理論上可以從以下幾點分析其可行性。

①整流管承受的反向電壓更小。如圖1所示，在交流電的正半周，輸入電流流經(jīng)整流橋的D1和D3，而二極管D2和D4承受反向電壓，反向電壓的最大值即等于交流電壓的峰值220=311V；在交流電的負半周時，同理，D1和D3承受311V的反向電壓。而采用直流240V供電，經(jīng)過EMI濾波器、整流，整流二極管承受的反向電壓即等于直流輸入電壓240V，并且二極管電流平均值等于輸入電流平均值。

②PFC二極管流過的峰值電流更小。比較交流和直流輸入時，二極管流過的電流差異。在PFC電路中，開關(guān)管S1關(guān)斷時，電感電流L1流過二極管D5，而輸入電流經(jīng)過整流橋整流后即等于電感L1的電流。根據(jù)

所以同樣負載情況下，采用直流240V供電時PFC二極管峰值電流比交流220V供電時的要小。

③母線電容電壓紋波更小。在交流輸入時，由于需要經(jīng)過整流二極管整流，整流過后的直流電壓會存在低頻分量，雖然經(jīng)過PFC電容升壓，但并不能完全消除這個紋波，這會增大流過母線電容的紋波電壓，從而影響母線電容壽命；而在直流輸入時，電容上紋波電壓則不存在低頻分量。

因此，用直流240V直接輸入對應(yīng)電壓等級的開關(guān)型穩(wěn)壓電源是能正常工作的。

1.3 并聯(lián)直流電源

上文所述直流240V電源是由并聯(lián)直流電源系統(tǒng)實現(xiàn)的。并聯(lián)直流電源系統(tǒng)的原理是將具有AC/DC充電、DC/DC升壓等功能的并聯(lián)電池模塊，結(jié)合12V蓄電池構(gòu)成并聯(lián)電池組件[6]。并聯(lián)電池模塊原理如圖2所示，交流電正常輸入時通過充電模塊整流輸出12V直流電，為蓄電池充電，并通過CPU進行相應(yīng)的均浮充管理，同時通過DC/DC模塊及濾波電路輸出240V直流電。當(dāng)交流側(cè)失電時，充電模塊停止工作，此時蓄電池進入放電模式，使系統(tǒng)輸出直流240V電壓。

如圖3所示，每個并聯(lián)電池模塊帶一節(jié)蓄電池，與交流輸入開關(guān)及熔斷器一同組成并聯(lián)電池組件，多個這樣的電池組件并聯(lián)輸出，即組成滿足實際功率需求的并聯(lián)直流電源系統(tǒng)。并聯(lián)直流系統(tǒng)采用電池間接并聯(lián)的連接方式，在根本上解決了單體影響整組問題，蓄電池能夠在線更換，在線充放電管理和全電量0.1C10核容，實現(xiàn)蓄電池全生命周期管理，提高了直流系統(tǒng)運行可靠性。

2 實驗分析

基于以上理論分析，搭建了如圖3所示的并聯(lián)電池直流系統(tǒng)實驗平臺，將兩個電池組件并聯(lián)，由電池單獨供電，輸出直流240V/4A，并以一個通信電源（48V/10A）的整流模塊作為負載來模擬監(jiān)控服務(wù)器設(shè)備，測試比較直流與交流供電的不同。

圖4和圖5是采用交流和直流供電時的實驗波形，對照圖1電路結(jié)構(gòu)，從上至下分別為輸入電壓、整流橋D4反向電壓、母線電容C1電壓及PCF二極管D5流過的電流。首先，在交流220V和直流240V輸入下，D4承受的反向電壓分別為316V和250V，直流輸入下整流管可靠性更高。其次，交流輸入時母線電容C1上的電壓紋波有8V，明顯大于直流輸入時不到1V的紋波。最后是D5通過的電流波形，交流輸入時電感電流的波形為饅頭波。圖6和圖7分別是交流和直流輸入時二極管D5電流的展開波形，其中圖6是在電流波峰處展開的。波形從上至下分別為輸入電壓、PCF二極管D5流過的電流及開關(guān)管S1的驅(qū)動電壓?？梢钥吹?，在S1開通時，二極管D5截止，此時電感電流不流過D5，S1關(guān)斷時，二極管導(dǎo)通，電感電流流過D5。從波形數(shù)據(jù)來看，交、直流輸入時，D5電流有效值差異不大，而直流輸入時D5的峰值電流更小些，這與理論分析是吻合的。

通過以上分析可知，并聯(lián)直流240V供電時，開關(guān)電源的整流管反向電壓、PFC二極管電流、母線電容的紋波電壓均小于交流供電的情況，PFC母線電容壽命以及整流橋的可靠性都會提高，而對DC/DC部分電路，直流和交流輸入的情況是一致的。因此，應(yīng)用并聯(lián)直流電源替代電力UPS給監(jiān)控服務(wù)器等交流設(shè)備供電是可行的。

3 總結(jié)

提出在變電站應(yīng)用并聯(lián)直流電源替代電力UPS電源系統(tǒng)，并根據(jù)理論分析搭建實驗平臺進行驗證，結(jié)果表明并聯(lián)直流240V電源替代交流220V供電具有較好的可行性。并聯(lián)直流電源比UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，不僅進一步提高了變電站后備電源的可靠性，還由于減少了逆變環(huán)節(jié)而提高了系統(tǒng)的效率。

參考文獻：

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