通信用高效交直一體化模塊電源研究

周中良

摘 要：變電站站用電包括交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS不間斷電源系統(tǒng)、通信電源系統(tǒng)等，針對(duì)目前基站供電系統(tǒng)特點(diǎn)，量身設(shè)計(jì)了一種標(biāo)準(zhǔn)1U高度、19英寸機(jī)架式的高效率高功率密度的交直流電源系統(tǒng)，可同時(shí)輸出交流220V及直流48V。

關(guān)鍵詞：交直一體化;高效率;功率密度

電力通信網(wǎng)在電力生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理中的支撐保障作用日益凸顯，通信設(shè)備故障導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷所造成的后果日益嚴(yán)重。而通信設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行與通信電源供電的穩(wěn)定、可靠、持續(xù)有密切的關(guān)系。

一、一體化電源系統(tǒng)監(jiān)控范圍

一體化電源系統(tǒng)利用通信方式對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分散采集和集中管理，可在自動(dòng)化監(jiān)控后臺(tái)或集控中心對(duì)本站各電源子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控。一體化電源系統(tǒng)中除交流電源子系統(tǒng)進(jìn)線開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)采用框架式開關(guān)外，其它開關(guān)均為塑殼開關(guān)、微型空開和隔離開關(guān)，不具有電氣操作機(jī)構(gòu)。如果要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控，就需要給這些饋線開關(guān)或隔離開關(guān)加裝外部輔助機(jī)械裝置以及微型馬達(dá)來實(shí)現(xiàn);這樣無疑會(huì)大幅增加整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和投資費(fèi)用，饋線柜的數(shù)量也會(huì)增加許多，實(shí)際工程應(yīng)用案例極少。另外各電源子系統(tǒng)全部雙套配置，重要負(fù)荷雙回路供電，一旦發(fā)生站用電源饋線跳閘事故，一般需要檢修維護(hù)人到現(xiàn)場(chǎng)查明故障原因，才能進(jìn)一步恢復(fù)供電。

二、一體化DC/DC電源與專用通信電源設(shè)備性能比較

1.供電方式比較。目前，某供電公司通信設(shè)備供電電源具有兩種方式：一是采用專用通信電源供電，為AC/DC整流方式，配備一定容量的蓄電池作后備電源，兩者相互獨(dú)立，其中任何一路失效都不影響通信系統(tǒng)的運(yùn)行。二是無專用通信電源，通信設(shè)備依靠變電站一體化電源系統(tǒng)的DC/DC變換設(shè)備變換得到-48V直流來供電。變電站操作電源與專用通信電源均采用脈寬調(diào)制（PWM）式高頻開關(guān)電源，其AC/DC電源模塊輸入交流市電經(jīng)整流—濾波—方波振蕩—高頻變壓—高頻整流—濾波—取樣—反饋控制，輸出DC220V或DC-48V。專用通信電源與變電站操作電源的可靠性同等。一體化DC/DC電源供電方式的可靠性等于操作電源可靠性（<1）乘以DC/DC裝置的可靠性（<1），自然就低于AC/DC專用通信電源的可靠性。

2.安全性能比較。專用通信電源供電方式下，其輸出端并接的蓄電池，不但在高頻開關(guān)電源故障時(shí)能無縫繼續(xù)給通信設(shè)備供電，還相當(dāng)于一個(gè)大電容，能抑制反向電平，還能濾除各種尖脈沖。當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，蓄電池放電可為故障回路提供短路瞬時(shí)保護(hù)動(dòng)作電流，迅速跳開該分路負(fù)載空氣開關(guān)，整個(gè)短路過程，其它支路負(fù)載運(yùn)行不受影響，保證專用通信電源母線不失壓。一體化DC/DC電源供電方式下，當(dāng)負(fù)載之路出現(xiàn)短路或持續(xù)過載故障時(shí)，分路負(fù)載無法從蓄電池組直接獲得放電電流，分路負(fù)載開關(guān)存在無法切斷故障支路的風(fēng)險(xiǎn)，DC/DC變換器的限流作用會(huì)使-48V母線電壓出現(xiàn)跌落，導(dǎo)致所有通信設(shè)備失電。

3.蓄電池備用時(shí)間比較。在站用交直流一體化電源系統(tǒng)中，自動(dòng)裝置、繼電保護(hù)裝置、通信負(fù)荷在正常情況下，全都經(jīng)操作電源充電裝置來提供，蓄電池處于備用狀態(tài)。若全部站用交流失電時(shí)，蓄電池就會(huì)被事故照明、繼電保護(hù)、通信、自動(dòng)裝置、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、監(jiān)控等所有的交直流負(fù)荷一起分享?！秶?guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》規(guī)定：通信電源蓄電池組供電后備時(shí)間應(yīng)不小于4小時(shí)。采用通信專用電源時(shí)，220kV變電站一般配置500AH蓄電池2組，110kV變電站一般配置300AH蓄電池1組。變電站采用獨(dú)立的操作電源時(shí)，220kV變電站一般配置400AH蓄電池2組，110kV變電站一般配置200AH蓄電池1組。采用站用交直流一體化電源時(shí)，220kV一律配置500AH蓄電池2組，110KV變電站一律配置300AH蓄電池1組。相當(dāng)于采用交直流一體化電源后，增加通信和調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)負(fù)荷后，變電站蓄電池的容量?jī)H增加了100AH，因此，有的核心的110kV、220kV通信站點(diǎn)的交直流一體化電源系統(tǒng)的蓄電池是無法滿足交流電源中斷情況下持續(xù)供電時(shí)間應(yīng)不少于4小時(shí)的規(guī)程要求的。

三、通信用高效交直一體化模塊電源研究

1.交直一體化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。當(dāng)市電正常時(shí)市電通過整流模塊對(duì)直流負(fù)荷供電，并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，ATS切換至市電供電，由市電給交流負(fù)荷供電;當(dāng)市電出現(xiàn)異常時(shí)，ATS切換至電池逆變供電模式，切換時(shí)間≦10ms，電池經(jīng)過下電保護(hù)裝置給直流負(fù)荷供電。監(jiān)控器監(jiān)測(cè)市電電壓、電池電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度、充電電流等，通過RS232及干接點(diǎn)通訊接口，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳上位機(jī)，以方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

電源模塊的DC/AC部分采用軟開關(guān)設(shè)計(jì)，效率極高，3KVA的變換器30%負(fù)載時(shí)逆變效率就達(dá)到90%;100%負(fù)載時(shí)逆變效率達(dá)到92%以上。電源模塊的AC/DC部分采用兩級(jí)設(shè)計(jì)，前級(jí)PFC、后級(jí)ZVS全橋，因此輸入功率因數(shù)達(dá)到0.99，滿載效率達(dá)到91%以上。

2.DC/AC部分原理分析。構(gòu)成DC/AC部分的前級(jí)推挽正激DC/DC變換器、吸收回路以及DC/AC逆變橋級(jí)，開始工作時(shí)，不穩(wěn)定電壓Ui被前級(jí)推挽正激DC/DC變換器轉(zhuǎn)變成高頻脈沖直流電壓Udo ，被后級(jí)DC/AC逆變橋接收電壓，先經(jīng)過Sr和Cr組成的吸收回路，最后再由DC/AC逆變橋，變壓被被轉(zhuǎn)化成所需要的高頻正弦波電壓uo。這種設(shè)計(jì)方式的有點(diǎn)在于：

（1）由于功率管關(guān)斷時(shí)，其導(dǎo)致的漏源尖峰電壓被儲(chǔ)能箝位在2Ui，因此不需要在專門設(shè)置緩沖電路，讓變換有效率有了很大程度提升。（2）由于功率開關(guān)需要承受的輸入電流是平均值的一半，降低了功率管的電流負(fù)荷，還能夠降低輸入電流I in所產(chǎn)生的脈沖量，從而降低了濾波器的體積和質(zhì)量，讓系統(tǒng)更加容易安裝和使用。（3）高頻電壓器的磁心使用了雙向?qū)ΨQ磁化的方式，相比其他系統(tǒng)對(duì)磁心的利用率更高，因此變壓器的功率密度也很大。（4）開關(guān)管S1～S4是在u do為零電壓脈沖時(shí)候?qū)≒WM脈沖序列，實(shí)現(xiàn)SPWM的ZVS零電壓開通，確保功率開關(guān)管的低損耗。輸入電流和輸入電壓都比較大時(shí)，推挽正激式高頻環(huán)節(jié)

逆變器都可以可承受，同時(shí)在后級(jí)逆變橋?qū)崿F(xiàn)了零電壓開關(guān)，改變DC/DC工作頻率可以直接調(diào)整后級(jí)SPWM頻率，設(shè)置適當(dāng)開關(guān)頻率可降低逆變橋功率管開關(guān)損耗，提高了逆變效率。

3.DC/AC部分控制策略。逆變器采用雙環(huán)控制技術(shù)來提升系統(tǒng)電氣性能，外環(huán)采用電壓有效值控制，內(nèi)環(huán)采用電感電流瞬時(shí)值閉環(huán)控制，控制輸出電流的穩(wěn)定性，使逆變器能適應(yīng)各種不同特性的負(fù)載，包括容性、感性、整流非線性負(fù)載，對(duì)電機(jī)負(fù)載也是非常適用的?？刂葡到y(tǒng)采用傳統(tǒng)經(jīng)典控制原理，力求系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，AC/DC系統(tǒng)由MCU為控制核心，電路以下幾個(gè)部分組成：EMI濾波整流電路、PFC boost電路、ZVS全橋DC/DC電路，PFC控制芯片采用UC3818，DC/DC部分使用芯片為ISL6752產(chǎn)生移相PWM波。UCC3818A基于BiCMOS工藝，采用平均電流模式的升壓控制器，該控制器使用在功率因數(shù)較高的高效率電源。ISL6752控制器具有很高的性能，是一種少引腳ZVS全橋PWM控制器，它獲得的ZVS工作是通過驅(qū)動(dòng)上邊橋MOSFET在一個(gè)固定的50%占空比，下邊橋MOSFET在跟隨沿被諧振開關(guān)延遲調(diào)制的方法。相比于移相控制法，該方法的效率相同，但是使用簡(jiǎn)單的少引腳封裝IC。對(duì)ZVS全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行的關(guān)鍵操作之一就是基于諧振時(shí)間要求來設(shè)置打開下MOSFET管的延時(shí)，這個(gè)操作可以通過調(diào)節(jié)該IC上的RESDEL管腳上的電壓來實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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