智能高頻開關電源在向家壩電站的應用

吳高強，何長平，孔麗君，袁雙雙

（向家壩水力發電廠，四川 宜賓 644612）

0 引言

向家壩電站位于四川省宜賓縣和云南省水富縣交界的金沙江峽谷出口處，是金沙江流域規劃的最末一級電站。電站左岸壩后廠房、右岸地下廠房各安裝水輪發電機組4臺（單機容量80萬kW），總裝機640萬kW，年發電量307億kW·h。工程于2006年11月正式開工，計劃于2012年10月首批機組投產發電，2015年全部建成竣工。向家壩電站直流系統采用許繼電源有限公司生產的PZ61系列智能高頻開關電源系統，為全廠繼電保護、自動裝置、信號裝置等二次設備，斷路器分合閘以及事故照明等設備提供可靠的直流電源。

1 高頻開關電源系統構成及原理

PZ61系列高頻開關電源系統主要由交流配電單元、高頻整流模塊、蓄電池組、絕緣監測裝置、電池巡檢裝置、配電監測單元和集中監控模塊等部分組成。系統構成接線如圖1所示。

圖1 高頻開關電源系統構成接線圖

1.1 交流配電單元

交流配電單元主要是實現交流電源輸入到高頻整流模塊的電源分配、保護和監測。為了保證設備供電的可靠性，一般通過雙電源切換開關向整流模塊提供雙路三相交流電源，在“自動”工作模式下，當常用電源發生異常時，能自動控制切換到備用電源，實現雙路電源的自動切換。為了吸收雷擊感應或開關操作產生的浪涌電流，限制過電壓幅值，降低電涌沖擊對整流模塊的危害，在交流電源側裝有防雷保護裝置。同時安裝智能儀表用于監視交流電源電壓，當交流電壓過壓、欠壓或缺相時，監控裝置發出相應的告警信號。

1.2 高頻整流模塊

高頻整流模塊的作用是將輸入的交流電變換為直流電，一方面給蓄電池充電，同時提供給直流系統的經常性負荷，是高頻開關電源的重要核心部件。向家壩電站直流系統采用的是ZZG23系列高頻整流模塊，主要由EMI濾波器、全橋整流器、高頻變換器、高頻變壓器、高頻整流器、LC濾波器、控制電路和保護電路等部分組成。其基本工作原理是輸入交流電壓經過EMI濾波、整流濾波得到一個平滑的直流電壓，經過高頻變換器將直流電壓變換為脈寬可調的高頻交流脈沖電壓，經過高頻變壓器隔離輸出至高頻整流器，將高頻交流脈沖電壓變換為高頻脈動直流電壓，經LC濾波得到所需平滑的直流電壓輸出給負載。其工作原理見圖2。

EMI濾波主要是抑制來自交流輸入側各種電磁干擾，如開關操作、雷擊產生的尖峰電壓干擾，將過電壓沖擊對整流模塊的危害降低到最小，同時也阻斷高頻整流模塊本身產生的高頻干擾反向傳輸而污染電壓。為防止高頻噪聲對負載干擾，在開關電源輸出側也裝有EMI濾波。

圖2 ZZG23系列高頻整流模塊原理圖

1.3 絕緣監測裝置

絕緣監測裝置主機采用電橋原理，實時監測正負直流母線的對地電壓和絕緣電阻，當正負直流母線的對地絕緣電阻低于設定的報警值時,自動啟動支路巡檢功能，及時提醒運行人員查找并排除接地故障，從而杜絕直流系統接地故障可能引發的電力事故。

1.4 集中監控模塊

集中監控模塊是電源系統的控制和管理核心，它通過RS485串口對高頻整流模塊、電池巡檢模塊、絕緣監測裝置、數字智能儀表和開關量采集模塊等智能設備實施數據采集、處理，根據系統管理和電池管理的要求進行各種控制，顯示和記錄系統的運行信息。同時通過通信口與遠方監控設備通訊，實現遠方對電源設備的監測與控制，減少人為操作，保證了其工作的連續性、可靠性和安全性。

2 高頻開關電源與相控電源比較

2.1 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。

高頻開關電源輸入的交流電經整流濾波后得到直流電壓，再通過整流變換為高頻脈沖電壓，經高頻變壓器和整流濾波電路最后轉化為平滑的直流電壓。因為其采用脈寬調制電路來控制功率開關期間的導通和截至時間，所以可以得到很高的穩壓精度、穩流精度和很低的紋波系數。高頻開關電源內部還采用軟開關技術和無源功率因數校正技術，大幅減小功率器件的開關損耗，提高轉換效率。

2.2 技術參數比較

高頻開關電源與相控電源的主要技術參數對照如表1所列。

表1 高頻開關電源與相控電源的主要技術參數對照

2.3 可靠性比較

相控電源整流模塊發生故障時，需要將整套充電裝置退出運行，故障修復難度大，周期長，影響系統正常供電，降低了系統運行的可靠性。高頻開關電源采用模塊化結構和N+1冗余方式，當系統的任一模塊因故障退出運行時，其他模塊繼續均流運行，對系統供電不造成影響，且該模塊可帶電拔插，不需要整套裝置停電檢修，故系統的可靠性大大提高。當用戶需要擴展電源系統容量時，只需增加整流模塊數量即可實現。

2.4 對蓄電池影響

發電廠目前主要使用閥控鉛酸免維護蓄電池，這種蓄電池對充電裝置的功能特性要求較高。大多數閥控鉛酸蓄電池在相控充電裝置運行3到6年后，均會出現不同程度的電池外殼膨脹等現象，而蓄電池在高頻充電裝置運行同樣的時間后，不會出現以上現象。出現這種情況的根本原因就是相控電源系統的輸出紋波大，輸出直流電壓含有的交流分量較大，影響蓄電池性能，大大降低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，智能控制管理，從而能延長蓄電池使用壽命。

從以上四方面的比較分析，高頻開關電源在技術參數，可靠性和對蓄電池的影響等方面都優于相控電源，同時高頻開關電源還有體積小、重量輕，維護方便等優點。

3 結語

智能高頻開關電源在向家壩電站的應用，符合智能型電站建設的需要，為向家壩電站的安全、穩定、經濟運行提供了強有力的保證。

[1]DL/T 5044-2004電力工程直流系統設計技術規程[S].2004.06.01.

[2]許繼電源有限公司.PZ61-2000高頻開關直流操作電源系統產品說明書[Z].V1.0.

[3]陳德壽.高頻開關電源與傳統相控電源之技術經濟比較[J].水電勘測設計，2008，68：21-23.