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，針對目前基站供電系統(tǒng)特點，量身設計了一種標準1U高度、19英寸機架式的高效率高功率密度的交直流電源系統(tǒng)，可同時輸出交流220V及直流48V。

關鍵詞：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、管理中的支撐保障作用日益凸顯，通信設備故障導致業(yè)務中斷所造成的后果日益嚴重。而通信設備的安全穩(wěn)定運行與通信電源供電的穩(wěn)定、可靠、持續(xù)有密切的關系。

一、一體化電源系統(tǒng)監(jiān)控范圍

一體化電源系統(tǒng)利用通信方式對各子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分散采集和集中管理，可在自動化監(jiān)控后臺或集控中心對本站各電源子系統(tǒng)實現(xiàn)遠方監(jiān)控。一體化電源系統(tǒng)中除交流電源子系統(tǒng)進線開關和聯(lián)絡開關采用框架式開關外，其它開關均為塑殼開關、微型空開和隔離開關，不具有電氣操作機構。如果要實現(xiàn)遠控，就需要給這些饋線開關或隔離開關加裝外部輔助機械裝置以及微型馬達來實現(xiàn);這樣無疑會大幅增加整個系統(tǒng)的復雜性和投資費用，饋線柜的數(shù)量也會增加許多，實際工程應用案例極少。另外各電源子系統(tǒng)全部雙套配置，重要負荷雙回路供電，一旦發(fā)生站用電源饋線跳閘事故，一般需要檢修維護人到現(xiàn)場查明故障原因，才能進一步恢復供電。

二、一體化DC/DC電源與專用通信電源設備性能比較

1.供電方式比較。目前，某供電公司通信設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，兩者相互獨立，其中任何一路失效都不影響通信系統(tǒng)的運行。二是無專用通信電源，通信設備依靠變電站一體化電源系統(tǒng)的DC/DC變換設備變換得到-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，不但在高頻開關電源故障時能無縫繼續(xù)給通信設備供電，還相當于一個大電容，能抑制反向電平，還能濾除各種尖脈沖。當負載短路時，蓄電池放電可為故障回路提供短路瞬時保護動作電流，迅速跳開該分路負載空氣開關，整個短路過程，其它支路負載運行不受影響，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，當負載之路出現(xiàn)短路或持續(xù)過載故障時，分路負載無法從蓄電池組直接獲得放電電流，分路負載開關存在無法切斷故障支路的風險，DC/DC變換器的限流作用會使-48V母線電壓出現(xiàn)跌落，導致所有通信設備失電。

3.蓄電池備用時間比較。在站用交直流一體化電源系統(tǒng)中，自動裝置、繼電保護裝置、通信負荷在正常情況下，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，蓄電池就會被事故照明、繼電保護、通信、自動裝置、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、監(jiān)控等所有的交直流負荷一起分享。《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》規(guī)定：通信電源蓄電池組供電后備時間應不小于4小時。采用通信專用電源時，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。變電站采用獨立的操作電源時，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，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)負荷后，變電站蓄電池的容量僅增加了100AH，因此，有的核心的110kV、220kV通信站點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)供電時間應不少于4小時的規(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)設計原理。當市電正常時市電通過整流模塊對直流負荷供電，并對蓄電池進行充電，ATS切換至市電供電，由市電給交流負荷供電;當市電出現(xiàn)異常時，ATS切換至電池逆變供電模式，切換時間≦10ms，電池經(jīng)過下電保護裝置給直流負荷供電。監(jiān)控器監(jiān)測市電電壓、電池電壓、負載、環(huán)境溫度、充電電流等，通過RS232及干接點通訊接口，將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳上位機，以方便對系統(tǒng)進行監(jiān)控。

電源模塊的DC/AC部分采用軟開關設計，效率極高，3KVA的變換器30%負載時逆變效率就達到90%;100%負載時逆變效率達到92%以上。電源模塊的AC/DC部分采用兩級設計，前級PFC、后級ZVS全橋，因此輸入功率因數(shù)達到0.99，滿載效率達到91%以上。

2.DC/AC部分原理分析。構成DC/AC部分的前級推挽正激DC/DC變換器、吸收回路以及DC/AC逆變橋級，開始工作時，不穩(wěn)定電壓Ui被前級推挽正激DC/DC變換器轉變成高頻脈沖直流電壓Udo ，被后級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，變壓被被轉化成所需要的高頻正弦波電壓uo。這種設計方式的有點在于：

（1）由于功率管關斷時，其導致的漏源尖峰電壓被儲能箝位在2Ui，因此不需要在專門設置緩沖電路，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對稱磁化的方式，相比其他系統(tǒng)對磁心的利用率更高，因此變壓器的功率密度也很大。（4）開關管S1～S4是在u do為零電壓脈沖時候導通PWM脈沖序列，實現(xiàn)SPWM的ZVS零電壓開通，確保功率開關管的低損耗。輸入電流和輸入電壓都比較大時，推挽正激式高頻環(huán)節(jié)

逆變器都可以可承受，同時在后級逆變橋實現(xiàn)了零電壓開關，改變DC/DC工作頻率可以直接調(diào)整后級SPWM頻率，設置適當開關頻率可降低逆變橋功率管開關損耗，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)采用電感電流瞬時值閉環(huán)控制，控制輸出電流的穩(wěn)定性，使逆變器能適應各種不同特性的負載，包括容性、感性、整流非線性負載，對電機負載也是非常適用的。控制系統(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工作是通過驅動上邊橋MOSFET在一個固定的50%占空比，下邊橋MOSFET在跟隨沿被諧振開關延遲調(diào)制的方法。相比于移相控制法，該方法的效率相同，但是使用簡單的少引腳封裝IC。對ZVS全橋結構進行的關鍵操作之一就是基于諧振時間要求來設置打開下MOSFET管的延時，這個操作可以通過調(diào)節(jié)該IC上的RESDEL管腳上的電壓來實現(xiàn)。

參考文獻：

[1]袁媛.智能變電站交直流一體化電源系統(tǒng)分析[J].科技與企業(yè)，2017（9）：21-23.

[2]吳軍.智能變電站的體系結構及原理研究[J].華中電力，2017，24（3）：1-4.