智能高頻開關(guān)電源在向家壩電站的應(yīng)用

吳高強(qiáng)，何長(zhǎng)平，孔麗君，袁雙雙

（向家壩水力發(fā)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(guī)劃的最末一級(jí)電站。電站左岸壩后廠房、右岸地下廠房各安裝水輪發(fā)電機(jī)組4臺(tái)（單機(jī)容量80萬kW），總裝機(jī)640萬kW，年發(fā)電量307億kW·h。工程于2006年11月正式開工，計(jì)劃于2012年10月首批機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2015年全部建成竣工。向家壩電站直流系統(tǒng)采用許繼電源有限公司生產(chǎn)的PZ61系列智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)，為全廠繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、信號(hào)裝置等二次設(shè)備，斷路器分合閘以及事故照明等設(shè)備提供可靠的直流電源。

1 高頻開關(guān)電源系統(tǒng)構(gòu)成及原理

PZ61系列高頻開關(guān)電源系統(tǒng)主要由交流配電單元、高頻整流模塊、蓄電池組、絕緣監(jiān)測(cè)裝置、電池巡檢裝置、配電監(jiān)測(cè)單元和集中監(jiān)控模塊等部分組成。系統(tǒng)構(gòu)成接線如圖1所示。

圖1 高頻開關(guān)電源系統(tǒng)構(gòu)成接線圖

1.1 交流配電單元

交流配電單元主要是實(shí)現(xiàn)交流電源輸入到高頻整流模塊的電源分配、保護(hù)和監(jiān)測(cè)。為了保證設(shè)備供電的可靠性，一般通過雙電源切換開關(guān)向整流模塊提供雙路三相交流電源，在“自動(dòng)”工作模式下，當(dāng)常用電源發(fā)生異常時(shí)，能自動(dòng)控制切換到備用電源，實(shí)現(xiàn)雙路電源的自動(dòng)切換。為了吸收雷擊感應(yīng)或開關(guān)操作產(chǎn)生的浪涌電流，限制過電壓幅值，降低電涌沖擊對(duì)整流模塊的危害，在交流電源側(cè)裝有防雷保護(hù)裝置。同時(shí)安裝智能儀表用于監(jiān)視交流電源電壓，當(dāng)交流電壓過壓、欠壓或缺相時(shí)，監(jiān)控裝置發(fā)出相應(yīng)的告警信號(hào)。

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(shí)提供給直流系統(tǒng)的經(jīng)常性負(fù)荷，是高頻開關(guān)電源的重要核心部件。向家壩電站直流系統(tǒng)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(hù)電路等部分組成。其基本工作原理是輸入交流電壓經(jīng)過EMI濾波、整流濾波得到一個(gè)平滑的直流電壓，經(jīng)過高頻變換器將直流電壓變換為脈寬可調(diào)的高頻交流脈沖電壓，經(jīng)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(dòng)直流電壓，經(jīng)LC濾波得到所需平滑的直流電壓輸出給負(fù)載。其工作原理見圖2。

EMI濾波主要是抑制來自交流輸入側(cè)各種電磁干擾，如開關(guān)操作、雷擊產(chǎn)生的尖峰電壓干擾，將過電壓沖擊對(duì)整流模塊的危害降低到最小，同時(shí)也阻斷高頻整流模塊本身產(chǎn)生的高頻干擾反向傳輸而污染電壓。為防止高頻噪聲對(duì)負(fù)載干擾，在開關(guān)電源輸出側(cè)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(jiān)測(cè)裝置

絕緣監(jiān)測(cè)裝置主機(jī)采用電橋原理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)正負(fù)直流母線的對(duì)地電壓和絕緣電阻，當(dāng)正負(fù)直流母線的對(duì)地絕緣電阻低于設(shè)定的報(bào)警值時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)支路巡檢功能，及時(shí)提醒運(yùn)行人員查找并排除接地故障，從而杜絕直流系統(tǒng)接地故障可能引發(fā)的電力事故。

1.4 集中監(jiān)控模塊

集中監(jiān)控模塊是電源系統(tǒng)的控制和管理核心，它通過RS485串口對(duì)高頻整流模塊、電池巡檢模塊、絕緣監(jiān)測(cè)裝置、數(shù)字智能儀表和開關(guān)量采集模塊等智能設(shè)備實(shí)施數(shù)據(jù)采集、處理，根據(jù)系統(tǒng)管理和電池管理的要求進(jìn)行各種控制，顯示和記錄系統(tǒng)的運(yùn)行信息。同時(shí)通過通信口與遠(yuǎn)方監(jiān)控設(shè)備通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方對(duì)電源設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制，減少人為操作，保證了其工作的連續(xù)性、可靠性和安全性。

2 高頻開關(guān)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(tǒng)，其原理是交流輸入電壓經(jīng)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)電源輸入的交流電經(jīng)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(jīng)高頻變壓器和整流濾波電路最后轉(zhuǎn)化為平滑的直流電壓。因?yàn)槠洳捎妹}寬調(diào)制電路來控制功率開關(guān)期間的導(dǎo)通和截至?xí)r間，所以可以得到很高的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度和很低的紋波系數(shù)。高頻開關(guān)電源內(nèi)部還采用軟開關(guān)技術(shù)和無源功率因數(shù)校正技術(shù)，大幅減小功率器件的開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。

2.2 技術(shù)參數(shù)比較

高頻開關(guān)電源與相控電源的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)照如表1所列。

表1 高頻開關(guān)電源與相控電源的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)照

2.3 可靠性比較

相控電源整流模塊發(fā)生故障時(shí)，需要將整套充電裝置退出運(yùn)行，故障修復(fù)難度大，周期長(zhǎng)，影響系統(tǒng)正常供電，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。高頻開關(guān)電源采用模塊化結(jié)構(gòu)和N+1冗余方式，當(dāng)系統(tǒng)的任一模塊因故障退出運(yùn)行時(shí)，其他模塊繼續(xù)均流運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性大大提高。當(dāng)用戶需要擴(kuò)展電源系統(tǒng)容量時(shí)，只需增加整流模塊數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)。

2.4 對(duì)蓄電池影響

發(fā)電廠目前主要使用閥控鉛酸免維護(hù)蓄電池，這種蓄電池對(duì)充電裝置的功能特性要求較高。大多數(shù)閥控鉛酸蓄電池在相控充電裝置運(yùn)行3到6年后，均會(huì)出現(xiàn)不同程度的電池外殼膨脹等現(xiàn)象，而蓄電池在高頻充電裝置運(yùn)行同樣的時(shí)間后，不會(huì)出現(xiàn)以上現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況的根本原因就是相控電源系統(tǒng)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(guān)電源由于輸出紋波小，輸出穩(wěn)定，智能控制管理，從而能延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

從以上四方面的比較分析，高頻開關(guān)電源在技術(shù)參數(shù)，可靠性和對(duì)蓄電池的影響等方面都優(yōu)于相控電源，同時(shí)高頻開關(guān)電源還有體積小、重量輕，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)語

智能高頻開關(guān)電源在向家壩電站的應(yīng)用，符合智能型電站建設(shè)的需要，為向家壩電站的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保證。

[1]DL/T 5044-2004電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].2004.06.01.

[2]許繼電源有限公司.PZ61-2000高頻開關(guān)直流操作電源系統(tǒng)產(chǎn)品說明書[Z].V1.0.

[3]陳德壽.高頻開關(guān)電源與傳統(tǒng)相控電源之技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較[J].水電勘測(cè)設(shè)計(jì)，2008，68：21-23.