高壓配電系統(tǒng)直流電源改造

黃軍營，李文君

（河南廣播電視臺104 臺，河南鄭州 450000）

0 引言

某中波廣播發(fā)射臺高壓配電室的直流屏已運行近20 年，是某公司生產(chǎn)的第二代模數(shù)混合控制的軟開關直流電源產(chǎn)品，開關直流電源系統(tǒng)由兩只額定電流為10 A的高頻整流器并聯(lián)為一組的高頻整流裝置、一臺微機直流系統(tǒng)絕緣檢測裝置和一臺直流系統(tǒng)監(jiān)控裝置等組成。2021 年的7月20 日，該廣播發(fā)射基地遭受特大洪水，設備被洪水浸泡數(shù)天，整流屏內(nèi)多個裝置模塊、配電單元、蓄電池組失效，金屬零部件銹蝕嚴重，考慮到高頻開關電源整流模塊存在較大安全隱患，并且是20 年前的模數(shù)混合控制產(chǎn)品，能耗高，整流器匹配功率過小，因此，需更新改造一套運行穩(wěn)定、可靠、節(jié)能的直流電源系統(tǒng)。

1 電氣改造方案

2021 年8 月開始著手準備開關直流電源系統(tǒng)的更新改造工作，通過調(diào)研當前直流電源領域的前沿技術，決定棄用原有的模數(shù)混合控制的直流電源系統(tǒng)，采用全數(shù)字化控制的軟開關直流電源系統(tǒng)，改造后的開關直流電源系統(tǒng)在高頻變換、直流監(jiān)控模塊和蓄電池組智能管理等方面有極大的提升。此次高壓配電室開關直流電源系統(tǒng)技術改造后與原系統(tǒng)相比，有以下3 個方面的提升：①由原模擬和數(shù)字混合控制軟開關直流電源系統(tǒng)升級為全數(shù)字化控制的軟開關直流電源系統(tǒng)；②整流裝置部分匹配4 只高頻開關整流器，采用（3+1）冗余接線方式，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠；③增加智能蓄電池檢測裝置，能夠及時掌握電池狀態(tài)，避免了由于電源因素從而引發(fā)電力事故。

2 改造后的開關直流電源系統(tǒng)

改造后的高頻開關直流操作電源系統(tǒng)由交流配電單元、高頻整流裝置、蓄電池組、硅堆降壓裝置、絕緣實時監(jiān)測模塊、蓄電池組巡檢模塊、兩路市電交流輸入監(jiān)測單元和后臺微機監(jiān)控裝置等功能模塊組成，系統(tǒng)構成原理接線如圖1 所示。

圖1 高頻開關直流操作電源系統(tǒng)構成原理

交流配電單元電路的交流輸入由低壓室兩路市電輸入，互為備用，自動投切。為保證任意時段接入的電源唯一，輸入部分采用電氣聯(lián)鎖控制電路，實現(xiàn)對兩路交流市電進線單元的監(jiān)測和自動切換控制。整流器由4 只額定電流為10 A 的整流模塊并聯(lián)為一組，提供交流變直流輸出，即直流動力輸出電壓（合母電壓）。該輸岀電源既要根據(jù)蓄電池組的狀況對其均充和浮充，又要經(jīng)硅鏈降壓后輸岀控制母線電壓（控母電壓）。

其中，硅鏈內(nèi)部串接多個大功率硅整流二極管，利用二極管正向?qū)▔航岛愣ǖ奶匦裕ㄟ^實時監(jiān)測直流控母電壓，并與設定值比較，根據(jù)比較結果控制硅堆的投入數(shù)量，從而獲得合適的壓降，把電壓穩(wěn)定在合適的范圍，同時還具有抗電流沖擊能力大、安全可靠的優(yōu)點。

絕緣監(jiān)測模塊用于實時監(jiān)測控制母線和饋電各支路小母線的絕緣情況。通過RS485 接口與變電站自動化監(jiān)控后臺進行通信。

開關直流操作電源系統(tǒng)供電輸岀部分可參考簡化圖2。當兩路交流市電輸入電源正常時，通過交流輸入單元給各4 個整流模塊供電。整流模塊將交流電變換為直流電，經(jīng)保護裝置（熔斷器或斷路器）輸出。即提供控制輸出（控母電壓）和動力輸出（合母電壓）。一旦岀現(xiàn)兩路市電同時故障時，蓄電池組能夠自動投入、為直流負荷供電。

圖2 高頻開關直流操作電源系統(tǒng)供電原理

3 改造關鍵技術及優(yōu)勢

本次技術改造涉及有：高頻整流模塊、智能蓄電池組實時檢測裝置、直流絕緣狀況監(jiān)測裝置、直流系統(tǒng)監(jiān)控等模塊。各部分的功能和技術優(yōu)勢如下：

3.1 高頻開關整流器模塊

高頻整流器模塊實現(xiàn)了軟開關變換和數(shù)字控制。系統(tǒng)匹配4 只高頻整流模塊，采用（3+1）冗余接線方式。各模塊供電方式相互獨立，當某一個模塊出現(xiàn)故障時，其他模塊可以正常供電，即可以在不停電的情況下進行故障零件的更換。當蓄電池事故放電后，能對蓄電池自動進行充電。而且能夠根據(jù)蓄電池組的狀態(tài)轉(zhuǎn)換充電模式。

對比原舊系統(tǒng)模數(shù)混合控制并聯(lián)輸?shù)? 只整流模塊，新系統(tǒng)電流電壓更穩(wěn)定，可靠性更高，可大幅減少功率器件的開關損耗，提高轉(zhuǎn)換率，且多項技術指標優(yōu)于國標值，其技術優(yōu)勢有在于：

開關變換全面采用軟開關技術，電壓變化率dv/dt 和電流變化率di/dt 減小很多，具有自動穩(wěn)壓、穩(wěn)流調(diào)節(jié)功能。高頻整流模塊并聯(lián)均流電路原理如圖3 所示。

圖3 高頻整流模塊并聯(lián)均流電路原理

3.2 智能蓄電池組巡檢模塊

變電站直流屏中蓄電池組是非常重要的組成部分，如果變電站中一旦兩路交流市電同時岀現(xiàn)電源故障，就會導致電源不能正常供電，并且直流屏中的充電裝置也會馬上停止工作，這時候蓄電池就成為整個供電系統(tǒng)的電源[1]。

智能蓄電池組巡檢模塊有以下功能特點：

單節(jié)電池采用差分電路輸入和多級電子開關切換，無機械觸點，測量速度快，精度高。實時在線檢測，無需外接瞬時大電流放電負載，對直流系統(tǒng)無任何影響。采用分布式安裝，在靠近蓄電池組安裝巡檢模塊，以減少蓄電池采樣接線的長度，提高測量精度。具備溫度探頭接口，可對蓄電池環(huán)境溫度或單體電池的表面溫度進行實時檢測，并據(jù)此對蓄電池組進行溫度補償控制。具備RS485 通信接口，通過數(shù)據(jù)總線與監(jiān)控裝置連接，提供單節(jié)蓄電池電壓和內(nèi)阻數(shù)據(jù)的顯示，便于分析和判斷。蓄電池組巡檢原理如圖4 所示。

圖4 蓄電池組巡檢原理

3.3 直流絕緣狀況監(jiān)測裝置和直流監(jiān)控裝置

運行實踐證明，直流系統(tǒng)接地的危害不僅使繼電保護裝置誤動、拒動，甚至會造成直流控制的一次設備誤動、拒動，嚴重危及電力系統(tǒng)安全運行，絕緣監(jiān)測裝置采用彩色液晶觸摸屏顯示，方便人機對話，具有交流竄入檢測，直流互竄檢測，母線絕緣檢測以及支路巡檢功能。

直流監(jiān)控裝置是直流系統(tǒng)電源的控制和管理核心，具有“四遙”功能和模塊化結構設計思路，采用分散測量和控制、集中管理的集散模式?？蓪瓒呀祲貉b置、整流器、蓄電池組、母線電壓及母線對地絕緣情況，實施全方位監(jiān)視、測量和智能化控制。直流監(jiān)控裝置的開關量由開關量采集模塊采集，模擬量由數(shù)字變送儀表檢測。功能特點如下：

具有“四遙”功能，分別是遙測（充電機電壓、母線電壓、輸出電流、電池電壓、充電電源等）、遙信（交流電源失電、直流電壓過高以及過低，絕緣不良、整流器模塊故障、電池電壓異常等）、遙控（模塊的啟/停，均浮充切換）、遙調(diào)（連續(xù)調(diào)節(jié)充電電壓、輸出限流、電池充電限流、蓄電池欠壓報警值、整流器過欠壓報警值等）[2]，并根據(jù)系統(tǒng)的設置數(shù)據(jù)進行報警處理和數(shù)據(jù)管理功能。

4 結束語

在高壓配電室直流屏系統(tǒng)的災后技術改造過程中，通過對比和分析國際、國內(nèi)高頻開關直流電源方面的前沿技術，將原模數(shù)混合控制的直流電源系統(tǒng)升級為全數(shù)字化控制的軟開關直流電源系統(tǒng)，既安全，又環(huán)保，實現(xiàn)了系統(tǒng)的“綠色化”。技術改造后的高頻開關直流電源系統(tǒng)的整體性能得到了大的提升。系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠，既安全又環(huán)保，大大提升了廣播信號安全播出的保障能力。