PZDW高频开关直流电源系统

2.4.2.1 系统的特点

由多个独立模块组成,N+1热备份;很宽的电压输入范围,电网适应性强,可用于环境相对恶劣场所;充电模块可带电插拔,在线维护,方便快捷;采用最新软件开关技术,转换效率高,电磁干扰小;采用硬件低差自主均流技术,模块间输出电流最大不平衡度小于±3%;系统采用国际电工委员会(IEC)、美国保险商实验室(UL)等国际标准,可靠性与安全性有充分的保障;监控模块采用大屏幕液晶显示,声光报警,可进行系统各部分参数设置,操作方便;具有输出电压和电流平滑调节的功能;开放式接口设计,具有强大的通信功能,可以很方便地实现与变电站RTU装置或电厂计算机监控系统相连;分散多级监控系统,可实现对电源系统的“遥测、遥控、遥信、遥调”以及无人值守;蓄电池自动管理及保护,实时自动监测蓄电池的端电压、充电和放电电流,并控制蓄电池的均充和浮充,设有电池过电压、欠电压和充电过电流声光报警。

2.4.2.2 系统的工作原理

高频开关电源系统主要由交流配电单元、充电模块、监控模块、配电监控、降压硅链(降压单元)、直流馈电单元(包括合闸分路、控制分路)、绝缘监测等几大部分组成,其原理框图如图2-8所示。

图2-8　高频开关电源系统原理框图

两路交流输入经交流切换控制电路选择其中一路输入,并通过交流配电单元给各个充电模块供电。充电模块将三相交流电转换为220V或110V的直流电,经隔离二极管隔离后输出,给电池充电、给负载提供正常的工作电流。

监控部分采用集散方式对系统进行监测和控制,充电柜与馈电柜的运行参数、充电模块运行参数分别由配电监控电路和监控模块电路采集处理,然后通过串行通信口把处理后的信息上报给监控模块,由监控模块统一处理后,显示在液晶屏上。同时,可通过人机交互操作方式对系统进行设置和控制,若需要,还可以接入远程监控。监控模块还能对每个充电模块进行均充和浮充控制、限流控制等,保证蓄电池的正常充电,延长其使用寿命。

交流输入停电或异常时,充电模块停止工作,由电池给负载供电。监控模块监测电池电压、放电时间,当电池放电到设置的欠压点时,监控模块报警。交流输入恢复正常以后,充电模块再对电池充电。

2.4.2.3 主要部件工作原理

1.充电模块

(1)特点。充电模块采用先进的移相谐振高频软开关电源技术,模块效率大于94%。模块采用一体化输入输出及通信端口,并设计为可带电插拔方式,方便系统维护。采用无源PFC技术,功率因数大于0.92。具备电磁兼容和安全措施,符合IEC相关标准。与传统相控电源相比,输出波纹大大减小。模块间的均流采用了低差自主均流技术,多个充电模块并机运行时,具有理想的均流性能。模块直流输出采用无级限流方式,可根据负载电流的大小和电池的容量,由系统监控模块选择限流点,稳流进度优于0.5%,模块内设置了短路回缩特性,即使模块处于长期短路也不致损坏。模块具有保护及报警功能,包括输入过压、欠压、缺相、输出过压和欠压等。充电模块内部监控板在监控控制模块运行情况的同时,还与系统监控模块通信,使充电模块具有遥测、遥控、遥信、遥调功能。

(2)原理。380V三相交流先整流成高压直流电,再逆变及高频整流为可调脉宽的脉冲电压波,经滤波器输出所需的直流电。充电模块原理图如图2-9所示。

图2-9　充电模块原理图

(3)软开关技术。采用软开关技术,可大幅减小功率开关器件的开关损耗,提高转换效率;由于电压变化率(du/dt)或电流变化率(di/dt)相对减小很多,功率开关器件受到的电应力较小,提高了可靠性,也较大改善了高频开关电源产生的电磁干扰。

充电模块采用FBZVS-PWM软件开关技术,具有频率恒定、易于控制、可靠性高、实用性能好等特点;通过软开关技术的使用,实现了整机满载效率接近95%。

(4)均流技术。充电模块采用低差自主均流技术,多个模块并机工作时,具有非常理想的均流性能。各模块的均流单元通过同一放大系数采样各自的输出电流,建立采样电压,各采样电压通过比较,以其最大值作为均流总线上的基准电压。基准电压对应的模块自动成为“主模块”,它的输出电流相对最大,其余模块自动成为“从模块”。基准电压通过均流总线进入各模块均流单元,与其采用电压进行比较,误差放大后控制模块开关脉冲宽度,微调各模块的输出电压让输出电流趋于一致。均流调整达到平衡后,“从模块”的输出电流接近于“主模块”的输出电流,模块间输出电流差趋于零。

这种均流方案的优点如下所述。

1)负载不平衡度小于3%。

2)作为“主模块”的充电模块式通过比较任意产生的,当“主模块”因某种原因退出工作后,系统将自动再比较出一个输出电流最大的模块作为“主模块”,并自动重新调整输出电路,达到新的平衡。这样可以避免模块出现故障时造成系统的崩溃。

2.监控模块

在电力操作高频开关电源系统中,监控模块通过RS-485通信口对充电模块、充馈电柜内各单元、电池监测仪、绝缘检测仪等下级智能设备实施数据采集,加以显示;也可根据系统的各种设置数据进行报警处理、历史数据管理等;同时,对这些处理的结果加以判断,根据不同的情况实行电池管理、输出控制和故障回叫等操作;监控模块还可通过RS-232、RS-485接口与后台计算机通信。

监控模块汇集电源系统的各种数据、工作状态,通过整理、分析,实现对电源与电池充放电的全自动化管理。操作人员可通过键盘对充电模块进行强制开启、关停、均充与浮充等控制,调节充电模块的限流点和输出电压。

电源集中监控维护后台可实时显示当前电源系统的全部详细数据、状态,可对电源系统发出限流、均充与浮充电压调节,充电模块开启、关停等各种控制命令。

监控模块的性能和特点如下所述。

(1)显示功能。监控模块能实时显示各个下级设备的各种信息、包括采集数据、设置数据等。通过监控模块的键盘和LCD,可随时查看整个系统的运行状况,如系统的电压与电流、电池的均充与浮充状态等。

(2)设置功能。设置功能是将监控模块或下级设备运行过程中需要的参数,通过键盘输入到系统中去,这些参数会在以后的运行中影响整个系统的工作。对下级设备的设置是通过串口实现的,监控模块会提示设置是否成功。另外,系统的设置页可分为用户级和维护级两个级别,用户级指的是在监控模块运行的过程中,对一些常用的可更改的参数,用户可自行修改,而且立刻生效;维护级设置的是核心的、重要的参数,除维护人员外,其他人员不可擅自更改;设置都有密码保护功能,用户级密码可随时修改,维护级则不可。

(3)控制功能。控制功能是监控模块根据所采集数据,对下级设备执行相应的动作。这些动作主要有微调充电模块的输出电压、控制充电模块的限流点、控制充电模块的开关机,控制命令通过串口发出。监控模块可自动进行这些控制,用户也可在键盘上手动执行这些动作,需要通过密码检查。

(4)报警功能。监控模块中,报警信息由下级设备产生,通过串口发送至监控模块,此时,监控模块会自动弹出报警屏并显示前4条报警信息,利用“上页”键、“下页”键可以浏览当前所有的报警信息,按其他键则返回到系统原来的状态。

每一类报警可对应监控模块7个继电器中的一个输出控制(干触点),多类报警可对应一个继电器输出,这些对应关系也可在键盘上输入,实现相应功能。

(5)历史记录。历史记录指的是将系统运行过程中一些重要的状态和数据,根据时间等条件存储起来,以备查询,本系统中,历史报警信息的最大存储量为100条,每一条包括报警类型、起始时间和结束时间,保证掉电后不会消失,用户可在LCD上随时浏览。

(6)通信功能。通信功能是监控模块最主要的功能之一,系统所有的实时数据和报警信息都通过该部分来获取,数据的上报也通过通信来实现。采用面向对象的编程方法,将数据封装起来,利用并行处理和中断技术,确保系统在最短时间内得到数据,并可在尽量短的时间内响应后台的需求。(www.xing528.com)

(7)电池管理。完成电池状态检测和容量计算,根据检测结果进行均充和浮充转换、充电限流以及定时均充等功能。

3.降压硅链单元

(1)功能及特点。直流电源系统在对蓄电池组进行均衡充电时,充电模块的输出电压会高于控制回路的额定电压值,需一个调压装置串接在合闸动力母线与控制母线之间。降压硅链单元就是这样一个调压装置,它可自动或手动改变电压降,保证控制母线的电压在正常范围内。降压硅链单元利用大功率整流二极管的PN结正向压降叠加来产生调整压降,相比于其他形式的控制母线电压调节方式,具有安全、可靠、抗电流冲击性能好、易维护等优点。

在本系统中,降压硅链单元为独立模块化设计,便于安装和维护。

(2)工作原理。降压硅链由多只大功率整流管串接而成,利用PN结基本恒定的正向压降来产生调整电压,通过改变串入线路的PN结数量来获得适当的压降。

将硅链均分为5节串联,在每节两端并联调压执行继电器触点,若驱动执行继电器,令其触点闭合,使得该节硅链被短接,降压单元的压降减小。反之,若执行继电器的触点断开,使得串入线路中的PN结数量增加,调压单元的压降增加,降压硅链单元内部母线的电压在正常范围内;若将降压硅链的控制旋钮置于手动位置,可由旋钮的不同档位来控制执行继电器闭合的数量,手动调节控制母线的电压。

硅链中大功率硅整流二极管管芯由专用的自冷式散热片夹持固定,确保散热效果,允许降压单元在大电流下连续可靠地工作。

2.4.2.4 防雷措施

本电源系统的防雷由C级、D级组成。用户可在电源系统交流输入前12～25m线路中安装防雷装置。C级防雷器和D级防雷器安装在电源系统交流配电部分。C级防雷器上的最大通流容量为40kA,失效后,可自动报警,它的工作状态显示窗口自动由绿变红,同时由监控模块输出报警信号。D级防雷盒面板上任一绿色发光二极管熄灭时,表示已经有故障,需要及时排除。上述两级防雷共用一个防雷接地装置。需特别注意,C级防雷器前串联有防雷专用的空气开关,断开此开关,系统便无C级防雷功能,不宜在正常情况下断开此开关。

2.4.2.5 接地

电源系统接地包括安全保护接地和防雷接地。系统安全保护地点设在机柜底座后端,防雷接地点已连接在交流配电单元的接地汇集排上。同时,在每个模块后部端子上装有接地针,在插入模块时自动将模块安全保护接地与机架可靠连接。安全保护接地也即将机壳接地。在本电源系统中,防雷接地和安全保护接地共用,二者在机柜内用横截面面积不低于25mm2的铜芯电缆就近连接后,再引入到接地装置中,工频接地电阻原则上不大于5Ω,越小越好。该接地引线建议选用铜芯电缆,其横截面面积不宜低于25mm2,长度一般不超过30m。

2.4.2.6 蓄电池容量的选择

蓄电池容量的选择宜满足三种负荷的需要,即经常性负荷(Ijc)、事故性负荷(Isg)、冲击性负荷(Icj),并需留有20%的裕度。

1.镉镍蓄电池容量的选择

镉镍蓄电池由于放电倍率高(约为其额定容量的12倍),适用于事故性负荷与经常性负荷小、冲击性负荷大的场合。

【例2-1】 经常性负荷Ijc为2A事故性负荷Isg为5A,冲击性负荷(合闸电流)Icj为125A,持续时间为2h,计算蓄电池容量。

解:事故总放电电流Isg.max=Ijc+Isg=2+5=7(A)

事故总放电容量Csg.max=Isg.maxt=7×2=14(A·h)

事故容量C=kCsg.max=1.2×14=16.8(A·h)(k为裕度系数,取1.2)

宜选用20A·h高倍率镉镍蓄电池,其冲击电流Icj=20×12=240(A),大于125A,满足要求。

2.铅酸蓄电池容量的选择

阀控式铅酸蓄电池放电倍率高(约为其额定容量的2倍),价格低,无腐蚀,全免维护,可提高容量弥补其瞬间放电倍率低的缺陷,受到用户的普遍欢迎,适用于事故性负荷较大的场合。

【例2-2】 经常性负荷Ijc为10A,事故性负荷Isg为30A,冲击性负荷(合闸电流)Icj为150A,持续时间为2h,计算蓄电池容量。

解:事故总放电电流Isg.max=Ijc+Isg=10+30=40(A)

事故总放电容量Csg.max=Isg.maxt=40×2=80(A·h)

事故容量C=kCsg.max=1.2×80=96(A·h)(k为裕度系数,取1.2)

宜选用100A·h阀控式铅酸蓄电池,其冲击电流Icj=100×2=200(A),大于150A,满足要求。

2.4.2.7 模块的选择

蓄电池容量确定后,根据蓄电池最大充电电流及正常负荷来确定模块的数量,按照N+1冗余方式选择。

【例2-3】 阀控式铅酸蓄电池100A·h,充电电流为10A即10A,正常负荷电流为最大10A,总放电电流为20A,需要10A整流模块2块,按N+1冗余方式选用10A模块3块。

【例2-4】 阀控式铅酸蓄电池200A·h,充电电流为20A即20A,正常负荷电流为最大10A,总放电电流为30A,需要10A整流模块3块,按N+1冗余方式选用10A模块4块。

高频开关直流电源系统的技术性能、可靠性、所产生的经济效益以及系统构造都远远优于晶闸管相控直流系统,必将成为电力行业直流电源的主流换代产品。高频开关直流电源系统的广泛应用,将使我国电力行业直流电源系统设备跨入一个全新的时代。