變電站并聯(lián)直流電源替代電力UPS電源系統(tǒng)

　　摘要：提出一種采用并聯(lián)直流電源替代電力UPS電源系統(tǒng)的方案，分析闡述UPS負(fù)荷——監(jiān)控服務(wù)器內(nèi)部開(kāi)關(guān)電源工作原理及采用直流240V供電的可行性，進(jìn)一步分析并聯(lián)直流電源內(nèi)部模塊原理和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在理論分析基礎(chǔ)上搭建了并聯(lián)電池系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)比直流240V和交流220V電源供電的各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，并聯(lián)直流電源替代UPS電源是可行的。
　　Abstract： The scheme of replacing the power UPS power system with parallel DC power supply is proposed. The working principle of switching power supply in the UPS load monitoring server and the feasibility of DC 240V power supply are analyzed. The principle and application advantages of the internal module of the parallel DC power supply are further analyzed. On the basis of theoretical analysis， a parallel battery system test platform is built， and the indexes of DC 240V and AC 220V power supply are compared. The experimental results show that the parallel DC power supply is feasible to replace UPS.
　　關(guān)鍵詞：電力UPS電源；開(kāi)關(guān)電源；并聯(lián)直流電源
　　Key words： UPS for electric power；parallel DC power supply system；switching power supply
　　中圖分類(lèi)號(hào)：M910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）14-0131-03

0 引言

　　為提高變電站供電系統(tǒng)的可靠性，變電站配電系統(tǒng)中都設(shè)有電力UPS電源，它的作用是在交流工作電源失電后，繼續(xù)為監(jiān)控服務(wù)器等設(shè)備不間斷供電。而與直流電源相比，UPS電源存在著一些不足：①UPS電源在電路結(jié)構(gòu)上多出一個(gè)逆變環(huán)節(jié)，逆變電路結(jié)構(gòu)比整流器復(fù)雜得多。并且UPS電源總成本是同等容量直流電源的數(shù)倍，而其可靠性并沒(méi)有提高[1]。②當(dāng)UPS電源交流輸入側(cè)失電后，其內(nèi)部逆變單元的直流輸入由蓄電池提供。但如果電池和逆變器同時(shí)損壞，UPS電源就會(huì)失效，不再給負(fù)荷供電。同時(shí)由于逆變器輸出電壓在幅值、相位、頻率等方面存在差異，因此逆變器輸出端不能與其它電源并聯(lián)[2]。③傳統(tǒng)UPS配置的串聯(lián)結(jié)構(gòu)蓄電池組存在“單體電池故障影響整組輸出問(wèn)題”、“串聯(lián)蓄電池組要求單體電池電參數(shù)一致性很高，會(huì)導(dǎo)致部分電池?fù)p壞整組退役問(wèn)題”、“串聯(lián)蓄電池組難以實(shí)施在線全容量核容問(wèn)題”，這些問(wèn)題同樣使UPS負(fù)荷處于不安全狀態(tài)[3]。
　　由此，依據(jù)UPS負(fù)荷——監(jiān)控服務(wù)器內(nèi)部開(kāi)關(guān)電源工作原理，提出使用并聯(lián)直流電源替代UPS電源系統(tǒng)的方案，在理論上分析開(kāi)關(guān)電源采用直流240V供電的可行性，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試比較并聯(lián)直流240V電源與交流220V供電的各項(xiàng)指標(biāo)，驗(yàn)證并聯(lián)直流電源替代UPS電源的可行性。

1 并聯(lián)直流電源替代電力UPS電源

　　變電站電力UPS電源所帶負(fù)載包括監(jiān)控主機(jī)、綜合應(yīng)用服務(wù)器、輔助控制主機(jī)、時(shí)間同步系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警控制器設(shè)備等[4]。這些設(shè)備的電源輸入均內(nèi)置開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源。它的優(yōu)點(diǎn)是效率高、能耗低、體積小、重量輕。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在大多數(shù)電氣設(shè)備內(nèi)部電源均采用開(kāi)關(guān)電源。
　　1.1 開(kāi)關(guān)電源工作原理
　　開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)通常包括EMI濾波、整流橋、PFC、DC/DC變換等。交流220V輸入電壓經(jīng)過(guò)EMI濾波電路和整流橋整流后的電壓為220=311V，再經(jīng)過(guò)PFC電路將直流電壓升壓到400V左右，最后經(jīng)DC/DC變換電路轉(zhuǎn)換為12V、5V和3.3V電壓[5]。本文主要探討直流240V與交流220V的供電區(qū)別，而直流和交流輸入對(duì)DC/DC部分電路的情況是相同的，所以只需要關(guān)注PFC及其之前的電路部分，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　1.2 開(kāi)關(guān)電源采用直流240V供電
　　開(kāi)關(guān)電源具有寬范圍電壓輸入特征，可以達(dá)到-50%、+20%以上，即110～264VAC。若開(kāi)關(guān)電源采用直流240V供電，理論上可以從以下幾點(diǎn)分析其可行性。
　　①整流管承受的反向電壓更小。如圖1所示，在交流電的正半周，輸入電流流經(jīng)整流橋的D1和D3，而二極管D2和D4承受反向電壓，反向電壓的最大值即等于交流電壓的峰值220=311V；在交流電的負(fù)半周時(shí)，同理，D1和D3承受311V的反向電壓。而采用直流240V供電，經(jīng)過(guò)EMI濾波器、整流，整流二極管承受的反向電壓即等于直流輸入電壓240V，并且二極管電流平均值等于輸入電流平均值。
　　②PFC二極管流過(guò)的峰值電流更小。比較交流和直流輸入時(shí)，二極管流過(guò)的電流差異。在PFC電路中，開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)，電感電流L1流過(guò)二極管D5，而輸入電流經(jīng)過(guò)整流橋整流后即等于電感L1的電流。根據(jù)

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