高压配电系统直流电源改造

黄军营，李文君

（河南广播电视台104 台，河南郑州 450000）

0 引言

某中波广播发射台高压配电室的直流屏已运行近20 年，是某公司生产的第二代模数混合控制的软开关直流电源产品，开关直流电源系统由两只额定电流为10 A的高频整流器并联为一组的高频整流装置、一台微机直流系统绝缘检测装置和一台直流系统监控装置等组成。2021 年的7月20 日，该广播发射基地遭受特大洪水，设备被洪水浸泡数天，整流屏内多个装置模块、配电单元、蓄电池组失效，金属零部件锈蚀严重，考虑到高频开关电源整流模块存在较大安全隐患，并且是20 年前的模数混合控制产品，能耗高，整流器匹配功率过小，因此，需更新改造一套运行稳定、可靠、节能的直流电源系统。

1 电气改造方案

2021 年8 月开始着手准备开关直流电源系统的更新改造工作，通过调研当前直流电源领域的前沿技术，决定弃用原有的模数混合控制的直流电源系统，采用全数字化控制的软开关直流电源系统，改造后的开关直流电源系统在高频变换、直流监控模块和蓄电池组智能管理等方面有极大的提升。此次高压配电室开关直流电源系统技术改造后与原系统相比，有以下3 个方面的提升：①由原模拟和数字混合控制软开关直流电源系统升级为全数字化控制的软开关直流电源系统；②整流装置部分匹配4 只高频开关整流器，采用（3+1）冗余接线方式，使系统更加稳定、可靠；③增加智能蓄电池检测装置，能够及时掌握电池状态，避免了由于电源因素从而引发电力事故。

2 改造后的开关直流电源系统

改造后的高频开关直流操作电源系统由交流配电单元、高频整流装置、蓄电池组、硅堆降压装置、绝缘实时监测模块、蓄电池组巡检模块、两路市电交流输入监测单元和后台微机监控装置等功能模块组成，系统构成原理接线如图1 所示。

图1 高频开关直流操作电源系统构成原理

交流配电单元电路的交流输入由低压室两路市电输入，互为备用，自动投切。为保证任意时段接入的电源唯一，输入部分采用电气联锁控制电路，实现对两路交流市电进线单元的监测和自动切换控制。整流器由4 只额定电流为10 A 的整流模块并联为一组，提供交流变直流输出，即直流动力输出电压（合母电压）。该输岀电源既要根据蓄电池组的状况对其均充和浮充，又要经硅链降压后输岀控制母线电压（控母电压）。

其中，硅链内部串接多个大功率硅整流二极管，利用二极管正向导通压降恒定的特性，通过实时监测直流控母电压，并与设定值比较，根据比较结果控制硅堆的投入数量，从而获得合适的压降，把电压稳定在合适的范围，同时还具有抗电流冲击能力大、安全可靠的优点。

绝缘监测模块用于实时监测控制母线和馈电各支路小母线的绝缘情况。通过RS485 接口与变电站自动化监控后台进行通信。

开关直流操作电源系统供电输岀部分可参考简化图2。当两路交流市电输入电源正常时，通过交流输入单元给各4 个整流模块供电。整流模块将交流电变换为直流电，经保护装置（熔断器或断路器）输出。即提供控制输出（控母电压）和动力输出（合母电压）。一旦岀现两路市电同时故障时，蓄电池组能够自动投入、为直流负荷供电。

图2 高频开关直流操作电源系统供电原理

3 改造关键技术及优势

本次技术改造涉及有：高频整流模块、智能蓄电池组实时检测装置、直流绝缘状况监测装置、直流系统监控等模块。各部分的功能和技术优势如下：

3.1 高频开关整流器模块

高频整流器模块实现了软开关变换和数字控制。系统匹配4 只高频整流模块，采用（3+1）冗余接线方式。各模块供电方式相互独立，当某一个模块出现故障时，其他模块可以正常供电，即可以在不停电的情况下进行故障零件的更换。当蓄电池事故放电后，能对蓄电池自动进行充电。而且能够根据蓄电池组的状态转换充电模式。

对比原旧系统模数混合控制并联输的2 只整流模块，新系统电流电压更稳定，可靠性更高，可大幅减少功率器件的开关损耗，提高转换率，且多项技术指标优于国标值，其技术优势有在于：

开关变换全面采用软开关技术，电压变化率dv/dt 和电流变化率di/dt 减小很多，具有自动稳压、稳流调节功能。高频整流模块并联均流电路原理如图3 所示。

图3 高频整流模块并联均流电路原理

3.2 智能蓄电池组巡检模块

变电站直流屏中蓄电池组是非常重要的组成部分，如果变电站中一旦两路交流市电同时岀现电源故障，就会导致电源不能正常供电，并且直流屏中的充电装置也会马上停止工作，这时候蓄电池就成为整个供电系统的电源[1]。

智能蓄电池组巡检模块有以下功能特点：

单节电池采用差分电路输入和多级电子开关切换，无机械触点，测量速度快，精度高。实时在线检测，无需外接瞬时大电流放电负载，对直流系统无任何影响。采用分布式安装，在靠近蓄电池组安装巡检模块，以减少蓄电池采样接线的长度，提高测量精度。具备温度探头接口，可对蓄电池环境温度或单体电池的表面温度进行实时检测，并据此对蓄电池组进行温度补偿控制。具备RS485 通信接口，通过数据总线与监控装置连接，提供单节蓄电池电压和内阻数据的显示，便于分析和判断。蓄电池组巡检原理如图4 所示。

图4 蓄电池组巡检原理

3.3 直流绝缘状况监测装置和直流监控装置

运行实践证明，直流系统接地的危害不仅使继电保护装置误动、拒动，甚至会造成直流控制的一次设备误动、拒动，严重危及电力系统安全运行，绝缘监测装置采用彩色液晶触摸屏显示，方便人机对话，具有交流窜入检测，直流互窜检测，母线绝缘检测以及支路巡检功能。

直流监控装置是直流系统电源的控制和管理核心，具有“四遥”功能和模块化结构设计思路，采用分散测量和控制、集中管理的集散模式。可对硅堆降压装置、整流器、蓄电池组、母线电压及母线对地绝缘情况，实施全方位监视、测量和智能化控制。直流监控装置的开关量由开关量采集模块采集，模拟量由数字变送仪表检测。功能特点如下：

具有“四遥”功能，分别是遥测（充电机电压、母线电压、输出电流、电池电压、充电电源等）、遥信（交流电源失电、直流电压过高以及过低，绝缘不良、整流器模块故障、电池电压异常等）、遥控（模块的启/停，均浮充切换）、遥调（连续调节充电电压、输出限流、电池充电限流、蓄电池欠压报警值、整流器过欠压报警值等）[2]，并根据系统的设置数据进行报警处理和数据管理功能。

4 结束语

在高压配电室直流屏系统的灾后技术改造过程中，通过对比和分析国际、国内高频开关直流电源方面的前沿技术，将原模数混合控制的直流电源系统升级为全数字化控制的软开关直流电源系统，既安全，又环保，实现了系统的“绿色化”。技术改造后的高频开关直流电源系统的整体性能得到了大的提升。系统运行更加稳定可靠，既安全又环保，大大提升了广播信号安全播出的保障能力。