通信用高效交直一体化模块电源研究

周中良

摘 要：变电站站用电包括交流系统、直流系统、UPS不间断电源系统、通信电源系统等，针对目前基站供电系统特点，量身设计了一种标准1U高度、19英寸机架式的高效率高功率密度的交直流电源系统，可同时输出交流220V及直流48V。

关键词：交直一体化;高效率;功率密度

电力通信网在电力生产、经营、管理中的支撑保障作用日益凸显，通信设备故障导致业务中断所造成的后果日益严重。而通信设备的安全稳定运行与通信电源供电的稳定、可靠、持续有密切的关系。

一、一体化电源系统监控范围

一体化电源系统利用通信方式对各子系统进行数据分散采集和集中管理，可在自动化监控后台或集控中心对本站各电源子系统实现远方监控。一体化电源系统中除交流电源子系统进线开关和联络开关采用框架式开关外，其它开关均为塑壳开关、微型空开和隔离开关，不具有电气操作机构。如果要实现远控，就需要给这些馈线开关或隔离开关加装外部辅助机械装置以及微型马达来实现;这样无疑会大幅增加整个系统的复杂性和投资费用，馈线柜的数量也会增加许多，实际工程应用案例极少。另外各电源子系统全部双套配置，重要负荷双回路供电，一旦发生站用电源馈线跳闸事故，一般需要检修维护人到现场查明故障原因，才能进一步恢复供电。

二、一体化DC/DC电源与专用通信电源设备性能比较

1.供电方式比较。目前，某供电公司通信设备供电电源具有两种方式：一是采用专用通信电源供电，为AC/DC整流方式，配备一定容量的蓄电池作后备电源，两者相互独立，其中任何一路失效都不影响通信系统的运行。二是无专用通信电源，通信设备依靠变电站一体化电源系统的DC/DC变换设备变换得到-48V直流来供电。变电站操作电源与专用通信电源均采用脉宽调制（PWM）式高频开关电源，其AC/DC电源模块输入交流市电经整流—滤波—方波振荡—高频变压—高频整流—滤波—取样—反馈控制，输出DC220V或DC-48V。专用通信电源与变电站操作电源的可靠性同等。一体化DC/DC电源供电方式的可靠性等于操作电源可靠性（<1）乘以DC/DC装置的可靠性（<1），自然就低于AC/DC专用通信电源的可靠性。

2.安全性能比较。专用通信电源供电方式下，其输出端并接的蓄电池，不但在高频开关电源故障时能无缝继续给通信设备供电，还相当于一个大电容，能抑制反向电平，还能滤除各种尖脉冲。当负载短路时，蓄电池放电可为故障回路提供短路瞬时保护动作电流，迅速跳开该分路负载空气开关，整个短路过程，其它支路负载运行不受影响，保证专用通信电源母线不失压。一体化DC/DC电源供电方式下，当负载之路出现短路或持续过载故障时，分路负载无法从蓄电池组直接获得放电电流，分路负载开关存在无法切断故障支路的风险，DC/DC变换器的限流作用会使-48V母线电压出现跌落，导致所有通信设备失电。

3.蓄电池备用时间比较。在站用交直流一体化电源系统中，自动装置、继电保护装置、通信负荷在正常情况下，全都经操作电源充电装置来提供，蓄电池处于备用状态。若全部站用交流失电时，蓄电池就会被事故照明、继电保护、通信、自动装置、调度数据网、监控等所有的交直流负荷一起分享。《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》规定：通信电源蓄电池组供电后备时间应不小于4小时。采用通信专用电源时，220kV变电站一般配置500AH蓄电池2组，110kV变电站一般配置300AH蓄电池1组。变电站采用独立的操作电源时，220kV变电站一般配置400AH蓄电池2组，110kV变电站一般配置200AH蓄电池1组。采用站用交直流一体化电源时，220kV一律配置500AH蓄电池2组，110KV变电站一律配置300AH蓄电池1组。相当于采用交直流一体化电源后，增加通信和调度数据网负荷后，变电站蓄电池的容量仅增加了100AH，因此，有的核心的110kV、220kV通信站点的交直流一体化电源系统的蓄电池是无法满足交流电源中断情况下持续供电时间应不少于4小时的规程要求的。

三、通信用高效交直一体化模块电源研究

1.交直一体化电源系统设计原理。当市电正常时市电通过整流模块对直流负荷供电，并对蓄电池进行充电，ATS切换至市电供电，由市电给交流负荷供电;当市电出现异常时，ATS切換至电池逆变供电模式，切换时间≦10ms，电池经过下电保护装置给直流负荷供电。监控器监测市电电压、电池电压、负载、环境温度、充电电流等，通过RS232及干接点通讯接口，将监测数据上传上位机，以方便对系统进行监控。

电源模块的DC/AC部分采用软开关设计，效率极高，3KVA的变换器30%负载时逆变效率就达到90%;100%负载时逆变效率达到92%以上。电源模块的AC/DC部分采用两级设计，前级PFC、后级ZVS全桥，因此输入功率因数达到0.99，满载效率达到91%以上。

2.DC/AC部分原理分析。构成DC/AC部分的前级推挽正激DC/DC变换器、吸收回路以及DC/AC逆变桥级，开始工作时，不稳定电压Ui被前级推挽正激DC/DC变换器转变成高频脉冲直流电压Udo ，被后级DC/AC逆变桥接收电压，先经过Sr和Cr组成的吸收回路，最后再由DC/AC逆变桥，变压被被转化成所需要的高频正弦波电压uo。这种设计方式的有点在于：

（1）由于功率管关断时，其导致的漏源尖峰电压被储能箝位在2Ui，因此不需要在专门设置缓冲电路，让变换有效率有了很大程度提升。（2）由于功率开关需要承受的输入电流是平均值的一半，降低了功率管的电流负荷，还能够降低输入电流I in所产生的脉冲量，从而降低了滤波器的体积和质量，让系统更加容易安装和使用。（3）高频电压器的磁心使用了双向对称磁化的方式，相比其他系统对磁心的利用率更高，因此变压器的功率密度也很大。（4）开关管S1～S4是在u do为零电压脉冲时候导通PWM脉冲序列，实现SPWM的ZVS零电压开通，确保功率开关管的低损耗。输入电流和输入电压都比较大时，推挽正激式高频环节

逆变器都可以可承受，同时在后级逆变桥实现了零电压开关，改变DC/DC工作频率可以直接调整后级SPWM频率，设置适当开关频率可降低逆变桥功率管开关损耗，提高了逆变效率。

3.DC/AC部分控制策略。逆变器采用双环控制技术来提升系统电气性能，外环采用电压有效值控制，内环采用电感电流瞬时值闭环控制，控制输出电流的稳定性，使逆变器能适应各种不同特性的负载，包括容性、感性、整流非线性负载，对电机负载也是非常适用的。控制系统采用传统经典控制原理，力求系统稳定可靠，AC/DC系统由MCU为控制核心，电路以下几个部分组成：EMI滤波整流电路、PFC boost电路、ZVS全桥DC/DC电路，PFC控制芯片采用UC3818，DC/DC部分使用芯片为ISL6752产生移相PWM波。UCC3818A基于BiCMOS工艺，采用平均电流模式的升压控制器，该控制器使用在功率因数较高的高效率电源。ISL6752控制器具有很高的性能，是一种少引脚ZVS全桥PWM控制器，它获得的ZVS工作是通过驱动上边桥MOSFET在一个固定的50%占空比，下边桥MOSFET在跟随沿被谐振开关延迟调制的方法。相比于移相控制法，该方法的效率相同，但是使用简单的少引脚封装IC。对ZVS全桥结构进行的关键操作之一就是基于谐振时间要求来设置打开下MOSFET管的延时，这个操作可以通过调节该IC上的RESDEL管脚上的电压来实现。

参考文献：

[1]袁媛.智能变电站交直流一体化电源系统分析[J].科技与企业，2017（9）：21-23.

[2]吴军.智能变电站的体系结构及原理研究[J].华中电力，2017，24（3）：1-4.