电力工程直流操作电源系统地原理、设计与设备选择

实用文档
电力工程直流操作电源系统的原理、设计与设备选择
许继电源有限公司
2005 年8 月20
1.直流操作电源的历史与发展
发电厂和变电站中，为控制、信号、保护和自动装置（统称为控制负荷），以及断路器
电磁合闸、直流电动机、交流不停电电源、事故照明（统称为动力负荷）等供电的直流电源
系统，通称为直流操作电源。

1.1直流操作电源的历史
根据构成方式的不同，在发电厂和变电站中应用的有以下几种直流操作电源：
1）电容储能式直流操作电源：是一种用交流厂（站）用电源经隔离整流后，取得直流电为控制负荷供电的电源系统。

正常运行时，它给与保护电源并接的足够大容量的
电容器组充电，使其处于荷电状态；当电站发生事故时，电容器组继续向继电保护装置和断路器跳闸回路供电，保证继电保护装置可靠动作，断路器可靠跳闸。

这是一种简易的直流操作电源，一般只是在规模小、不很重要的电站使用。

2）复式整流式直流操作电源：是一种用交流厂（站）用电源、电压互感器和电流互感
器经整流后，取得直流电为控制负荷供电的电源系统，在其设计上，要在各种故障情况下都能保证继电保护装置可靠动作、断路器可靠跳闸。

这也是一种简易的直流操作电源，一般只是在规模小、不很重要的电站使用。

3）蓄电池组直流操作电源：由蓄电池组和充电装置构成。

正常运行时，由充电装置为控制负荷供电，同时给蓄电池组充电，使其处于满容量荷电状态；当电站发生事故时，由蓄电池组继续向直流控制和动力负荷供电。

这是一种在各种正常和事故情况下都能保证可靠供电的电源系统，广泛应用于各种类型的发电厂和变电站
中。

以上电容储能式和复式整流式直流操作电源系统，在六、七十年代有较多的应用，八十
年代以后，由于小型镉镍碱性蓄电池和阀控式铅酸蓄电池的应用，这种操作电源在发电厂和
变电站中已不再采用。

而蓄电池组直流操作电源系统，其应用历史悠久，且极为广泛。

现代
意义上的直流操作电源系统就是这种由蓄电池组和充电装置构成的直流不停电电源系统，通常简称为直流操作电源系统或直流系统。

1.2直流操作电源的设计技术发展
在1955年以前，国内发电厂和变电站的建设规模较小，其直流操作电源系统大多采用110V、单母线和不带端电池的蓄电池组（以前直流装置得蓄电池分为两组，一组是基本级，
供正常负荷时用，一组为端电池，供事故时调节直流母线电压用的，比如基本电池用得过
多，造成直流母线的电压下降过多时，通过调节装置将端电池投上去，维持直流母线的电
压水平。

现在《DL/T 5044-2004 电力工程直流系统设计技术规程〉中： 4.1直流电源中规
定：4.1.6铅酸蓄电池组不宜设置端电池（没有端电池就是无端电池了）；镉镍碱性蓄电
池组宜减少端电池得个数）。

1956年以后，发电厂和变电站的建设规模增大。

这是引进了
当时苏联的设计技术，在所有新建和扩建的发电厂和变电站中，都采用了220V、带端电池
的蓄电池组，并根据工程规模的大小，采用单母线或双母线接线。

这个时间的设计，是充
分利用了蓄电池的容量和具有较小的电压波动范围，但代价是采用了较复杂的接线。

1984年以后，随着欧美设计技术的引进，以及发电厂和变电站建设规模的不断增大, 在直流操作电源系统的设
计上，又开始普遍采用单母线接线和不带端电池的蓄电池组，对于
控制负荷则推行采用110V电压，而动力负荷则采用220V电压。

这一期间设计的主导思想，
则是以适当加大蓄电池的容量，允许电压有较大的波动范围为代价，达到简化接线、提高可靠性的目的。

六十年代以前，国内设计的发电厂采用主控制室方式。

在容量较小的发电厂中，装设一组蓄电池组构成的直流操作电源系统；在较大容量的发电厂中，则装设由两组蓄电池构成的直流操作系统；其接线采用单母线或双母线，但对于容量较大的发电厂，则广泛采用双母线接线。

七十年代以后，单元制发电厂随着机组容量的增大而普及。

在单元制发电厂中，直流操
作电源系统按单元配置。

七十年代到八十年代初期，一般是一个单元配置一套由一组蓄电池
组构成的控制、动力混合供电的220V操作电源。

从八十年代后期开始，对于300〜600MW
大机组电厂，则每一单元配置两套直流操作电源：一套220V由一组蓄电池组构成，专供动
力负荷；另一套110V由两组蓄电池组构成，专供控制负荷。

同时，在一些辅助车间，如水
泵房、输煤控制楼等处，开始应用由小容量的蓄电池组构成的操作电源系统。

对于220KV及以下电压等级的变电站，一般装设由一组蓄电池组构成的直流操作电源；
对于容量较大和500KV 以上的大型变电站，则装设由两组蓄电池组构成的直流操作电源；
对于220KV的变电站，2002年国家电力公司要求全部装设两组蓄电池组。

这一发展过程表明，随着大机组、超高压工程的发展，人们更加关注的是直流操作电源
的可靠性，并为此提高适当提高电池组的容量和增加数量，普遍采用单母线接线方式，提高了工程造价。

1.3直流操作电源的设备技术发展
在直流操作电源系统中，主要的设备有蓄电池组、充电装置、绝缘监测装置以及控制保
护等设备。

随着制造技术的发展，几十年来也发生了很大的变化。

蓄电池组型式，在七十年代以前发电厂和变电站中应用的都是开启式铅酸蓄电池，使用的容量逐渐增加，单组额定容量达到了1400〜1600Ah。

七十年代以后，开始应用半封闭的
固定防酸式铅酸蓄电池，并逐步得到普遍采用。

到八十年代中期以后，镉镍碱性蓄电池以其
放电倍率高、耐过充和过放的优点，开始在变电站中得到应用，但由于价格较高，一般使用的都是额定容量在
100Ah以内的，限制了其应用的范围。

九十年代发展起来的阀控式铅酸
蓄电池，以其全密封、少维护、不污染环境、可靠性较高、安装方便等一系列的优点，在九十年代中期以后等到普遍的采用。

回顾蓄电池的变化可知，蓄电池在向维护工作量小、无污染、安装方便、可靠性提高的
方向发展。

虽然提高蓄电池的寿命是一重要课题，但在提高寿命方面国内的技术进展不大，
一般的阀控式铅酸蓄电池在5〜10年之间，低的只有3〜5年；目前国外的技术一般可以做
到10〜15年，高的达到18〜20年。

而且，国内市场的恶性竞争环境，使许多蓄电池制造厂不愿在设计寿命上投资，提高制造成本。

需要说明是，蓄电池的使用寿命，在很大程度上要依靠正确的运行和维护。

对于充电装置，在七十年代以前，主要是用电动直流发电机组作充电器；七十年代开始
应用整流装置，并逐渐取代了电动发电机组，得到普遍的应用。

八十年代以前，考虑到经济性和运行的稳定性，对充电和浮充电整流装置采用不同的容
量设计。

1984年以后，对充电和浮充电整流装置开始采用相同的容量设计，使之更有利于
互为备用，并且这种作法被普遍接受。

充电装置的配置方式是：一组蓄电池的直流操作电源
系统配置两组充电装置，两组蓄电池的直流操作电源系统配置三组充电装置。

1995年以后，随着高频开关型整流装置的普及，考虑到整流模块的N+1 (2)冗余配置和较短的修复时间，
大量采用一组蓄电池配置一组充电装置的方式。

(核电的配置方式不一样)
作为充电器的整流装置，多年来在不断的发展改进，七十年代是分立元件控制的晶闸管
整流装置，可靠性和稳定性较差，技术指标偏低。

八十年代发展为集成电路控制的晶闸管整流装置，可靠性和稳定性以及技术指标得到较大的提高，这一时期的晶闸管整流控制技术也日臻成熟，并具备简单的充电、浮充电和均衡充电自动转换控制功能。

进入九十年代以后，随着微机控制技术的普及，集成电路控制型晶闸管整流装置逐渐被微机控制型晶闸管整流装
置取代，使整流装置的稳流和稳压调节精度得到较大的提高，并且自动化水平的提高可以实现电源的“四遥”，为实现无人值班创造了条件。

1996年以后，随着高电压、大功率开关器
件和高频变换控制技术的成熟，高频开关整流装置以其模块化结构、N+1(2)并联冗余配置、
维护简单快捷、技术指标和自动化程度高的优点，得到迅速的推广和普及。

目前，这种高频开关型整流装置已成为市场的主角，未来几年不会有新的整流装置替代。

绝缘监测装置是直流操作电源系统不可缺少的组成部分，用于在线监测直流系统的正负
极对地的绝缘水平。

在八十年代以前，一直是采用苏联技术设计的、以电桥切换原理构成的绝缘检查装置，用继电器、电压表和切换开关构成，具有发现接地故障、测量直流正负极对地绝缘电阻和确定接地极的功能。

八十年代，在此原理技术上，国内制造了用集成电路构成的绝缘监测装置，并把母线电压监视功能与之合并在一起，提高了装置的灵敏度和易操作性。

上述的绝缘监测装置，在直流系统发生接地故障时，只能确定哪一极接地，而不能确定哪一条供电支路接地，在运行维护中查找接地点非常麻烦，并且存在监测死区。

针对这种情况，国内在九十年代以后，采用微机控制技术，开发制造了具有支路巡检功能的绝缘监测装置。

其不但能够准确的测量直流系统正负极的接地电阻，同时还可以确定接地支路的位置。

当前这种具有支路巡检功能绝缘监测装置得到普遍的应用，技术的发展围绕支路巡检功能展开，早期全部采用低频叠加原理，目前以直流漏电流原理为主，两种原理各有优缺点。

蓄电池组、充电装置和直流馈电回路，多年来一直用熔断器作短路保护，用隔离开关作
回路操作，直到现在仍在普遍使用。

进入九十年代以来，随着技术的发展，这些老式的保护
和操作设备逐渐被具有高分断能力和防护等级的新型设备替代。

到1996年以后，开始用带
热磁脱扣器的直流自动空气开关，兼作保护和操作设备，为直流屏的小型化设计创造了条件。

目前，这种直流专用空气开关在直流系统中已普遍的应用，并开发出具有三段式选择性保护功能的直流空气开关产品。

2・咼频开关直流操作电源系统的构成和原理
2.1直流系统的构成
高频开关直流操作电源系统是由交流配电单元、高频开关整流模块、蓄电池组、硅堆降压单元、电池巡检装置、绝缘监测装置、充电监控单元、配电监控单元和集中监控模块等部分组成。

其系统原理接线图如图2-1所示。

无源触点一至电站监控系统*）系统不设置硅降压装置时，动力母线和控制母线合并。

图2-1高频开关直流操作电源系统原理接线图
2.2直流系统的工作原理
1）交流正常工作状态：
系统的交流输入正常供电时，通过交流配电单元给各个整流模块供电。

高频整流模块
将交流电变换为直流电，经保护电器（熔断器或断路器）输出，一面给蓄电池组充电，一面
经直流配电馈电单元给直流负载提供正常工作电源。

硅堆降压单元：根据蓄电池组输出电压的变化自动调节串入降压硅堆（串连二极管）的数量，使直流控制母线的电压稳定在规定的范围内。

当提高蓄电池组的容量，减少单体串连的个数时，可以取消硅堆降压单元，达到简化系统接线、提高可靠性的目的。

绝缘监测装置：实时在线监测直流母线的正负极对地的绝缘水平，当接地电阻下降到设定的告警电阻值时，发出接地告警信号。

对于带支路巡检功能的绝缘监测装置，还可以确定接地故障点是发生在哪一条馈电回路中。

电池巡检装置：实时在线监测蓄电池组的单体电压，当单体电池的电压超过设定的告警电压值时，发出单体电压异常信号。

该装置为电站的运行维护人员随时了解蓄电池组的运行状况提供了方便，但对于每个用户来说并不是必需的。

充电监控单元：接受集中监控模块的控制指令，调节整流模块的输出电压实现对蓄电
池组的恒压限流充电和均浮充自动转换，同时上传整流模块的故障信号。

当集中监控模块
交
流
配
电
单
■
■
-
硅
堆
降
压
配电监控充电监控“电池巡检
1 RS485"RS485J RS4&5
:动力输岀
V*
控
制
母
线
动
力
母
线
绝缘监测
1ms
交流输入整流模块
整流模块
整流模块
u i
故障退去的情况下，该模块仍能按预先设定的浮充电压值继续对蓄电池组充电。

配电监控单元：采集系统中交流配电、整流装置、蓄电池组、直流母线和馈电回路的
电压、电流运行参数，以及状态和告警接点信号，上传到集中监控模块进行运行参数显示和信号处理。

集中监控模块：采用集散方式对系统进行监测和控制。

整流模块、蓄电池组、交直流
配电单元的运行参数分别由充电监控电路和配电监控电路采集处理，然后通过RS485通信口把处理后的信息上传给监控模块，由监控模块统一处理后显示在液晶屏幕上。

同时监控
模块可通过人机对话操作方式对系统进行运行参数的设置和运行状态的控制，还可以通过
RS485或RS232通信口接入电站监控系统，实现对电源系统的远程监控。

另外，监控模块
通过对采集数据的分析和判断，能自动完成对蓄电池组充电的均浮充转换和温度补偿控制，
以保证电池的正常充电，最大限度地延长电池的使用寿命。

2）交流失电工作状态：
系统交流输入故障停电时，整流模块停止工作，由蓄电池不间断地给直流负载供电。

监控模块时实监测蓄电池的放电电压和电流，当蓄电池放电到设置的终止电压时，监控模
块告警。

同时监控模块时刻显示、处理配电监控电路上传的数据。

3）系统工作能量流向：
系统工作时的能量流向如图2-2所示。

交流输入整流模块
_________ I交流正常供电时
交流故障停电时
图2-2系统工作能量流向图
2.3整流模块的工作原理
高频开关整流模块的原理框图如图2-3所示：
图2-3整流模块原理框图
2.3.1 主回路电路
高频开关整流模块的主回路电路包括EMI滤波、全桥整流、无源PFC、高频逆变、隔离变压器、高频整流和LC滤波，各部分的主要功能如下:
1）输入EMI滤波：滤除交流电网中其他设备产生的尖峰电压干扰分量，给模块提供干净的交流输入电源；
阻断整流模块产生的高频干扰反向传输污染电网。

2）交流全桥整流：利用三相整流桥直接将交流输入电压变换为脉动直流电。

3）无源PFC校正：采用无源的LC器件，将全桥整流所得的300Hz脉动直流电转换成平滑的直流电，在串连电抗器的电感量足够大的情况下，能起到很好的无源功
率因数校正的作用，使交流输入功率因数接近0.95。

4）高频逆变：采用MOSFET或IGBT开关器件，将输入直流电变换为脉冲宽度可调的高频交流脉冲波。

5）高频变压器：将高频交流脉冲波隔离、耦合输出，实现交流输入与直流输出的电气隔离和功率传输。

由于采用了高频交流脉冲传输技术，因此变压器的体积较小、重量较轻。

6）输出高频整流：采用快恢复二极管，将高频交流脉冲波变换为高频脉动直流电。

7）输出LC滤波：采用无源的LC器件，将整流所得的高频脉动直流电转换成平滑的直流电输出。

2.3.2 反馈调节电路
高频开关整流模块中的反馈调节电路采用直流输出电压和电流反馈的PID调节，达到
高精度的稳压和稳流输出目的。

其控制调节过程如下：
高频逆变采用全桥串联谐振软开关技术，其控制方式为“逐周波峰值电流检测模式”
直流输出的电压、电流反馈信号与给定的电压、电流值进行PID运算、调节，输出误差放
大信号，该信号与PWM控制芯片产生的振荡三角波进行比较，实现驱动高频逆变电路开
关管导通的控制脉冲的宽度可调，达到稳定输出电压、电流的目的。

2.3.3 脉宽调制（PWM ）控制
PWM （Pulse Width Modulation ）控制是高频开关电源普遍采用一种技术，由控制电路产生的控制脉冲驱动高频逆变电路中的开关管周期导通，将直流电变换成宽度可调的高频方波，再经整流平滑为直流电输出。

控制开关功率器件的开关频率恒定不变，通过调节每个周期内驱动开关器件导通的控制脉冲的有效宽度，达到调节直流输出电压、电流的目的。

其波形变换过程如图2-4所示。

在PWM变换技术中：Uo = D * Ui,Uo
T
直流输出
D = Ton / Ts
=Ton / （ Ton + Toff ）
D ：占空比；Ts ：开关管工作周期； Ton :开关管导通时间； Toff :开关管关断时间。

2.3.4 软开关技术
对于高频整流模块，发展方向为高功率密度、高效率、小体积、高可靠性，同时要有
很好的 EMC 措施。

这就要求整流模块要工作在很高的频率，同时减小开关状态时的损耗 和开关噪声。

因此软开关技术成了高频整流模块领域所研究的主要方向之一。

我们所用的半导体开关功率器件，并不是理想的开关器件。

在开关的过程中，半导体 开关器件会呈现变阻抗的特性，同时开通和关断状态的转化时是有持续的时间存在（如图
2-5中的硬开关模式波形） 。

因此开关器件在状态转化时， 存在着电压和电流的重叠区，
即开关损耗；同时存在电压和电流的振荡过程，产生大量的
EMI 噪声。

软开关技术所采用的方
法一般是在半导体开关
器件的两端通过辅助串
联谐振或并联
谐振回路使半导体开关器件在开关状态转换前，电压或电流谐振到零，再进行开关的转换 过程。

从而实现半导体开关器件在开关转换过程中，没有电压或电流的振荡过程，几乎没 有电压和电流的有效重叠（如图
2-5中的软开关模式波形） ，很大程度上减少了开关损耗和
EMI 噪声。

典型的软开关技术有零电压开关技术 ZVS （ Zero Voltage Switching :在开关管承受电
压为零时控制开关管导通）和零电流开关技术 ZCS （ Zero Current Switching
:在流过开关管
的电流为零时控制开关管关断） 。

许继电源公司生产的 ZZG10系列整流模块采用是这两种
技术的结合。

V 硯开关模式
I
硬开关加吸V
收网络模式|
开关损耗P
硬开关模式： 通态损耗小
固定频率控制
开关损耗大
EMI 噪声大
软开关模式：
通态损耗小 固定频率控制
开关损耗小 EMI 噪声小
图2-6软开关模式与硬开关模式的比较
2.3.5 并机均流技术
采用“低压差无主自动均流技术”
其中:
软开关模式
，实现多模块并机的输出电流自动平均分担。

其工作
a
原理是每个模块内部都有输出电流采样电路，该电路以相同的比例放大倍数，将输出电流
的采样信号转化为成比例的采样电压。

多模块并机时，各模块的输出电流采样电压通过并 机均流总线 CS 连接在一起，进行比较后取并联模块的最大的采样电压作为并机均流总线
的基准电压 Vbus 。

基准电压 Vbus 所对应的模块自然就是最大输出电流模块，我们称之为 主模块，其他模块为从模块。

每个模块（包括主模块和从模块）将自己的电流采样电压与 基准电压 Vbus 比较，产生的误差放大信号调节其脉冲宽度改变模块的输出电压，
使每个模
块的输出电流采样电压趋向于相等，从而达到均流输出的目的。

这种均流技术的优点体现在两个方面：第一、均流不平衡度小，不超过土
3%。

第二、
主模块是通过比较任意产生的，当主模块由于某种原因退出工作后，系统将自动选择一个 输出电流最大的模块作为主模块，并自动重新调整输出电流，达到新的平衡。

这样可以避 免当主模块出现故障时造成系统崩溃。

CSCMfe ）
图2-6整流模块并机均流原理框图
2.3.6 软启动技术
软启动技术是为了限制电路中出现过大的电压
/电流冲击造成模块内部元器件的损坏
或对其它受电设备造成不良的影响，而采取的一种限制模块内电压变化率和电流变化率的 技术。

在高频开关整流模块中，常见的软启动有输入软启动和输出软启动之分。

1） 输入软启动：在高频开关整流模块的输入整流滤波电路中， 含有大容量的滤波电容， 上电
启动时会产生很大的冲击电流，容易造成输入部件（主要是输入整流桥）的损 坏和严重的电网干扰。

为避免这些问题的发生，可采取在主回路的滤波电容前串入
一个和继电器触点并联的限流电阻电路，在上电的初始阶段继电器触点断开
，经过
限流电阻给滤波电容充电直至接近到满电压值后，再控制继电器触点闭合，把限流 电阻短接旁路，完成启动输入主回路过程。

2） 输出软启动：整流模块在上电初期由于反馈电压还没有建立起来时，
PID 调节环为
开环状态，如果不采取措施，输出的控制信号为最大值，输出的有效脉宽为 100%。

此时输入侧的浪涌电流很大，同时在输出侧产生很高的冲击电压。

解决的方法是在 控制电路中，加入软启电路，软启电路的输出信号与反馈信号“线与”后作为产生
PWM 脉冲的控制信号（低电压信号起控制作用） 。

模块上电开机后，软启控制信号
从零开始按一定的斜率上升，而反馈控制信号则从开机时的开环最大值，逐渐随电 压反馈信号的上升而下降。

在模块启动的开始阶段，软启控制信号先起作用，使输
出的PWM 驱动脉冲的脉宽从零缓慢展开，输出电压缓慢升高，电压反馈信号也缓 慢升高，而反馈控制信号缓慢下降；当反馈控制信号低于软启控制信号后，软启过 程完成，反馈控制信号起作用，进入正常的闭
V BUS
|~ --- -------------- T~ qZ2C1^(13) p --------------------------------- ~r ~|ZZCl2(13) | -------------------- --- -----------
I J |
均流调节
Ml
____ XT+ ____ XT-
-|ZZG12(13)。