直流系统中高频开关电源与相控电源的比较

摘要：从工作原理、技术性能、供电可靠性、对蓄电池寿命的影响及效益等五方面对高频开关电源系统和晶闸管相控电源系统进行了比较，使读者对高频开关电源系统有进一步的认识和了解。

关键词：高频开关电源；晶闸管相控电源；性能比较

1    引言

    众所周知，用于变电站和发电厂的直流电源系统，作为断路器合闸电源、继电器保护装置电源和操作电源，要求其可靠性高，性能稳定。随着科学技术的飞速发展，对供电质量的要求越来越高，为保证电网的安全、可靠、经济运行，实现电力系统的自动化，对直流电源系统提出了更高的要求。为了更好地选用和用好电力系统中的直流操作电源系统，现将晶闸管相控电源直流系统与高频开关电源直流系统作一比较。

2    工作原理比较

    相控电源是指采用晶闸管作为整流器件的电源系统，其原理是交流输入电压经工频变压器降压，然后采用晶闸管进行整流。并通过移相控制以保持输出电压的稳定。

    高频开关电源先将输入的工频交流电经整流滤波后得到直流电压，再通过功率变换器变换成高频脉冲电压，经高频变压器和整流滤波电路最后转换为稳定的直流输出电压。因其采用脉冲宽度调制（PWM）电路来控制大功率开关器件（功率晶体管、MOS管、IGBT等）的导通和截止时间，故可以得到很高的稳压和稳流精度及很短的动态响应时间。高频开关电源内部还应用了软开关技术和无源功率因数校正（PFC）技术，所以开机浪涌基本消除，功率因数大幅提高，是晶闸管、磁饱和类直流电源系统的更新换代产品。

3    技术性能比较

    高频开关电源直流系统与晶闸管直流系统的技术性能对照如表1所列。

表1    两种电源系统的技术性能对照表

4    供电可靠性比较

    1）晶闸管相控电源采用硅堆调压，响应速度慢，反应时间为几十ms，输入电压突变时在输出端会产生冲击，容易烧坏二次设备。高频开关电源直流系统采用无级调压方式，响应速度快，输入电压突变时，模块在200μs内调整完成，过冲小于5％。

    2）晶闸管相控电源采用硅堆调压，一般6～10V为一级降压，因而输出最少有3～5V的误差。而高频开关电源直流系统采用无级调压方式，输出电压稳定，输出精度高；降压范围大，输入电压可到320V，可降压100V；当输入电压低到180V仍能够输出稳定的220V。

    3）晶闸管相控充电装置发生故障时，必须将整台充电装置退出运行，然后进行维护和检修，降低了系统的可靠性。高频开关电源直流系统由于采用模块化结构和N＋1备份方式，使系统的可靠性得到大大提高，并为系统扩容提供了极大方便。当运行的电源系统中某一整流模块出现故障时，该模块自动退出，其它模块继续均衡工作，对系统供电不产生影响，且模块可以带电插拔。当用户需要扩展电源系统容量时，只需增加整流模块即可以实现。

    4）高频开关电源直流系统能够满足更多变化的系统运行方式，彻底解决了人们长期以来对直流系统的种种顾虑。

5    对蓄电池寿命影响的比较

    发电厂和变电站的直流系统目前主要使用的是镍镉蓄电池或免维护铅酸蓄电池，这2种蓄电池对充电设备的要求较高。高频开关电源直流系统对蓄电池寿命的影响比晶闸管直流电源系统要小，这是因为晶闸管直流电源系统输出纹波大，输出电压含有的交流成分较大，影响了蓄电池的使用寿命，而高频开关电源由于输出纹波小、输出稳定，再加智能化管理能延长电池的使用寿命。

6    效益比较

    高频开关电源的设备容量和运行成本比相控电源要低得多。

    如果直流电源系统的负载功率为P，若采用相控电源，其功率因数为0.7，效率为70％，则需输入功率为

    P_λ1=P₀/(0.7×0.7)=2.041P

    若采用高频开关电源功率因数为0.92，效率为94％，则需输入功率为

    P_λ2=P₀/(0.92×0.94)=1.156P

    显然，采用高频开关电源比相控电源节省了电力增容投资。

    对于负载为50A的220V直流电源系统来说，负载功率P=220V×50A=11kW。电价按0.5元/kW·h计算，不考虑无功损耗，则采用高频开关电源相对于相控电源而言，每年节省的电费为0.5×11×8760(1/0.7－1/0.94)=17573.3元

    另外，智能化的特点也能节省很多维护费用，所以，高频开关电源的经济效益是显而易见的。

7    结语

    高频开关电源直流系统的技术性能、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。高频开关电源直流系统的广泛应用，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。