变电站并联直流电源替代电力UPS电源系统

　　摘要：提出一种采用并联直流电源替代电力UPS电源系统的方案，分析阐述UPS负荷——监控服务器内部开关电源工作原理及采用直流240V供电的可行性，进一步分析并联直流电源内部模块原理和应用优势，在理论分析基础上搭建了并联电池系统试验平台，对比直流240V和交流220V电源供电的各项指标，实验结果表明，并联直流电源替代UPS电源是可行的。
　　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.
　　關键词：电力UPS电源；开关电源；并联直流电源
　　Key words： UPS for electric power；parallel DC power supply system；switching power supply
　　中图分类号：M910.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）14-0131-03

0 引言

　　为提高变电站供电系统的可靠性，变电站配电系统中都设有电力UPS电源，它的作用是在交流工作电源失电后，继续为监控服务器等设备不间断供电。而与直流电源相比，UPS电源存在着一些不足：①UPS电源在电路结构上多出一个逆变环节，逆变电路结构比整流器复杂得多。并且UPS电源总成本是同等容量直流电源的数倍，而其可靠性并没有提高[1]。②当UPS电源交流输入侧失电后，其内部逆变单元的直流输入由蓄电池提供。但如果电池和逆变器同时损坏，UPS电源就会失效，不再给负荷供电。同时由于逆变器输出电压在幅值、相位、频率等方面存在差异，因此逆变器输出端不能与其它电源并联[2]。③传统UPS配置的串联结构蓄电池组存在“单体电池故障影响整组输出问题”、“串联蓄电池组要求单体电池电参数一致性很高，会导致部分电池损坏整组退役问题”、“串联蓄电池组难以实施在线全容量核容问题”，这些问题同样使UPS负荷处于不安全状态[3]。
　　由此，依据UPS负荷——监控服务器内部开关电源工作原理，提出使用并联直流电源替代UPS电源系统的方案，在理论上分析开关电源采用直流240V供电的可行性，搭建了试验平台，测试比较并联直流240V电源与交流220V供电的各项指标，验证并联直流电源替代UPS电源的可行性。

1 并联直流电源替代电力UPS电源

　　变电站电力UPS电源所带负载包括监控主机、综合应用服务器、辅助控制主机、时间同步系统、火灾报警控制器设备等[4]。这些设备的电源输入均内置开关型稳压电源。它的优点是效率高、能耗低、体积小、重量轻。随着微电子技术的发展，现在大多数电气设备内部电源均采用开关电源。
　　1.1 开关电源工作原理
　　开关电源电路结构通常包括EMI滤波、整流桥、PFC、DC/DC变换等。交流220V输入电压经过EMI滤波电路和整流桥整流后的电压为220=311V，再经过PFC电路将直流电压升压到400V左右，最后经DC/DC变换电路转换为12V、5V和3.3V电压[5]。本文主要探讨直流240V与交流220V的供电区别，而直流和交流输入对DC/DC部分电路的情况是相同的，所以只需要关注PFC及其之前的电路部分，电路结构如图1所示。
　　1.2 开关电源采用直流240V供电
　　开关电源具有宽范围电压输入特征，可以达到-50%、+20%以上，即110～264VAC。若开关电源采用直流240V供电，理论上可以从以下几点分析其可行性。
　　①整流管承受的反向电压更小。如图1所示，在交流电的正半周，输入电流流经整流桥的D1和D3，而二极管D2和D4承受反向电压，反向电压的最大值即等于交流电压的峰值220=311V；在交流电的负半周时，同理，D1和D3承受311V的反向电压。而采用直流240V供电，经过EMI滤波器、整流，整流二极管承受的反向电压即等于直流输入电压240V，并且二极管电流平均值等于输入电流平均值。
　　②PFC二极管流过的峰值电流更小。比较交流和直流输入时，二极管流过的电流差异。在PFC电路中，开关管S1关断时，电感电流L1流过二极管D5，而输入电流经过整流桥整流后即等于电感L1的电流。根据

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