1 引言
在我國高頻開關(guān)電源模塊作為一種主要的直流電源，被廣泛地使用在電力、通訊、鐵路、化工等行業(yè)，為了節(jié)約成本，提高開關(guān)電源模塊的效率就成了一種普遍而迫切的需求。各模塊生產(chǎn)廠家也投入大量資金用于研發(fā)新的電源模塊，極力提高模塊轉(zhuǎn)化效率和降低電源模塊的自身損耗。而出于安全性和可靠性的考慮，模塊的用戶通常采用電源模塊冗余配置，并且預(yù)留蓄電池的容量在正常工作狀態(tài)下并不使用。這就使開關(guān)電源模塊長期處于低負(fù)載率工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)換效率很低，造成資源的浪費(fèi)。
2 節(jié)能技術(shù)研發(fā)背景
2.1 電力工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，它一刻不停地向社會提供清潔、高效的能源。隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)力的不斷提高，電力以及和電力相關(guān)的運(yùn)營成本所占的比重正大幅增長。為了提高效率、減少損失、降低運(yùn)營成本，供電企業(yè)和用戶對電力系統(tǒng)運(yùn)行管理的要求也越來越高。在國際能源與氣候議題持續(xù)進(jìn)行下，各國大力推動智能電網(wǎng)建設(shè)，期望能透過實(shí)時(shí)控制及需求端管理，來促進(jìn)電力資源最佳化配置與運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)。節(jié)能降耗已成為我們的工作重點(diǎn)及專門研究課題。
2.2 在電力行業(yè)，無論在發(fā)電廠還是變電站等所有的直流電源系統(tǒng)中，通常高頻開關(guān)電源設(shè)備在采購過程中，都會考慮系統(tǒng)整流模塊N+1備份及后期擴(kuò)容等需求，往往開關(guān)電源的容量選型大于當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備實(shí)際負(fù)載，沒有對冗余開關(guān)電源模塊進(jìn)行識別、休眠軟關(guān)斷和智能控制功能，結(jié)果導(dǎo)致電源實(shí)際工作負(fù)載率較低，造成能耗的浪費(fèi)。
3 高頻開關(guān)電源模塊的節(jié)能分析
高頻開關(guān)電源模塊轉(zhuǎn)換損耗主要包括輸出功耗、帶載損耗和空載損耗。輸出功耗是根據(jù)負(fù)載電流大小決定的，無法降低能耗。帶載損耗主要決定因素是模塊的轉(zhuǎn)換效率，轉(zhuǎn)換效率越高則帶載損耗越少?？蛰d損耗則是模塊內(nèi)部各器件的正常工作損耗。
高頻開關(guān)電源模塊的效率特性，是在一定區(qū)間內(nèi)效率隨負(fù)載電流的增加而增加，系統(tǒng)的最佳效率區(qū)間一般是負(fù)載率在40%—80%之間。所以，我們可以通過調(diào)整負(fù)載率來提高模塊效率，從而降低帶載損耗。空載損耗則可以通過采集實(shí)際負(fù)載大小，計(jì)算需要的模塊數(shù)，關(guān)閉適當(dāng)?shù)哪K來降低。根據(jù)以上所述，模塊休眠技術(shù)可以在不增加成本的情況下有效地提高轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
4 高頻開關(guān)電源模塊的休眠技術(shù)
模塊休眠技術(shù)是一種基于軟件實(shí)現(xiàn)的。通過采集實(shí)際負(fù)載大小，計(jì)算負(fù)載率和實(shí)際需要開啟模塊數(shù)量，由監(jiān)控下發(fā)指令，控制模塊定時(shí)開啟和關(guān)閉，把負(fù)載率調(diào)整到40%—80%之間，從而實(shí)現(xiàn)提高模塊轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)。由于模塊總是處于一段時(shí)間工作和一段時(shí)間休息的狀態(tài)，也可以延長模塊的使用壽命。而且由于各模塊的工作和休息時(shí)間平均，這樣可以實(shí)現(xiàn)模塊的同步老化，從而延長整個(gè)直流電源系統(tǒng)的使用壽命。
4.1 模塊休眠技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)過程
（1）通過AD轉(zhuǎn)換采集電池組電流，判斷電池充電狀態(tài)為浮充。
（2）通過AD轉(zhuǎn)換采集開關(guān)電源模塊實(shí)際輸出電流，通過設(shè)置得到系統(tǒng)開關(guān)電源模塊理論最大輸出電流，計(jì)算得出電源系統(tǒng)當(dāng)前負(fù)載率。
（3）調(diào)整模塊數(shù)量，使負(fù)載率調(diào)整到40%—80%之間，計(jì)算當(dāng)前所需開啟模塊數(shù)量，延時(shí)一段時(shí)間后進(jìn)入輪休狀態(tài)。
（4）監(jiān)控下發(fā)指令控制模塊開關(guān)，調(diào)整模塊開啟數(shù)量為上一步計(jì)算得到的值，并開啟延時(shí)。
（5）延時(shí)時(shí)間到，開啟一臺新模塊，然后關(guān)閉一臺原有模塊，并開啟新的延時(shí)。重復(fù)執(zhí)行步驟5，實(shí)現(xiàn)輪休。
（6）實(shí)時(shí)計(jì)算負(fù)載率，如果超出40%—80%區(qū)間，則重新計(jì)算需開啟的模塊數(shù)量，然后在新的模塊數(shù)量的條件下，繼續(xù)以上（4）步和（5）步工作，實(shí)現(xiàn)輪休。
軟件實(shí)現(xiàn)過程流程圖如圖1所示。
圖1 軟件實(shí)現(xiàn)輪休過程流程圖
4.2 高頻開關(guān)電源模塊的休眠技術(shù)實(shí)現(xiàn)原則
為了在提高模塊轉(zhuǎn)換效率和節(jié)約能源的同時(shí)，保證整個(gè)直流電源系統(tǒng)的可靠性和安全性，在休眠技術(shù)中還應(yīng)該加入以下原則。
（1）先開后關(guān)原則。即在輪休狀態(tài)下要關(guān)閉1臺本來開啟的模塊前，必須先開啟1臺本來關(guān)閉的模塊。并通過單獨(dú)采集新開啟模塊的電壓，來判斷該模塊確實(shí)開啟后，才能關(guān)閉原有模塊。
（2）模塊故障跳出原則。發(fā)現(xiàn)模塊上傳故障，或判斷模塊通訊故障，都要立即結(jié)束輪休狀態(tài)恢復(fù)模塊浮充狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)故障解除則重新倒計(jì)時(shí)進(jìn)入新的輪休狀態(tài)。
（3）最少模塊數(shù)原則。不論何時(shí)都要保證處于開啟狀態(tài)的模塊數(shù)不少于2臺。
（4）充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換原則。輪休只有在浮充狀態(tài)下才進(jìn)行。當(dāng)充電狀態(tài)從浮充轉(zhuǎn)為均充時(shí)，立即跳出輪休狀態(tài)。當(dāng)充電狀態(tài)重新轉(zhuǎn)為浮充狀態(tài)后，重新倒計(jì)時(shí)進(jìn)入新的輪休狀態(tài)。
（5）交流異常保護(hù)原則。實(shí)時(shí)監(jiān)測交流供電狀況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)交流出現(xiàn)超限、缺相等異常狀態(tài)時(shí)，立即跳出輪休狀態(tài)。當(dāng)檢測交流電恢復(fù)正常，重新倒計(jì)時(shí)進(jìn)入新的輪休狀態(tài)。
隨著網(wǎng)絡(luò)智能化的日益普及，電源的智能化已經(jīng)成為必然的發(fā)展方向。智能化的電源不但可診斷自身的各種故障，而且可根據(jù)不同的應(yīng)用場合，自動調(diào)整、設(shè)定相應(yīng)的運(yùn)行模式，以滿足不同的需求。九洲電氣的JZE-MC-V系列智能監(jiān)控系統(tǒng)就是一種智能化管理的監(jiān)控系統(tǒng)。管理人員可以通過參數(shù)設(shè)置，設(shè)置電源模塊的工作狀態(tài)、充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件、輪休狀態(tài)、輪休延時(shí)時(shí)間等，真正的實(shí)現(xiàn)電源的智能化管理。既增加了系統(tǒng)的靈活性又節(jié)約了能源。
5 結(jié)束語
電力用高頻開關(guān)電源智能控制節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，解決了高頻開關(guān)電源在實(shí)際使用中效率低、浪費(fèi)能源的現(xiàn)狀，平均約提升10％的工作效率點(diǎn)，降低企業(yè)運(yùn)營成本，提高了企業(yè)的競爭力。該技術(shù)科學(xué)先進(jìn)可實(shí)施性強(qiáng)、可靠性高、投資成本低、效果顯著，適合在直流電源系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。在履行企業(yè)節(jié)能減排的社會責(zé)任中，節(jié)約大量的電費(fèi)開支，為企業(yè)和社會創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益。