具有補(bǔ)償功能的應(yīng)急電源研究

劉 暉,靳青松

（1.合肥聯(lián)信電源有限公司,合肥 230088;2.中國交通建設(shè)股份有限公司,北京 100088）

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，應(yīng)急電源在城市的建筑中得到越來越廣泛的應(yīng)用，它對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的保障、人們生活條件的改善產(chǎn)生越來越大的影響。EPS（emergency power supply）的優(yōu)點(diǎn)是顯著的：無噪聲、無污染、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。由于EPS是在城市供電出現(xiàn)故障時(shí)才應(yīng)急工作，城市供電出現(xiàn)故障的時(shí)間與正常時(shí)間相比，畢竟較為短暫，提高應(yīng)急電源的利用率，也為實(shí)施節(jié)約型社會(huì)提供保障。在供電條件不發(fā)達(dá)地區(qū)，用電高峰時(shí)市電欠壓的情況頻繁發(fā)生，有些設(shè)備在嚴(yán)重欠壓時(shí)不能運(yùn)行，在GB17945《消防應(yīng)急燈具》標(biāo)準(zhǔn)中，市電低于187 V作為啟動(dòng)應(yīng)急電源的界限，在應(yīng)急狀態(tài)時(shí)，應(yīng)急電源電路系統(tǒng)將帶100%的負(fù)載，城市供電中欠壓和故障是應(yīng)急供電重要的考慮方面。

本文將Delta逆變技術(shù)融入應(yīng)急電源之中，不僅可以保障城市供電故障時(shí)的應(yīng)急供電，而且在城市欠壓供電時(shí)，實(shí)現(xiàn)市電的補(bǔ)償，保障市電的正常輸出，通過增加Delta逆變單元，一方面提高了應(yīng)急電源的利用率，另一方面，可以改善市電供電的質(zhì)量。該裝置還起到夜間儲(chǔ)能和白天調(diào)節(jié)峰荷的作用。這種裝置可以對(duì)影響配電質(zhì)量的一些問題——無功電流和電壓諧波、電壓波動(dòng)和閃變等都有很好改善。

1 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

補(bǔ)償式應(yīng)急電源是在串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化改進(jìn)，它是將原有的應(yīng)急電源電路中增加了Delta逆變器，其電路原理圖如圖1。

圖1 補(bǔ)償式應(yīng)急電源電路原理圖

與串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS[1]的主電路相比，它們的結(jié)構(gòu)基本相同，串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS系統(tǒng)有兩個(gè)逆變器連接到公共的蓄電池上，其中補(bǔ)償逆變器通常被稱為Delta逆變器，另一個(gè)應(yīng)急逆變器稱為并聯(lián)逆變器，補(bǔ)償式應(yīng)急電源電路不同之處在于增加K1轉(zhuǎn)換開關(guān)與充電器，這是針對(duì)其控制原理的不同而設(shè)計(jì)的。

在串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS中，兩個(gè)逆變器都為四象限工作的PWM逆變器，四象限PWM逆變器可以工作于正向/逆變模式（第1，3象限）或反向/整流模式（第2，4象限）。在第一或第三象限，逆變器的電壓和電流方向相同（同時(shí)為正或同時(shí)為負(fù)），此時(shí)逆變器輸出功率，即為正向/逆變工作模式。在第二或第四象限，逆變器的電壓和電流方向相反（電壓為正電流為負(fù)或電壓為負(fù)電流為正），因此從輸出端吸收功率，即為反向/整流模式。

串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的優(yōu)點(diǎn)在于[2]：（1）對(duì)輸入、輸出電壓差進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出電壓穩(wěn)定在±1%精度內(nèi)，改善供電質(zhì)量。（2）串并聯(lián)逆變器一起控制電池充電。（3）功率一般只有 UPS總功率的 15%～20%等優(yōu)點(diǎn)，但是無論市電正常與否，串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的逆變單元一直在線工作，這樣無疑存在著空載和輕載的損耗，對(duì)于電能質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合是一種浪費(fèi)。

補(bǔ)償式應(yīng)急電源的控制原理是針對(duì)于供電欠壓和故障這些主要問題而設(shè)計(jì)的：在市電正常時(shí)，補(bǔ)償逆變器與應(yīng)急逆變器不工作，負(fù)載的供電實(shí)際是市電供電；當(dāng)市電欠壓時(shí)，補(bǔ)償逆變器將蓄電池的直流電能進(jìn)行逆變，補(bǔ)償市電電源，供負(fù)載使用，應(yīng)急逆變器不工作；當(dāng)市電故障時(shí)，補(bǔ)償逆變器不工作，主電路通過轉(zhuǎn)換開關(guān)將電路切換到應(yīng)急逆變器供電。

補(bǔ)償式應(yīng)急電源的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）市電正常范圍時(shí)，兩個(gè)逆變器都不運(yùn)行，沒有逆變空載損耗。（2）當(dāng)欠壓時(shí)，補(bǔ)償逆變器工作，功率一般只有 UPS總功率的 15%～20%。（3）供電故障時(shí)，能夠保障城市供電故障時(shí)的應(yīng)急供電。

2 系統(tǒng)總體方案

應(yīng)急逆變?cè)頌槟孀冊(cè)恚呀?jīng)多有論述，本文重點(diǎn)為補(bǔ)償逆變器的設(shè)計(jì)，補(bǔ)償逆變器通常被稱為Delta逆變器，Delta逆變器僅處理市電電壓與輸出電壓的差值及相應(yīng)的功率。當(dāng)市電處于欠壓狀態(tài)時(shí)，Delta逆變器工作于正向/逆變模式，輸出電流與輸出電壓同相，功率從逆變器流出，用于補(bǔ)償欠壓市電。

圖2 補(bǔ)償原理圖

如果市電電壓為小于額定電壓15%，ui=Uimaxsin（314t+φ1），通過補(bǔ)償逆變器的電壓 Ue補(bǔ)償，負(fù)載兩端最終為:UR=311sin（314t+φ1）的穩(wěn)定電壓。 即：

其中實(shí)數(shù)、虛數(shù)部分如下：

通過上式可見， 只有當(dāng) ω3=ω2=ω1與，φ3=φ2=φ1時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)基波電壓的疊加，當(dāng)ω2≠ω1或ω2≠ω1時(shí)，負(fù)載兩端將形成新的諧波電壓，由此可見，通過補(bǔ)償逆變器實(shí)現(xiàn)市電電壓基波補(bǔ)償有兩個(gè)重要條件：

（1）補(bǔ)償逆變器的輸出頻率與市電一致。

（2）補(bǔ)償逆變器的輸出相位角與市電一致。

鑒于此分析，補(bǔ)償逆變器的輸出應(yīng)是與市電輸出頻率一致、與市電同步的不同幅值的正弦波。

當(dāng)補(bǔ)償逆變器的輸出頻率和相位與市電輸出一致時(shí)，補(bǔ)償逆變器的電壓輸出可以簡化為：

3 系統(tǒng)控制方法與策略

鑒于以上分析，為實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償逆變器與市電輸出頻率與相位的一致，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急電源的市電基波電壓補(bǔ)償功能，必須實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償逆變器輸出與市電同頻與同相。在硬件電路必須設(shè)計(jì)市電過零點(diǎn)采樣電路，進(jìn)行市電頻率與相位的檢測(cè)[3]。

當(dāng)鎖定市電頻率與相位后，市電在電壓210～185 V區(qū)間時(shí)，補(bǔ)償逆變器開始工作。通過式（4）計(jì)算補(bǔ)償電壓，調(diào)整PWM波形，改變補(bǔ)償逆變器的輸出電壓。為實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償逆變器具有好的輸出特性，補(bǔ)償逆變器的控制策略采用電壓與電流雙環(huán)控制，電壓環(huán)補(bǔ)償市電的欠壓，電流環(huán)用于維持輸入電流的恒定?？刂瓶蛉鐖D3所示：

圖3 補(bǔ)償逆變器控制框圖

當(dāng)市電低于185 V或停電時(shí)，控制系統(tǒng)停止補(bǔ)償逆變器工作，應(yīng)急逆變器啟動(dòng)工作，K1斷開，K2閉合，向負(fù)載提供應(yīng)急電源。應(yīng)急逆變器的逆變控制原理不再敘述。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

TMS320 LF2407是美國TI公司一種16位DSP，集高性能的DSP內(nèi)核和微控制器外設(shè)功能于一體。它有以下資源：

兩個(gè)事件管理器EVA和EVB，各自含有3個(gè)全比較單元，每個(gè)比較單元有兩個(gè)可設(shè)置死區(qū)事件的PWM輸出。

圖4 TMS320 LF2407核心芯片的硬件結(jié)構(gòu)框圖

每個(gè)事件管理器有兩個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器，每個(gè)事件管理器有三路獨(dú)立的捕獲單元。

共有16路通道 10位ADC電路，還有SCI，CAN總線等資源。

所以，設(shè)計(jì)時(shí)選用TMS320 LF2407作為控制的核心芯片，能夠滿足設(shè)計(jì)的需要?；赥MS320 LF2407作為控制的核心芯片的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

EVA的PWM1-PWM4由定時(shí)器1為時(shí)基，向應(yīng)急逆變器提供PWM信號(hào)。EVB的PWM7-PWM10以定時(shí)器3為時(shí)基，向補(bǔ)償逆變器提供PWM信號(hào)。CAP3用定時(shí)器4為時(shí)基。

在補(bǔ)償逆變器控制中，同頻與同相技術(shù)是利用數(shù)字鎖相的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。首先將市電電壓經(jīng)過過零檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，并送入DSP的捕獲單元的CAP3入口，鎖相過程是在捕捉中斷程序中完成的。在每個(gè)過零方波上升沿的開始，進(jìn)行市電頻率計(jì)算和確定市電相位。

當(dāng)市電在欠壓210～185 V區(qū)間時(shí)，補(bǔ)償逆變器開始工作，在一定周期完成經(jīng)過雙環(huán)反饋控制算法，控制實(shí)現(xiàn)市電的補(bǔ)償。

5 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)以上分析，本文對(duì)補(bǔ)償式EPS電源系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)參數(shù)如下：輸入直流母線電壓220 V；交流輸入160～230 V可調(diào)電壓；輸出交流 220 V±2%/50 Hz；開關(guān)頻率 10 kHz；輸出濾波電感2 mH；濾波電容20 μF；輸出功率 1 kW，串聯(lián)變壓器變比為240：60，并聯(lián)變壓器變比為120：240；負(fù)載為1 kW阻性負(fù)載；采用的控制芯片為TI公司的TMS320LF2407，其補(bǔ)償逆變器的調(diào)試輸出波形如圖5。

圖5 為補(bǔ)償逆變器單獨(dú)調(diào)試波形圖。當(dāng)市電經(jīng)調(diào)壓器輸入時(shí)，補(bǔ)償逆變器輸出波形，其中A是交流市電調(diào)壓至190 V，B是補(bǔ)償逆變器輸出。

圖6 為補(bǔ)償逆變器輸出波形圖，其中B為市電經(jīng)調(diào)壓器輸入波形，A是經(jīng)補(bǔ)償后的有效值為220 V電壓的波形圖，其中CH1為探頭10倍衰減，CH2為探頭2倍衰減測(cè)得數(shù)據(jù)。

圖5 補(bǔ)償逆變器調(diào)試波形圖

圖6 補(bǔ)償逆變器輸出波形圖

6 結(jié)論

具有補(bǔ)償功能的EPS是在應(yīng)急電源基礎(chǔ)上，通過增加設(shè)置補(bǔ)償逆變器，改進(jìn)核心控制系統(tǒng)的控制方法，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)急供電與補(bǔ)償供電的統(tǒng)一，通過試驗(yàn)證明：具有補(bǔ)償功能的EPS不僅能夠滿足電網(wǎng)停電時(shí)，對(duì)于應(yīng)急供電的需要，而且當(dāng)欠壓時(shí)，通過補(bǔ)償逆變器工作，輸出功率一般只有逆變總功率的15%～20%，可以提高應(yīng)急電源設(shè)備的使用效率，所以，對(duì)于具有補(bǔ)償功能的EPS的研究，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]孟麗嬋.基于DSP的串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[2]李逸洋.DP300E系列UPS的性能特點(diǎn).第十四屆全國電源技術(shù)年會(huì)論文集，2002，269-275.

[3]段善旭，雄健，康勇等.一種UPS的數(shù)字化鎖相及旁路檢測(cè)和切換控制技術(shù) [j].電工電能新技術(shù)，2004，（1）：7-10.