基于雙向DC/AC的便攜式智能電表復(fù)電儀

盧德祥，劉堯彬，陳偉峰，邱雪婷

（國網(wǎng)福建省電力有限公司 龍巖供電公司，福建 龍巖364000）

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的逐步推進(jìn)，智能電表作為建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵一環(huán)，使用量占比越來越大，但維護(hù)問題也日漸凸顯。在調(diào)整抄表例日和用戶用電結(jié)算方式等方面，供電公司工作人員需在現(xiàn)場對用戶智能電能表進(jìn)行重新編程。智能電能表現(xiàn)場編程需要滿足主回路電壓達(dá)到78%以上，因此在主回路無電壓時(shí)無法實(shí)現(xiàn)電能表的現(xiàn)場編程。部分技術(shù)人員會在現(xiàn)場其余回路搭接電壓，啟動電能表完成編程，但此種情況下極易造成安全事故。因此，工作人員只能等到主回路送電后再次返回用戶現(xiàn)場完成編程，這造成工作人員重復(fù)往返作業(yè)現(xiàn)場，極大地降低了工作效率。此外，智能電表使用年限到期后，內(nèi)部記錄數(shù)據(jù)信息需要再次錄入SG186系統(tǒng)。由于智能電表內(nèi)置時(shí)鐘電池欠壓，一般電能表使用年限到期后，電池將無法提供正常電壓，導(dǎo)致無法抄錄電能表示數(shù)。對于不能正常顯示的智能電能表，傳統(tǒng)方法采用電能表校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)臺或自制導(dǎo)線人為直接插入市電中啟動電能表。該種方法極大地降低了工作效率，且技術(shù)人員易因直接接觸裸露的自制導(dǎo)線而引發(fā)安全事故。因此，如何安全快捷地操作斷電的智能電表，是困擾電網(wǎng)技術(shù)人員的一個難題[1-3]。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種能夠?yàn)闊o供電回路的智能電表充電的便攜式復(fù)電裝置。通過此裝置，工作人員可以安全快捷地接入斷電的智能電表完成對智能電表的編程，提高作業(yè)人員的工作效率，且能避免因錯亂搭線造成的人身及設(shè)備事故。

基于雙向DC/AC的電能表現(xiàn)場復(fù)電儀的功率變換電路由電池儲能模塊、Buck/Boost變換器以及H橋電路組成。采用TI公司的TMS320F28027作為控制芯片，包含顯示屏、按鍵以及指示燈等人機(jī)交互界面。通過人機(jī)交互界面，電能表可實(shí)現(xiàn)單相220 V、三相三線制100 V以及三相四線制50 V這3個不同檔位的切換。

1 工作原理分析

復(fù)電儀的電路拓?fù)淙鐖D1所示，電路可以工作在正向狀態(tài)或反向狀態(tài)。當(dāng)電路工作在鋰電池放電狀態(tài)時(shí)，前級雙向DC/DC工作在Boost狀態(tài)，即S6處于關(guān)斷狀態(tài)，其體二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，后級全橋電路工作在逆變狀態(tài)。此時(shí)，復(fù)電儀輸出單相正弦波，從而實(shí)現(xiàn)為電能表充電的功能。在此狀態(tài)下，前級的控制量為直流母線電壓，即Boost變換器的輸出電壓，后級單相全橋逆變電路的控制量為逆變器輸出電壓。通過改變給定量，實(shí)現(xiàn)不同電壓等級的輸出。當(dāng)電路工作在鋰電池充電狀態(tài)時(shí)，此時(shí)H橋電路工作在不控整流狀態(tài)，即S1～S4處于關(guān)斷狀態(tài)，其體二極管導(dǎo)通。當(dāng)雙向DC/DC變換器工作在Buck狀態(tài)時(shí)，即S5處于關(guān)斷狀態(tài)，其體二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，系統(tǒng)只有S6的開關(guān)管處于可控狀態(tài)。在此狀態(tài)下，設(shè)計(jì)控制量為直流側(cè)的電壓與電流，即Buck變換器的輸出。后級單相全橋逆變電路的4個管子處于關(guān)斷狀態(tài)。

圖1 復(fù)電儀電路拓?fù)鋱D

2 關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 DC/DC電感設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電感工作在斷續(xù)模式，根據(jù)升壓比M，得出電感L工作在斷續(xù)模式下的表達(dá)式：

當(dāng)占空比D=0.2、開關(guān)頻率fs=20 kHz、輸入電壓Vi=14 V、輸出電壓V0=350 V、功率為5 W時(shí)，代入式（2）中，得L=81 μH。

2.2 直流母線電容

由于直流母線上存在二次波紋電壓波動，根據(jù)求得母線電容大?。?/p>

取占空比Pin=5 W，η=0.9，ω=50 Hz，Ubus= 350 V，ΔUbus=330 V（一般取電壓脈動ΔUbus小于5%），C≥24 μF。實(shí)際中，取3個10 μF/400 V的鋁電解電容并聯(lián)[4]。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證所提出的功率電路和控制方法的有效值，采用PSIM電力電子仿真軟件對主電路進(jìn)行仿真，通過在Visual studio 2017編寫C語言程序，生成DLL文件實(shí)現(xiàn)對電路的控制。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

如圖2所示，電池工作在正向放電狀態(tài)時(shí)，當(dāng)母線給定電壓為350 V，可以輸出220 V的交流電壓。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電路拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。觀察圖3的直流母線電壓波形，可以看到直流母線電壓上存在二次紋波，即直流母線的波動頻率在100 Hz。當(dāng)電池工作在反向充電模式時(shí)，原來的交流側(cè)變?yōu)檩斎耄绷鱾?cè)變?yōu)檩敵?，此時(shí)控制直流側(cè)給定電壓為16.8 V，直流側(cè)的電壓波形如圖4所示。

圖2 交流側(cè)輸出電壓波形圖

圖3 直流母線電壓仿真波形

圖4 直流側(cè)輸出電壓仿真波形

3.2 樣機(jī)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)樣機(jī)采用的電池為4節(jié)鋰電池串聯(lián)，電壓Uin=10～16.8 V，額定輸出電壓Uo=220 V/100 V/50 V，輸出頻率為fo=50 Hz，開關(guān)頻率fs=20 kHz。直流側(cè)儲能電感L1=82 μH，S5～S6選用FDB12N50T，S1～S4選用STD5NK50ZT。交流側(cè)濾波電感Lf=3 mH，濾波電容Cf=100 μF。

3.2.1 采樣電路設(shè)計(jì)

如圖5所示，交流輸出電壓采樣電路為有直流電壓偏置的差分運(yùn)算放大電路，其中運(yùn)算放大器U1A組成一個差分放大電路，運(yùn)算放大器U1B組成一個電壓跟隨器，形成一個1.65 V的直流偏置電源。

圖5 交流電壓采樣電路

經(jīng)過信號調(diào)理電路得到的電壓信號VADC_AC的表達(dá)式為：

式中，VAC+和VAC-為復(fù)電儀的交流側(cè)輸出的兩端。

圖6為直流母線電壓采樣電路。直流母線電壓采樣首先通過并聯(lián)在主電路的3個電阻分壓得到VB，VB經(jīng)過電壓跟隨器后，經(jīng)過R29和R34分壓進(jìn)入DSP的ADC引腳。

圖6 直流母線電壓采樣電路

與直流母線電壓采樣相同，直流側(cè)電壓采樣電路如圖7所示。直流側(cè)電壓采樣首先通過并聯(lián)在主電路的2個電阻分壓得到VDC，VB則經(jīng)過電壓跟隨器后，經(jīng)過R29和R34分壓進(jìn)入DSP的ADC引腳。

圖7 直流電壓采樣電路

3.2.2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

MOSFET的可靠工作是功率變換器正常工作的基本條件。如圖8所示，本文采用IR2101半橋驅(qū)動器。IR2101是英飛凌公司推出的高低側(cè)600 V半橋驅(qū)動集成電路，高端和低端驅(qū)動分別連接DSP的兩個ePWM引腳，能夠放大PWM信號，從而驅(qū)動功率管。

圖8 驅(qū)動電路

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

復(fù)電儀的實(shí)物電路圖如圖9所示，從上到下、從左至右依次分別是墨水屏、雙向DC/DC變換器、全橋逆變器、驅(qū)動電路、LED指示燈、按鍵、采樣電路以及DSP芯片TMS320F28027。

圖9 現(xiàn)場復(fù)電儀實(shí)物圖

圖10、圖11以及圖12分別是逆變器在50 V、100 V以及220 V這3種不同給定電壓下，S1的驅(qū)動電壓電壓波形Ugs1、直流母線輸出電壓波形Ubus以及逆變器輸出電壓波形Uo。通過人機(jī)接口界面改變給定輸出電壓。根據(jù)圖10、圖11以及圖12的結(jié)果可見，雖然存在誤差，但是在可以接受的范圍。通過觀察直流母線電壓Ubus波形可以發(fā)現(xiàn)，直流母線電壓存在明顯的100 Hz紋波電壓，這是DC/AC變換器的固有特性。因此，在進(jìn)行直流母線電壓控制時(shí)，選擇100 Hz的滑動窗口濾波。

圖10 額定50 V交流輸出

圖11 額定100 V交流輸出

圖12 額定220 V交流輸出

4 結(jié) 論

本文以雙向DC/DC變換器和H橋電路為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套以TMS320F28027為控制核心的雙向DC/AC系統(tǒng)，不僅能夠?qū)χ骰芈窡o供電回路的智能電表充電，而且給出了關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)給出了控制方案。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的復(fù)電儀裝置能夠輸出不同電壓等級的交流波形，可以為不同類型的智能電表充電，且具有方便攜帶、操作簡單以及成本低廉的特點(diǎn)，有利于推廣使用。