摘 要:EPS作為一種可靠的綠色應(yīng)急供電電源，在電梯#65380;消防#65380;應(yīng)急照明等場(chǎng)合發(fā)揮重要作用#65377;根據(jù)PWM整流器能量雙向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，發(fā)展新型EPS應(yīng)急電源在消防電源中的應(yīng)用，其充電#65380;放電都由PWM整流器完成#65377;新型EPS應(yīng)急電源優(yōu)化傳統(tǒng)EPS電源的結(jié)構(gòu)和控制策略，提高消防電源的效率和管理信息化程度#65377;對(duì)新型EPS應(yīng)急電源的工作原理進(jìn)行深入的分析，針對(duì)直接電流雙環(huán)PID控制策略在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行仿真研究，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行扼要的分析#65377;

關(guān)鍵詞:EPS;PWM整流器;蓄電池;電源;MATLAB

中圖分類(lèi)號(hào):TP15文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 EPS應(yīng)急電源

工程供電設(shè)計(jì)中對(duì)于一#65380;二類(lèi)重要負(fù)荷需要考慮供電連續(xù)性的措施#65377;除了雙電源，雙回路供電外，還需配有應(yīng)急電源#65377;應(yīng)急電源是與電網(wǎng)在電氣上獨(dú)立的各種電源，包括柴油發(fā)電機(jī)組和蓄電池，其中蓄電池又分為EPS(Emergency Power Supply)和UPS(Un-interruptablePower System)#65377;

EPS應(yīng)急電源是以CPU為核心，加上整流充電模塊#65380;逆變放電模塊#65380;旁路切換模塊和蓄電池組成的智能供電模塊，采用電子集成模塊化結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱電一體化系統(tǒng)，是一種高科技環(huán)保產(chǎn)品#65377;它在緊急的情況下作為重要負(fù)荷的第二或第三電源供給，可望替代不少場(chǎng)合的柴油發(fā)電機(jī)組和UPS#65377;其特點(diǎn)是，采用智能芯片控制，維護(hù)簡(jiǎn)單，自動(dòng)操作，市電異常時(shí)，一般指市電小于187V或高于242V，自動(dòng)切換，切換時(shí)間小于0.5S，可無(wú)人值守;采用IGBT逆變橋PWM控制，供電電壓穩(wěn)定，逆變頻率穩(wěn)定，波形好;平時(shí)處于睡眠狀態(tài)(浮充)，逆變橋不工作，電能損耗小，放電效率高#65377;主要適用于電梯#65380;消防#65380;安防#65380;應(yīng)急照明#65380;醫(yī)院手術(shù)室和實(shí)驗(yàn)室等重要場(chǎng)合#65377;傳統(tǒng)的EPS采用后備式結(jié)構(gòu)，如圖1所示:

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2007年6月第26卷第2期王坤林等:基于高頻整流模式新型EPS及工作原理分析隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，高頻技術(shù)的不斷成熟，新型EPS應(yīng)急電源悄然落地#65377;圖2是新型EPS應(yīng)急電源的原理圖#65377;可以看出，它也是后備式電源#65377;在結(jié)構(gòu)上“充電電路”與“逆變電路”合并為一個(gè)整流/逆變電路，即PWM整流器#65377;它能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的EPS充/放電的功能，具體的工作過(guò)程是這樣的:當(dāng)市電正常時(shí)，Ks合并，即市電同時(shí)給負(fù)載和電池供電，PWM整流器工作于整流狀態(tài)，蓄電池浮充#65377;當(dāng)市電異常時(shí)， Ks斷開(kāi)，由電池給負(fù)載供電，PWM整流器工作于逆變狀態(tài)，蓄電池放電#65377;同時(shí)，檢測(cè)蓄電池端電壓，直到端電壓下降到放電終止電壓時(shí)，即蓄電池放電完畢，自動(dòng)關(guān)閉PWM整流器#65377;

2 新型EPS應(yīng)急電源理論基礎(chǔ)

新型EPS應(yīng)急電源是以IGBT變換器為基礎(chǔ)，高頻整流技術(shù)為理論根據(jù)發(fā)展起來(lái)的#65377;高頻整流技術(shù)，即PWM整流器，采用全控型開(kāi)關(guān)管取代傳統(tǒng)的半控型開(kāi)關(guān)管或二極管，以PWM斬控整流取代了相控整流或不控整流，具有以下幾大優(yōu)點(diǎn):

1) 電能雙向傳輸#65377;

2) 交流側(cè)電流為正弦波#65377;

3) 整流時(shí)，交流側(cè)功率因數(shù)可控(如單位功率因數(shù)控制)#65377;

4) 較快的動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)#65377;

顯然，由于電能的雙向傳輸，PWM整流器就已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的AC/DC或DC/AC變換器了，當(dāng)PWM整流器從電網(wǎng)吸收電能時(shí)，其運(yùn)行于整流工作狀態(tài)，作為整流器工作;而當(dāng)PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時(shí)，其運(yùn)行于逆變狀態(tài)，作為逆變器工作，所以PWM整流器是集整流與逆變于一身的新型變換器#65377;PWM整流器模型電路圖如圖3所示:

中E為電網(wǎng)電壓，L是網(wǎng)側(cè)電感，R是網(wǎng)側(cè)等效電阻#65377;交流側(cè)電壓具有如下關(guān)系

E=VL+RI+V (V為變換器交流側(cè)電壓)

在穩(wěn)態(tài)條件下，各電壓的矢量關(guān)系如圖4所示#65377;電網(wǎng)電壓E作為實(shí)軸坐標(biāo)系，即有功分量#65377;從圖上可知，RI，VL都是由電流I決定的#65377;控制電流矢量I與E的夾角φ就可以進(jìn)行網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制，當(dāng)電流矢量I在第一#65380;四相限時(shí)，有IEcosφ>0，PWM整流器吸收電網(wǎng)有功功率，此時(shí)PWM整流器是真正意義的整流器;當(dāng)電流矢量I在第二#65380;三相限時(shí)，有IEcosφ<0，PWM整流器則向電網(wǎng)提供有功功率，此時(shí)，PWM整流器則是逆變器#65377;只要控制電流I的大小以及φ就可以控制PWM整流器的工作狀態(tài)(整流/逆變)和功率因數(shù)#65377;電流|I|一定時(shí)，|VL|也一定，忽略R的影響，電壓矢量關(guān)系如圖5所示#65377;

3 新型EPS工作原理分析

3.1 新型EPS工作原理分析

新型EPS的功能應(yīng)該滿足傳統(tǒng)EPS的全部功能和蓄電池的充電要求#65377;蓄電池理想充電電流是指數(shù)下降的^[1]，這里所說(shuō)的蓄電池是指應(yīng)用在消防電源中的閥控鉛酸蓄電池#65377;一般情況下，蓄電池的充電過(guò)程可分恒流充電，恒壓充電和浮充三個(gè)過(guò)程#65377;當(dāng)市電異常時(shí)，蓄電池放電給負(fù)載供電，PWM整流器進(jìn)入逆變放電狀態(tài)，即無(wú)源逆變過(guò)程#65377;

蓄電池在使用過(guò)程中，容量是不斷下降的，當(dāng)電池容量衰減至初始值的80%時(shí)，進(jìn)入快速失效期，容量衰減加快，普遍認(rèn)為容量低于初始值的80%的蓄電池為失效電池^[2]#65377;所以電池容量檢測(cè)是至關(guān)重要的#65377;根據(jù)PWM整流器能量雙向傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，可以采用放電法進(jìn)行容量檢測(cè)，并把所放出來(lái)的電放回電網(wǎng)，既安全，又高效#65377;具體的過(guò)程是這樣的:

當(dāng)系統(tǒng)工作過(guò)程轉(zhuǎn)入容量檢測(cè)過(guò)程后，控制放電電流為一恒定負(fù)值I(xiàn)(充電方向?yàn)檎?#65377;此時(shí)，蓄電池作為電源，電網(wǎng)作為負(fù)載，PWM整流器工作在有源逆變狀態(tài)#65377;當(dāng)電流穩(wěn)定到給定值I(xiàn)后，開(kāi)始計(jì)時(shí)#65377;同時(shí)，循環(huán)檢測(cè)各單節(jié)電池電壓，有任一個(gè)單節(jié)電池電壓低于規(guī)定值時(shí)，放電完畢，讀取放電時(shí)間T#65377;那么電池容量就是I(xiàn)*T(安時(shí))#65377;當(dāng)測(cè)量完成后，馬上對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，減少電網(wǎng)突然斷電的危險(xiǎn)性#65377;

可見(jiàn)，新型EPS的工作過(guò)程可分為如下五種:恒流充電過(guò)程#65380;恒壓充電過(guò)程#65380;浮充過(guò)程#65380;無(wú)源逆變過(guò)程和有源逆變過(guò)程#65377;

3.2 工作原理仿真分析

根據(jù)新型EPS五個(gè)工作過(guò)程的特點(diǎn)，下面采用直接電流雙環(huán)PID控制方案，利用MATLAB的Simulink強(qiáng)大的仿真功能，對(duì)各個(gè)工作過(guò)程進(jìn)行仿真研究，給出PWM整流器直流側(cè)與交流側(cè)的電壓/電流仿真波形圖，并進(jìn)行簡(jiǎn)單分析#65377;

3.2.1 恒壓充電與浮充仿真分析

恒壓充電與浮充的控制方案都是交流電流內(nèi)環(huán)和直流電壓外環(huán)的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，只是參數(shù)不一樣，結(jié)構(gòu)完全一樣，在此，就不分開(kāi)討論#65377;圖6是仿真結(jié)構(gòu)圖#65377;蓄電池在充電過(guò)程中，對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，蓄電池是一個(gè)負(fù)載，位功率因數(shù)控制時(shí)，PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流跟蹤電壓信號(hào)#65377;從圖7和圖8中可以看出，蓄電池充電初期，電流幅值較大，當(dāng)t=0.1s時(shí)，電流幅值減少，蓄電池端電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值;當(dāng)蓄電池由恒壓充電到浮充電(電壓稍降)時(shí)，蓄電池有短暫的放電過(guò)程，即t=0.25s處電流與電壓反相;蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)后，充電電流明顯降低#65377;

3.2.2 恒流充電與有源逆變仿真分析

恒流充電與有源逆變的控制方案都是交流電流內(nèi)環(huán)和直流電流外環(huán)的由雙環(huán)結(jié)構(gòu)，也一起討論#65377;圖9是仿真結(jié)構(gòu)圖#65377;圖10和圖11是40A的恒流充電到40A放電的仿真電壓/電流波形#65377;在恒流充電過(guò)程中，交流側(cè)電壓與電流同相，蓄電池吸收電網(wǎng)能量;在有源逆變過(guò)程，交流側(cè)電壓與電流反相，蓄電池給電網(wǎng)供電，控制放電電流為一給定值，可以進(jìn)行蓄電池容量測(cè)量#65377;

3.2.3 無(wú)源逆變仿真分析

無(wú)源逆變即電網(wǎng)異常時(shí)蓄電池給負(fù)載的供電過(guò)程，跟其它一般逆變控制方案相同，控制輸出交流電壓的頻率與幅值穩(wěn)定#65377;圖12是無(wú)源逆變仿真結(jié)構(gòu)圖，圖13是無(wú)源逆變時(shí)逆變輸出的電壓/電流波型#65377;從圖中可以看出，當(dāng)t=0.2s時(shí)，并聯(lián)一個(gè)電阻負(fù)載，模擬負(fù)載的擾動(dòng)，逆變電壓的波形也基本不變，可見(jiàn)逆變電源有一定的帶負(fù)載能力，魯棒性較好，達(dá)到理想的控制效果#65377;

圖12 無(wú)源逆變仿真結(jié)構(gòu)圖[JZ)]

圖13 無(wú)源逆變輸出電壓/電流波形[JZ)]

4 結(jié)束語(yǔ)

新型EPS應(yīng)急電源提高了蓄電池管理的自動(dòng)化水平和信息化程度#65377;對(duì)提高后備電源系統(tǒng)的安全運(yùn)行#65380;可靠性和延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命都有著十分重要的意義#65377;通過(guò)對(duì)新型EPS應(yīng)急電源結(jié)構(gòu)和原理的分析，并就其工作原理進(jìn)行仿真研究，使讀者對(duì)新型EPS具有更加全面#65380;更加具體#65380;更加深入的認(rèn)識(shí)#65377;本文是對(duì)新型EPS作進(jìn)一步研究或設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)#65377;新型EPS應(yīng)急電源在其它領(lǐng)域的應(yīng)用中同樣具有重要意義#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。