摘 要： 分析了現(xiàn)有DC?BANK抗“晃電”直流支撐系統(tǒng)中蓄電池組的變壓方案。針對某型具體DC?BANK系統(tǒng)中系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，提出傳統(tǒng)系統(tǒng)中蓄電池利用率低的問題。針對蓄電池本身的放電特性及DC?BANK系統(tǒng)對蓄電池組的使用實際，提出采用一種對蓄電池組輸出電壓進(jìn)行升降壓變換的方案來解決現(xiàn)有系統(tǒng)中不能充分發(fā)揮蓄電池性能的不足。仿真證明電路性能達(dá)到預(yù)定指標(biāo)，實現(xiàn)了對蓄電池組輸出電壓的升降壓變換和延長系統(tǒng)的設(shè)計支撐時間的目的，解決了傳統(tǒng)DC?BANK抗“晃電”直流支撐系統(tǒng)中蓄電池組性能不能充分發(fā)揮的不足。

關(guān)鍵詞： DC?BANK； 抗“晃電”； 蓄電池； 變頻器

中圖分類號： TN710?34； TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0146?04

0 引 言

在UPS和直流屏等不間斷電源系統(tǒng)中，通常選用蓄電池組作為后備電源[1?2]。蓄電池作為不間斷電源中的重要組成部分，對于標(biāo)準(zhǔn)時間機器來說，蓄電池組的成本約占整個不間斷電源系統(tǒng)總成本的20%～30%。而在長時間不間斷電源系統(tǒng)中，其成本甚至超過不間斷電源主機的成本。因此，不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計和使用中，對于如何最大化地發(fā)揮其效能的研究意義重大。

1 蓄電池特性分析

不間斷電源系統(tǒng)中的蓄電池多采用鉛酸蓄電池，它是一種將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)化的裝置[3]。其中，蓄電池通過外接的額定直流電源實現(xiàn)充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能形式進(jìn)行儲存。蓄電池陽極的活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2）陰極的活性物質(zhì)是是鉛（Pb），電解液是稀硫酸（H2SO4）。正是通過電解液中活性物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)，蓄電池才實現(xiàn)了電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換。

[2PbSO4+2H2O?充電放電Pb+PbO2+2H2SO4]

電池是由單個的“原電池”組成，每個原電池的電壓大約是2 V，一個12 V的電池由6個原電池組成。事實上，以某標(biāo)稱12 V的蓄電池為例，其電池充電截止電壓為13.8 V，即電池最高充電至13.8 V時即應(yīng)停止充電；電池放電截止電壓為10.8 V，即電池最低放電至10.8 V時即應(yīng)停止放電。過充和過放將嚴(yán)重影響蓄電池的性能及使用壽命。

考查某型DC?BANK系統(tǒng)，對于某額定母線電壓為560 V的變頻器進(jìn)行抗“晃電”改造。變頻器預(yù)設(shè)的低壓保護(hù)值為500 V（約合85%額定電壓），即母線電壓低于500 V時，變頻器發(fā)生跳閘。DC?BANK實際的投切電壓為530 V，變頻器母線直接取自蓄電池組輸出端電壓，由額定電壓12 V的44節(jié)高性能免維護(hù)鉛酸蓄電池組成。由于電池放電軟特性的存在，該電壓在480～600 V之間。這要求蓄電池組在充電后進(jìn)行可控放電至530 V（單體約12 V）左右（或者充電截止電壓設(shè)定為530 V）一方面，對于蓄電池組端電壓超過投切電壓時的放電處理浪費了電能（或者將充電截止電壓設(shè)定為530 V不利于蓄電池的充分利用）；另一方面，額定投切電壓投切后，隨著支撐時間的延長，由于電池軟特性這一特有屬性，蓄電池組端電壓會下降。這使得早在蓄電池組未放電至其允許的放電終止電壓時，其輸出端電壓早已無法對變頻器直流母線提供支撐，支撐過程終止。如果對蓄電池組的輸出電壓進(jìn)行變壓處理，充分利用其放電過程，則系統(tǒng)穩(wěn)定性及支撐時間等指標(biāo)將得到明顯改善。

圖1是根據(jù)蓄電池特性繪制出的蓄電池單體放電過程示意圖，標(biāo)稱為12 V的高密度免維護(hù)鉛酸蓄電池，其放電截止電壓為10.8 V，充電截止電壓為13.8 V。則蓄電池單體正常使用過程中，端電壓Ubat在10.8～13.8 V之間。則理論電池使用時間[tideat=t4-t1]。其中[0

設(shè)定DC?BANK系統(tǒng)投切電壓為530 V（約合90%額定電壓）時，44節(jié)蓄電池組放電至500 V即結(jié)束支撐過程，此時蓄電池單體平均電壓為11.3 V。如圖1所示，[tsys=t3-t2]即是系統(tǒng)設(shè)計支撐時間，顯然[tideat>tsys]。

2 傳統(tǒng)DC?BANK系統(tǒng)中對蓄電池輸出電壓的

處理

包括DC?BANK在內(nèi)的傳統(tǒng)不間斷電源系統(tǒng)中，對于蓄電池組輸出端電壓的處理方案通常有以下幾種：

不對電壓進(jìn)行變換，僅考慮增加保護(hù)及穩(wěn)壓等輔助性功能電路；針對蓄電池組使用過程中的電壓變低問題，通過增設(shè)BOOST電路實現(xiàn)穩(wěn)壓；基于PWM控制下功率MOS或IGBT器件實現(xiàn)的高頻鏈逆變整流技術(shù)。

（1） DC?BANK系統(tǒng)中間級設(shè)計方案中，對于蓄電池組與變頻器直流母線間的連接部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題，首先考慮將蓄電池組直接并聯(lián)到變頻器的直流母線上。該方案設(shè)定蓄電池組的輸出電壓為變頻器母線的投切電壓，當(dāng)變頻器母線電壓發(fā)生跌落低于此電壓值時，蓄電池組完成投切支撐。該方案的優(yōu)點在于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，故而避免了復(fù)雜電路可能帶來的高故障率的問題。但是，簡單并聯(lián)方案的不足在于：

① 電池組或電池單體出現(xiàn)故障，直接影響蓄電池組的輸出甚至變頻器的正常工作。

② 電池組輸出電壓[Ug]為低于變頻器母線直流電壓且[Udc]高于變頻器低壓跳閘閾值[Uo]的固定值（即[Uo

③ 對于固定值[Ug]的保持，仍需要設(shè)計專門的電池組輸出電壓的控制電路（電池充電與巡檢單元）。非使用狀態(tài)下，一方面實現(xiàn)欠壓時的充電，另一方面，當(dāng)蓄電池組輸出電壓高于固定值[Ug]，還要完成蓄電池組的可控放電，使之穩(wěn)定在固定值[Ug]。

（2） 考慮含有中間級的拓?fù)湓O(shè)計方案，優(yōu)點是：

① 處于蓄電池組與變頻器直流母線間，起到連接與隔離的雙重作用。設(shè)計上甚至可以通過對蓄電池單體的控制（如故障切除），解決單體故障對蓄電池組正常工作的影響問題。

② 對蓄電池組輸出的電壓進(jìn)行處理，如實現(xiàn)穩(wěn)壓的功能。只要蓄電池在正常的工作狀態(tài)，經(jīng)過中間級的處理，可以實現(xiàn)支撐電壓的穩(wěn)定，避免了電池因長時放電出現(xiàn)的電池軟特性問題。

③ 智能化程度大為提高，控制算法與檢測、監(jiān)測算法的引入能夠極大提高系統(tǒng)的性能。

隨著IGBT器件與控制技術(shù)的發(fā)展與成熟，PWM控制下的大功率DC/DC變換器得到廣泛應(yīng)用。將該技術(shù)應(yīng)用于DC?BANK系統(tǒng)中，可以使DC?BANK效率、體積、成本和數(shù)字化水平等指標(biāo)得到巨大改善。

考慮直流屏設(shè)備中常用的Boost電路，將蓄電池組輸出的電壓[Ug]升壓至投切電壓[Uk]。進(jìn)一步還可以對升壓系統(tǒng)進(jìn)行反饋設(shè)計，通過反饋實現(xiàn)穩(wěn)壓來解決蓄電池放電軟特性的問題。但是，對于蓄電池組輸出電壓的處理上，Boost方案的不足在于：

① 僅僅是通過增加Boost變壓電路實現(xiàn)了升壓穩(wěn)壓控制，但是對于蓄電池組輸出電壓大于投切電壓（仍屬于正常范圍）時，該方案仍然需要通過放電控制模塊解決蓄電池中“多余”的電量，或采用降壓硅鏈[4]實現(xiàn)降壓，或者設(shè)定蓄電池單體充電的截止電壓為12 V，這樣顯然不利于電池的充分利用。

② 由于Boost電路是純升壓電路，其變比大于1，因此原定44×12 V的蓄電池組，額定輸出為530 V支撐電壓的設(shè)計需要調(diào)整。一者，若保持投切電壓[Uk]為530 V不變，則應(yīng)減少蓄電池數(shù)量，這使得蓄電池單體輸出電流變大且理論支撐時間變短。二者可以調(diào)高投切電壓，這顯然有違設(shè)計初衷。

3 升降壓變換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

對于蓄電池組輸出電壓的處理，本文探討具有升?降壓雙重功能的DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]在DC?BANK系統(tǒng)中的使用。圖2是升降壓變換電路原理圖，Ug為蓄電池組輸出電壓，Uout為變壓模塊的輸出電壓。

該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，電壓應(yīng)力小，電路的升降壓兩種工作模式（即Boost和Buck）各自獨立，這正是該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)于經(jīng)典Buck?Boost電路的原因。

當(dāng)[Ug>Uk]時（系統(tǒng)為電池滿充或“過充”狀態(tài)），VT1始終關(guān)斷，VT2工作在斬波狀態(tài)，電路實現(xiàn)Buck降壓功能，[Uout=UgDu]（[Du]為PWM控制信號占空比）；當(dāng)[Ug>Uk]時（系統(tǒng)為長時支撐狀態(tài)或“欠壓”狀態(tài)），VT2始終導(dǎo)通，VT1工作在斬波狀態(tài)，電路實現(xiàn)Boost升壓功能，[Uout=Ug1-Du]?？梢姡瑢τ陔娐分械膬蓚€IGBT器件能直接采用PWM技術(shù)實現(xiàn)控制可行性高。

由于電壓脈動的客觀存在，兩種工作模式轉(zhuǎn)換時，[Ug]值極接近530 V，這一方面可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁轉(zhuǎn)換，另一方面此時控制信號的占空比接近或達(dá)到0或1。設(shè)計上可以設(shè)置一定的死區(qū)對此進(jìn)行規(guī)避，或者對電壓時行分段，如在[Ug]為600～530 V時啟動Buck模式，當(dāng)[Ug]降至530 V（此時占空比理論值達(dá)到1）時，繼續(xù)保持此模式至[Ug]為530時啟動Boost模式。由于控制信號的占空比[Du]介于0～1之間，因此有必要考慮設(shè)計一定死區(qū)，避免可能出現(xiàn)的頻繁轉(zhuǎn)換。死區(qū)大小的設(shè)定由[Uout]電壓脈動的大小決定。

4 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

如圖3所示，當(dāng)且僅當(dāng)變頻器電機系統(tǒng)正常工作（sys=1），升降壓變換電路才開始工作。其中，CPU通過采集Ug和Uout的電壓值，控制升降壓變換電路的工作模式，使輸出穩(wěn)壓在530 V。在前提下，當(dāng)Udc發(fā)生跌落或Udc尚未跌落但監(jiān)測到電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障（net=1），CPU發(fā)出開關(guān)投切指令。控制方案流程見圖4。

圖4中系統(tǒng)中諸如480 V放電終止電壓等的參數(shù)設(shè)置為實驗值，實物設(shè)定以系統(tǒng)實際為準(zhǔn)。

采用定時計數(shù)器實現(xiàn)PWM的發(fā)生與數(shù)字化控制，定時計數(shù)器工作在計數(shù)模式，每個PWM周期對應(yīng)256個時鐘周期。計數(shù)器的減計數(shù)模式下，當(dāng)CPU給定值TL從0～255變化，生成PWM波占空比對應(yīng)1～0。

當(dāng)變頻器電機系統(tǒng)啟動后，檢測到蓄電池組電壓在正常范圍則啟動升降壓變換模塊，在Buck模式下，將蓄電池組電壓Ug與升降壓變換模塊輸出電壓Uout引入控制器占空比的計算中，實現(xiàn)時時的反饋修正。通過采樣始終監(jiān)測蓄電池組電壓變化，在長時放電情況下蓄電池組電壓降至投切電壓Uk以下時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入Boost模式，至最低工作電壓時退出工作，并發(fā)出電池電壓警報。其中，蓄電池組最低工作電壓及充電截止電壓依據(jù)實際情況而定。

5 結(jié) 語

本文對DC?BANK系統(tǒng)中蓄電池后級現(xiàn)有的變壓方案進(jìn)行簡要介紹，并進(jìn)行了優(yōu)缺點分析，指出現(xiàn)有方案不能充分發(fā)揮蓄電池性能和存在資源浪費的問題。提出利用一種升降壓變換方案提高蓄電池利用率的設(shè)計思路，給出控制器流程圖設(shè)計及部分程序。最后，通過Multisim仿真驗證了方案的合理性和可行性。

在DC?BANK系統(tǒng)中，該拓?fù)湓O(shè)計相比于其他方案的優(yōu)點有：

（1） 引入升降壓變換電路，擴展了蓄電池組正常工作的允許電壓范圍，有利于充分發(fā)揮蓄電池性能，在相同蓄電池組配備條件下，延長了系統(tǒng)的支撐時間；

（2） 電路中Buck和Boost功能相互獨立運行，既能像經(jīng)典Buck?Boost電路那樣實現(xiàn)升降壓變換功能，又避免了經(jīng)典Buck?Boost拓?fù)潆娐泛透哳l鏈逆變?整流電路因系統(tǒng)級聯(lián)多而帶來的系統(tǒng)損耗增加、控制復(fù)雜和可靠性降低的問題。

不足之處有：

（1） 只要變頻器?電機系統(tǒng)處于工作狀態(tài)下，升降壓變換系統(tǒng)始終工作在變壓模式。相對而言，實際DC?BANK系統(tǒng)支撐時間極短，系統(tǒng)始終處于待機狀態(tài)時，存在一定的損耗，這也是無升降壓變換的直接并聯(lián)方案簡單實用之處。

（2） 由于電路將480～600 V左右電壓變壓至530 V輸出，在各自獨立的升壓或降壓模式下，控制PWM波占空比工作在接近0（0～10%）或接近1（90%～100%）的狀態(tài)[6]。值得注意的是，雖然這種電路要求在模擬電路中實現(xiàn)有一定困難，但是數(shù)字電路的普及使之容易實現(xiàn)。此外，升降壓變換系統(tǒng)恒0或恒1的狀態(tài)仍然可取，僅是VT2恒通或VT1恒斷的情況；

（3） 蓄電池組的串聯(lián)充電均充問題是由于蓄電池單體之間內(nèi)阻不同，同樣，使用中的放電過程也會存在類似情況，如何避免使用過程中單個蓄電池過放也是選擇放電終止時間t4或設(shè)計保護(hù)電路的參考；

如果方案應(yīng)用于實際DC?BANK系統(tǒng)中，還應(yīng)充分考慮增設(shè)通信模塊、鍵盤控制、液晶顯示及友好的人機交互界面的設(shè)計等。

參考文獻(xiàn)

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