基于高頻整流模式新型ＥＰＳ及工作原理分析

摘 要:EPS作為一種可靠的綠色應急供電電源，在電梯#65380;消防#65380;應急照明等場合發揮重要作用#65377;根據PWM整流器能量雙向傳輸的特點，發展新型EPS應急電源在消防電源中的應用，其充電#65380;放電都由PWM整流器完成#65377;新型EPS應急電源優化傳統EPS電源的結構和控制策略，提高消防電源的效率和管理信息化程度#65377;對新型EPS應急電源的工作原理進行深入的分析，針對直接電流雙環PID控制策略在MATLAB環境下進行仿真研究，并對仿真結果進行扼要的分析#65377;

關鍵詞:EPS;PWM整流器;蓄電池;電源;MATLAB

中圖分類號:TP15文獻標識碼:A

1 EPS應急電源

工程供電設計中對于一#65380;二類重要負荷需要考慮供電連續性的措施#65377;除了雙電源，雙回路供電外，還需配有應急電源#65377;應急電源是與電網在電氣上獨立的各種電源，包括柴油發電機組和蓄電池，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構的強弱電一體化系統，是一種高科技環保產品#65377;它在緊急的情況下作為重要負荷的第二或第三電源供給，可望替代不少場合的柴油發電機組和UPS#65377;其特點是，采用智能芯片控制，維護簡單，自動操作，市電異常時，一般指市電小于187V或高于242V，自動切換，切換時間小于0.5S，可無人值守;采用IGBT逆變橋PWM控制，供電電壓穩定，逆變頻率穩定，波形好;平時處于睡眠狀態(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;應急照明#65380;醫院手術室和實驗室等重要場合#65377;傳統的EPS采用后備式結構，如圖1所示:

計算技術與自動化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代電力電子技術的發展，高頻技術的不斷成熟，新型EPS應急電源悄然落地#65377;圖2是新型EPS應急電源的原理圖#65377;可以看出，它也是后備式電源#65377;在結構上“充電電路”與“逆變電路”合并為一個整流/逆變電路，即PWM整流器#65377;它能夠實現傳統的EPS充/放電的功能，具體的工作過程是這樣的:當市電正常時，Ks合并，即市電同時給負載和電池供電，PWM整流器工作于整流狀態，蓄電池浮充#65377;當市電異常時， Ks斷開，由電池給負載供電，PWM整流器工作于逆變狀態，蓄電池放電#65377;同時，檢測蓄電池端電壓，直到端電壓下降到放電終止電壓時，即蓄電池放電完畢，自動關閉PWM整流器#65377;

2 新型EPS應急電源理論基礎

新型EPS應急電源是以IGBT變換器為基礎，高頻整流技術為理論根據發展起來的#65377;高頻整流技術，即PWM整流器，采用全控型開關管取代傳統的半控型開關管或二極管，以PWM斬控整流取代了相控整流或不控整流，具有以下幾大優點:

1) 電能雙向傳輸#65377;

2) 交流側電流為正弦波#65377;

3) 整流時，交流側功率因數可控(如單位功率因數控制)#65377;

4) 較快的動態控制響應#65377;

顯然，由于電能的雙向傳輸，PWM整流器就已經不是傳統意義上的AC/DC或DC/AC變換器了，當PWM整流器從電網吸收電能時，其運行于整流工作狀態，作為整流器工作;而當PWM整流器向電網傳輸電能時，其運行于逆變狀態，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為電網電壓，L是網側電感，R是網側等效電阻#65377;交流側電壓具有如下關系

E=VL+RI+V (V為變換器交流側電壓)

在穩態條件下，各電壓的矢量關系如圖4所示#65377;電網電壓E作為實軸坐標系，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就可以進行網側功率因數控制，當電流矢量I在第一#65380;四相限時，有IEcosφ>0，PWM整流器吸收電網有功功率，此時PWM整流器是真正意義的整流器;當電流矢量I在第二#65380;三相限時，有IEcosφ<0，PWM整流器則向電網提供有功功率，此時，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(整流/逆變)和功率因數#65377;電流|I|一定時，|VL|也一定，忽略R的影響，電壓矢量關系如圖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的功能應該滿足傳統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下降的^[1]，這里所說的蓄電池是指應用在消防電源中的閥控鉛酸蓄電池#65377;一般情況下，蓄電池的充電過程可分恒流充電，恒壓充電和浮充三個過程#65377;當市電異常時，蓄電池放電給負載供電，PWM整流器進入逆變放電狀態，即無源逆變過程#65377;

蓄電池在使用過程中，容量是不斷下降的，當電池容量衰減至初始值的80%時，進入快速失效期，容量衰減加快，普遍認為容量低于初始值的80%的蓄電池為失效電池^[2]#65377;所以電池容量檢測是至關重要的#65377;根據PWM整流器能量雙向傳輸的優點，可以采用放電法進行容量檢測，并把所放出來的電放回電網，既安全，又高效#65377;具體的過程是這樣的:

當系統工作過程轉入容量檢測過程后，控制放電電流為一恒定負值I(充電方向為正)#65377;此時，蓄電池作為電源，電網作為負載，PWM整流器工作在有源逆變狀態#65377;當電流穩定到給定值I后，開始計時#65377;同時，循環檢測各單節電池電壓，有任一個單節電池電壓低于規定值時，放電完畢，讀取放電時間T#65377;那么電池容量就是I*T(安時)#65377;當測量完成后，馬上對蓄電池進行充電，減少電網突然斷電的危險性#65377;

可見，新型EPS的工作過程可分為如下五種:恒流充電過程#65380;恒壓充電過程#65380;浮充過程#65380;無源逆變過程和有源逆變過程#65377;

3.2 工作原理仿真分析

根據新型EPS五個工作過程的特點，下面采用直接電流雙環PID控制方案，利用MATLAB的Simulink強大的仿真功能，對各個工作過程進行仿真研究，給出PWM整流器直流側與交流側的電壓/電流仿真波形圖，并進行簡單分析#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環和直流電壓外環的雙環結構，只是參數不一樣，結構完全一樣，在此，就不分開討論#65377;圖6是仿真結構圖#65377;蓄電池在充電過程中，對電網來說，蓄電池是一個負載，位功率因數控制時，PWM整流器網側電流跟蹤電壓信號#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t=0.1s時，電流幅值減少，蓄電池端電壓達到穩態值;當蓄電池由恒壓充電到浮充電(電壓稍降)時，蓄電池有短暫的放電過程，即t=0.25s處電流與電壓反相;蓄電池進入浮充狀態后，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環和直流電流外環的由雙環結構，也一起討論#65377;圖9是仿真結構圖#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;在恒流充電過程中，交流側電壓與電流同相，蓄電池吸收電網能量;在有源逆變過程，交流側電壓與電流反相，蓄電池給電網供電，控制放電電流為一給定值，可以進行蓄電池容量測量#65377;

3.2.3 無源逆變仿真分析

無源逆變即電網異常時蓄電池給負載的供電過程，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定#65377;圖12是無源逆變仿真結構圖，圖13是無源逆變時逆變輸出的電壓/電流波型#65377;從圖中可以看出，當t=0.2s時，并聯一個電阻負載，模擬負載的擾動，逆變電壓的波形也基本不變，可見逆變電源有一定的帶負載能力，魯棒性較好，達到理想的控制效果#65377;

圖12 無源逆變仿真結構圖[JZ)]

圖13 無源逆變輸出電壓/電流波形[JZ)]

4 結束語

新型EPS應急電源提高了蓄電池管理的自動化水平和信息化程度#65377;對提高后備電源系統的安全運行#65380;可靠性和延長蓄電池的使用壽命都有著十分重要的意義#65377;通過對新型EPS應急電源結構和原理的分析，并就其工作原理進行仿真研究，使讀者對新型EPS具有更加全面#65380;更加具體#65380;更加深入的認識#65377;本文是對新型EPS作進一步研究或設計的基礎#65377;新型EPS應急電源在其它領域的應用中同樣具有重要意義#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。