新型三相應(yīng)急電源的分析

2020-05-06 10:50:34許鑫

通信電源技術(shù) 2020年24期

許鑫

（國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建福州 350001）

0 引言

在信息化和現(xiàn)代化技術(shù)不斷發(fā)展的時代背景下，電能發(fā)揮了重要的作用，要結(jié)合實際應(yīng)用需求落實合理的預(yù)控機制，提高應(yīng)急電源的應(yīng)用效能，從而減少停電產(chǎn)生的不良影響，為市電體系化管控工作的順利落實奠定堅實基礎(chǔ)。

1 應(yīng)急電源概述

應(yīng)急電源系統(tǒng)指的就是在應(yīng)用電力電子器件和逆變技術(shù)的基礎(chǔ)上，配合高電子集成模塊形成的強電與弱電一體化的應(yīng)急處理系統(tǒng)，能在較為緊急的狀態(tài)下承接負荷第二電源和第三電源供給工作，避免長時間斷電造成不良影響。

1.1 特點

應(yīng)急電源本身是應(yīng)急型電源系統(tǒng)，因此在整個電網(wǎng)常規(guī)化正常運行狀態(tài)時，應(yīng)急電源處于靜態(tài)，具有節(jié)能特質(zhì)。其是為了避免因突然或者是臨時性停電造成電源供給不足的系統(tǒng)設(shè)備，因此無需操作人員值守，能在電網(wǎng)供電及應(yīng)急電源供電兩種模式中間有效建立自由切換，一般時長控制在0.1～0.25 s之間。從物理特性層面分析，應(yīng)急電源本身是正弦波供電系統(tǒng)，因此具有電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定的特質(zhì)，無噪聲。在安裝應(yīng)急電源的過程中，技術(shù)部門無需刻意進行主接線的設(shè)計變更，利用對應(yīng)設(shè)備就能有效替代原有產(chǎn)品設(shè)施。同時，應(yīng)急電源的帶載效果較好，能實現(xiàn)感性電流、容性電流以及綜合性電流的負載處理，基于此將應(yīng)急電源應(yīng)用在照明設(shè)施、水泵設(shè)施以及消防電梯設(shè)施等方面具有較好的應(yīng)用效果。此外，應(yīng)急電源能在較為惡劣的環(huán)境中使用，并且應(yīng)用可靠性較高，一般的應(yīng)急電源都是雙機熱備處理模式，使用壽命在20年左右[1]。

1.2 分類

目前，較為常見的應(yīng)急電源主要分為以下3種。

1.2.1 照明類應(yīng)急電源

應(yīng)用較為廣泛的是單相電源，一般在一些大型商超和辦公樓等實現(xiàn)集中供電?；镜墓╇娤到y(tǒng)見圖1，在輸入電源處于正常狀態(tài)時，市電會借助轉(zhuǎn)換裝置完成日常照明管理。對應(yīng)的另一路則是借助充電器完成電池組的充電處理，此時檢測數(shù)據(jù)異?；蛘呤侵袛啵孀兤骶湍芙邮盏絾有盘?，保證了裝置互換。

圖1 照明類應(yīng)急電源示意圖

1.2.2 混合負載類應(yīng)急電源

一般是應(yīng)用在負載結(jié)構(gòu)和應(yīng)用性質(zhì)較為復(fù)雜的區(qū)域，如醫(yī)院和高層酒店等，照明型負載結(jié)構(gòu)或者是動力型負載結(jié)構(gòu)較多，因此多數(shù)都是三相模式。

1.2.3 電機專用應(yīng)急電源

電機專用應(yīng)急電源供電系統(tǒng)如圖2所示，這種應(yīng)急電源會應(yīng)用在特設(shè)負載模式中，主要是為了減少電機起動產(chǎn)生較大電流造成的設(shè)備損毀，常見的應(yīng)用場所就是消防水泵和電梯等。出于安全和技術(shù)要求的綜合考量，一般都是單路輸出模式，借助三相輸入市電逆變器整流處理形成直流電，并且匹配對應(yīng)的充電器完成電池組充電。在輸入電流出現(xiàn)異?；蛘呤峭蝗恢袛嗪?，應(yīng)急電源內(nèi)部就能建立直輸通道，從而有效為變頻器提供對應(yīng)的直流電。需要注意的是，若是電機處于負載工作狀態(tài)，則會直接送給變頻器進行信號的啟動匯總，涉及運行信號和遠程控制信號。變頻的實際范圍從0～50 Hz，達到50 Hz為止[2]。

圖2 電機專用應(yīng)急電源供電系統(tǒng)示意圖

2 三相應(yīng)急電源結(jié)構(gòu)和工作原理

在三相應(yīng)急電源應(yīng)用過程中，利用蓄電池等組成部分有效建立定向的能量流動處理機制，完成蓄電池充電和蓄電池放電。在整個電網(wǎng)處于正常運行狀態(tài)時，借助靜態(tài)開關(guān)就能完成電路負載供電應(yīng)用，另一路電流要借助雙向PWM變流器處理然后交由雙向DC/DC變換器控制，保證充電合理性，在完成交流電壓轉(zhuǎn)換后就能為三相應(yīng)急電源提供較為充足的動力。

2.1 雙向PWM變流器結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1.1 整流狀態(tài)

在三相應(yīng)急電源供電系統(tǒng)中，要想發(fā)揮實時性控制作用，就要關(guān)注整流環(huán)節(jié)，不僅能提供較為穩(wěn)定的直流電源，而且還能為蓄電池組予以實時性充電。在市電處于穩(wěn)定運行的狀態(tài)時，雙向PWM變流器利用整流作用將三相交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷?，借助三相全控整流器就能完成直流電的控制管理。這種方式最大的優(yōu)勢在于能實現(xiàn)輸入電流的正弦化處理，并且避免大量諧波污染對電源造成的影響，為輸入功率因數(shù)的管理提供保障。與此同時，整流狀態(tài)的紋波幅值數(shù)值不大，這就大大縮小了直流濾波器的體系，節(jié)省空間[3]。

2.1.2 逆變狀態(tài)

雙向PWM變流器的逆變輸出模式中，電壓型半橋逆變器和輸出濾波器是主要的元件。其中，逆變器發(fā)揮非常重要的作用，決定了輸出電壓的質(zhì)量，也對應(yīng)急電源系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。之所以利用三相半橋結(jié)構(gòu)就是為了建立基于中線的三相四線制結(jié)構(gòu)，逆變器和容量較大的電容連接能有效減少中點電位漂移問題造成的不良影響。值得一提的是，新型三相應(yīng)急電源能大大避免傳統(tǒng)EPS電路運行的問題，在簡化傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的同時還能減少設(shè)備的運行成本。

2.2 雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)和工作原理

在整個應(yīng)急電源系統(tǒng)中，雙向DC/DC變換器對蓄電池的充電具有相關(guān)作用，利用拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)變換，匹配的有源元器件的導(dǎo)通損耗并不大，但是其效率較高。借助直流端穩(wěn)壓電容、濾波電源以及二極管等完成組成處理模式，其主要表現(xiàn)形式為升壓模式和降壓模式。在常規(guī)化運行狀態(tài)中，雙向DC/DC變換器的兩個功率器件中只有一個開關(guān)處于運行狀態(tài)，若是升壓交換器模式運行時，功率開關(guān)T8處于運行狀態(tài)，T7開關(guān)截止，而在系統(tǒng)從工作轉(zhuǎn)變?yōu)榻祲鹤儞Q模式后，功率開關(guān)T7工作，T8停止運行。為了滿足不同交換器交替運行的流暢性，功率開關(guān)器件的驅(qū)動信號作為對應(yīng)動作的標志，待其中一個完全關(guān)閉后，另一個才能實時開通。

圖3 電路實時運行示意圖

2.2.1 升壓變換模式

電網(wǎng)出現(xiàn)運行故障，整個系統(tǒng)的蓄電池處于放電狀態(tài)，此時雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)升壓模式利用PWM方式完成工作。T8導(dǎo)通狀態(tài)，二極管T7反偏截止?fàn)顟B(tài)，此時輸出電容呈現(xiàn)放電狀態(tài)，完成負載能量處理工作。T8關(guān)掉，電感L此時的電流無法形成突變狀態(tài)，則會感應(yīng)出極性相反的自感電勢，以維持D7的導(dǎo)通續(xù)流[4]。

2.2.2 降壓變換模式

在電網(wǎng)運行處于正常狀態(tài)下，雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)的電路處于降壓模式，電感L和T7以及續(xù)流二極管處于平穩(wěn)運行狀態(tài)。T7導(dǎo)通狀態(tài)，二極管D8就會進入反偏截止?fàn)顟B(tài)，電感L電壓數(shù)值為Udc-U0（圖4），因為Udc＞U0，因此電感電流呈現(xiàn)出線性增長趨勢，電能會在運行過程中轉(zhuǎn)變?yōu)槟艽鎯Φ哪芰浚行瓿尚铍姵亟M充電工作。T7截止時，電感L的電流無法形成突變結(jié)構(gòu)，電感L會獲取極性相反的自感電勢參數(shù)，二極管D8導(dǎo)通續(xù)流開始。基于此，調(diào)整T7占空比和電壓參數(shù)，確保蓄電池組充電電流的穩(wěn)定性[5]。

圖4 T7導(dǎo)通狀態(tài)

3 三相逆變器電路控制模式

3.1 基礎(chǔ)模式

基于控制算法建立對應(yīng)坐標系，判定穩(wěn)態(tài)時不同變量在坐標系中的位置，然后借助PI調(diào)節(jié)器分析穩(wěn)態(tài)誤差控制工作?；A(chǔ)性的控制部分是傳統(tǒng)的雙環(huán)控制模式，其中外環(huán)是電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，結(jié)合兩環(huán)之間的電壓反饋差就能獲得對應(yīng)處理方案。另外，三相逆變器的開關(guān)模式會借助PWM進行調(diào)制處理，提升直流母線的電壓利用效率[6]。

PI調(diào)節(jié)器完成仿真模擬處理的公式為：

式中，u(t)表示的是調(diào)節(jié)器的輸出信號；e(t)表示的是調(diào)節(jié)器的偏差信號；Kp表示的是比例系數(shù)；KI表示的是積分系數(shù)。配合計算機數(shù)字量分析，就能建立離散化處理模式。

逆變器控制策略將提高逆變器輸出電壓穩(wěn)態(tài)參數(shù)和動態(tài)性能參數(shù)作為關(guān)鍵，利用電壓有效值反饋控制、電壓瞬時值反饋控制以及電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制等策略維持綜合應(yīng)用水平[7]。

3.2 應(yīng)急電源的數(shù)字鎖相技術(shù)

為了有效避免應(yīng)急電源應(yīng)用管理的不合理問題，要結(jié)合市電管理要求，維持市電供電和逆變器供電相互切換的目的，維持安全性，借助逆變器輸出電壓和市電電壓鎖相同步的特點整合芯片處理機制，在滿足電壓頻率精度要求的同時按照50 Hz基準頻率輸出進行校對分析。

第一，調(diào)整應(yīng)急電源輸出電壓，市電電壓和EPS電壓都按照正弦規(guī)律變化獲取，若是要實現(xiàn)鎖相處理目標，就要滿足 sin (ω1t±θ)=sinωEPSt。一般而言，決定其周期的是逆變器正弦波頻率和市電頻率的比值。

第二，結(jié)合載波計數(shù)器k值的變化進行區(qū)分。在k=0時表示三相電源逆變器的輸出電壓和市電維持一致性。在k＜100時表示三相電源逆變器輸出電壓相位超出市電的基礎(chǔ)數(shù)值，在k＞100時表示三相電源逆變器輸出電壓相位滯后于市電的基礎(chǔ)數(shù)值[8-10]。