新型EPS電源工作過程及仿真研究
1 傳統(tǒng)EPS應(yīng)急電源
工程供電設(shè)計中對于一、二類重要負(fù)荷需要考慮供電連續(xù)性的措施。除了雙電源，雙回路供電外，還需配有應(yīng)急電源。應(yīng)急電源是與電網(wǎng)在電氣上獨立的各種電源，包括柴油發(fā)電機組和蓄電池，其中蓄電池又分為。EPS(Emergen-cy Power Supply)和UPS(Uninterruptable Power System)。
EPS應(yīng)急電源是以CPU為核心，加上整流充電模塊、逆變放電模塊、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)的強弱電一體化系統(tǒng)，是一種高科技環(huán)保產(chǎn)品。他在緊急的情況下作為重要負(fù)荷的第二或第三電源供給，可望替代不少場合的柴油發(fā)電機組和UPS。采用智能芯片控制，維護(hù)簡單，自動操作，市電異常時，一般指市電小于187 V或高于242 V，自動切換，切換時間小于0.5 s，可無人值守；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。主要適用于電梯、消防、安防、應(yīng)急照明、醫(yī)院手術(shù)室和實驗室等重要場合。傳統(tǒng)的EPS采用后備式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
當(dāng)市電正常供電，切換開關(guān)Ks接通市電，應(yīng)急電源處于整流狀態(tài)，蓄電池浮充，逆變電路不工作。當(dāng)市電異常時，切換開關(guān)接通逆變電路，應(yīng)急電源進(jìn)入逆變放電過程，并停止充電；同時，檢測蓄電池組端電壓，當(dāng)端電壓小于放電終止電壓時，蓄電池放電完畢，停止放電。再加上蓄電池組過壓、欠壓保護(hù)；輸出交流過壓、過流、高溫、短路保護(hù)等功能就組成了傳統(tǒng)EPS應(yīng)急電源的全部功能。
2 新型EPS應(yīng)急電源
根據(jù)傳統(tǒng)的EPS應(yīng)急電源，任何時候充電電路與逆變電路都只有一個電路工作，是一種互斥關(guān)系，而且需要配置兩套驅(qū)動電路，分別驅(qū)動整流橋和逆變橋。在結(jié)構(gòu)上有一定的臃腫，控制復(fù)雜、功耗大、成本高。充電電路與放電電路都是由IGBT及二極管組成的橋路，他們的驅(qū)動電路都是IGBT驅(qū)動芯片及其一些外圍電路組成，結(jié)構(gòu)完全相同。新型EPS就是把充電、放電兩部分電路合為一體，結(jié)構(gòu)簡單，控制簡易，系統(tǒng)可靠性也相對提高，更重要的是產(chǎn)品成本低，功耗也相對減少一半。PWM整流器是其重要理論依據(jù)和出發(fā)點。
2.1 PWM整流器的特點
PWM整流器采用全控型開關(guān)管取代傳統(tǒng)的半控型開關(guān)管或二極管，以PWM斬控整流取代了相近整流或不控整流，具有以下幾大優(yōu)良性能：
(1) 交流側(cè)電流正弦波；
(2) 交流側(cè)功率因數(shù)可控(如單位功率因數(shù)控制)；
(3) 電能雙向傳輸；
(4) 較快的動態(tài)控制響應(yīng)。
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變換器了，當(dāng)PWM整流器從電網(wǎng)吸收電能時，其運行于整流工作狀態(tài)，作為整流器工作；而當(dāng)PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，其運行于逆變狀態(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。具體工作原理不做詳細(xì)介紹。
2.2 新型EPS工作原理
新型的EPS應(yīng)急電源工作原理如圖2所示：
可以看出，他也是后備式電源。在結(jié)構(gòu)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。他能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的EPS寬／放電的功能，具體的工作過程是這樣的：當(dāng)市電正常時，Ks合并，即市電同時給負(fù)載和電池供電，PWM整流器工作于整流狀態(tài)，蓄電池浮充。當(dāng)市電異常時，為了防止電能回饋電網(wǎng)，Ks斷開，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。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(guān)閉PWM整流器。應(yīng)該重新充電才能重新使用。由于PWM整流器能夠進(jìn)行控制功率因數(shù)，所以給定電流信號應(yīng)與電網(wǎng)電壓同相(整流)，或者反向(逆變)，實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，凈化電網(wǎng)，提高效率。
3 新型EPS工作過程及仿真
3.1 新型EPS工作過程分析
新型EPS的功能應(yīng)該滿足傳統(tǒng)EPS的功能和蓄電池的充電要求。這里所說的蓄電池是指閥控鉛酸蓄電池。蓄電池理想充電電流是指數(shù)下降的。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。當(dāng)市電異常時，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)，即無源逆變過程。
蓄電池在使用過程中，容量是不斷下降的，當(dāng)電池容量衰減至初始值的80％時，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。所以電池容量檢測是至關(guān)重要的。根據(jù)PWM整流器能量雙向傳輸?shù)膬?yōu)點，可以采用放電法進(jìn)行容量檢測，并把所放出來的電放回電網(wǎng)，既安全，又高效。具體的過程是這樣的：
當(dāng)系統(tǒng)工作過程轉(zhuǎn)入容量檢測過程后，控制放電電流為一恒定負(fù)值I*(充電方向為正)。此時，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)。當(dāng)電流穩(wěn)定到給定值I*后，開始計時。同時，循環(huán)檢測各單節(jié)電池電壓，有任一個單節(jié)電池電壓低于規(guī)定值時，放電完畢，讀取放電時間T。那么電池容量就是I*·T(安時)。當(dāng)測量完成后，馬上對蓄電池進(jìn)行充電，減少電網(wǎng)突然斷電的危險性。
可見，新型EPS的工作過程可分為5種：恒流充電過程、恒壓充電過程、浮充過程、無源逆變過程和有源逆變過程。其中恒壓充電過程與浮充過程的控制方案是相同的，電壓給定值不同；恒流充電過程與有源逆變過程的控制方案也是相同的，他們最大區(qū)別是電流給定值相反，大小也不相同；無源逆變過程則是一般的電池逆變過程，只要控制輸出電壓的頻率和幅值。
3.2 工作過程仿真分析
根據(jù)新型EPS五個工作過程的特點，簡要闡述各個過程的控制方案。利用Matlab的Simulink強大的仿真能力，對各個工作過程進(jìn)行仿真，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)行簡單分析。
3.2.1 恒壓充電與浮充仿真分析
恒壓充電與浮充的控制系統(tǒng)采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，即電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，電壓外環(huán)采用PI凋節(jié)，使蓄電池的端電壓跟蹤給定電壓值。內(nèi)環(huán)采用P調(diào)節(jié)，進(jìn)行電流正弦波和高功率因數(shù)控制。
蓄電池在充電過程中，對電網(wǎng)來說，蓄電池是一個負(fù)載，高功率閃數(shù)控制時，PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流跟蹤電壓信號。從圖3和圖4中可以看出，蓄電池充電初期，電流幅值較大，當(dāng)t=0.1 s時。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，蓄電池有短暫的放電過程，即t=0.25 s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。
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系統(tǒng)也是由雙環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)(交流)，采用P調(diào)節(jié)，達(dá)到交流側(cè)的電流為正弦波和高功率因數(shù)，而外環(huán)仍然是電流環(huán)(直流)，采用PI調(diào)節(jié)，控制直流側(cè)的電流跟蹤給定信號，實現(xiàn)恒流充電或者有源逆變功能。
圖5和圖6是40 A的恒流充電到40 A的有源逆變仿真的電壓／電流波形。在恒流充電過程，交流側(cè)電壓與電流同相，蓄電池吸收電網(wǎng)能量；在有源逆變過程，交流側(cè)電壓與電流反相，蓄電池給電網(wǎng)供電，放電電流基本恒定，可以進(jìn)行蓄電池容量測量。
3.2.3 無源逆變仿真分析
無源逆變即蓄電池給負(fù)載供電的過程。跟其他一般逆變控制方法相同，控制輸出電壓的頻率與幅值不變。從圖7可以看出，當(dāng)t=0.2 s時，并聯(lián)一個電阻，模擬負(fù)載的擾動，逆變電壓的波形基本不變，可見逆變電源有一定的帶負(fù)載能力，魯棒性較好。
4 結(jié) 語
根據(jù)PWM整流器的優(yōu)點所設(shè)計的新型EPS應(yīng)急電源實現(xiàn)了蓄電池管理的自動化和數(shù)字化。對提高后備電源系統(tǒng)的安全運行、可靠性和延長蓄電池的使用壽命也有著十分重要的意義。通過對新型EPS應(yīng)急電源的各個工作過程的分析和仿真，對新型EPS具有更加全面、更加深入的認(rèn)識，是進(jìn)一步研究和設(shè)計的基礎(chǔ)，在深入研究中發(fā)揮重要作用。
工程供電設(shè)計中對于一、二類重要負(fù)荷需要考慮供電連續(xù)性的措施。除了雙電源，雙回路供電外，還需配有應(yīng)急電源。應(yīng)急電源是與電網(wǎng)在電氣上獨立的各種電源，包括柴油發(fā)電機組和蓄電池，其中蓄電池又分為。EPS(Emergen-cy Power Supply)和UPS(Uninterruptable Power System)。
EPS應(yīng)急電源是以CPU為核心，加上整流充電模塊、逆變放電模塊、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)的強弱電一體化系統(tǒng)，是一種高科技環(huán)保產(chǎn)品。他在緊急的情況下作為重要負(fù)荷的第二或第三電源供給，可望替代不少場合的柴油發(fā)電機組和UPS。采用智能芯片控制，維護(hù)簡單，自動操作，市電異常時，一般指市電小于187 V或高于242 V，自動切換，切換時間小于0.5 s，可無人值守；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。主要適用于電梯、消防、安防、應(yīng)急照明、醫(yī)院手術(shù)室和實驗室等重要場合。傳統(tǒng)的EPS采用后備式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
當(dāng)市電正常供電，切換開關(guān)Ks接通市電，應(yīng)急電源處于整流狀態(tài)，蓄電池浮充，逆變電路不工作。當(dāng)市電異常時，切換開關(guān)接通逆變電路，應(yīng)急電源進(jìn)入逆變放電過程，并停止充電；同時，檢測蓄電池組端電壓，當(dāng)端電壓小于放電終止電壓時，蓄電池放電完畢，停止放電。再加上蓄電池組過壓、欠壓保護(hù)；輸出交流過壓、過流、高溫、短路保護(hù)等功能就組成了傳統(tǒng)EPS應(yīng)急電源的全部功能。
2 新型EPS應(yīng)急電源
根據(jù)傳統(tǒng)的EPS應(yīng)急電源，任何時候充電電路與逆變電路都只有一個電路工作，是一種互斥關(guān)系，而且需要配置兩套驅(qū)動電路，分別驅(qū)動整流橋和逆變橋。在結(jié)構(gòu)上有一定的臃腫，控制復(fù)雜、功耗大、成本高。充電電路與放電電路都是由IGBT及二極管組成的橋路，他們的驅(qū)動電路都是IGBT驅(qū)動芯片及其一些外圍電路組成，結(jié)構(gòu)完全相同。新型EPS就是把充電、放電兩部分電路合為一體，結(jié)構(gòu)簡單，控制簡易，系統(tǒng)可靠性也相對提高，更重要的是產(chǎn)品成本低，功耗也相對減少一半。PWM整流器是其重要理論依據(jù)和出發(fā)點。
2.1 PWM整流器的特點
PWM整流器采用全控型開關(guān)管取代傳統(tǒng)的半控型開關(guān)管或二極管，以PWM斬控整流取代了相近整流或不控整流，具有以下幾大優(yōu)良性能：
(1) 交流側(cè)電流正弦波；
(2) 交流側(cè)功率因數(shù)可控(如單位功率因數(shù)控制)；
(3) 電能雙向傳輸；
(4) 較快的動態(tài)控制響應(yīng)。
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變換器了，當(dāng)PWM整流器從電網(wǎng)吸收電能時，其運行于整流工作狀態(tài)，作為整流器工作；而當(dāng)PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，其運行于逆變狀態(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。具體工作原理不做詳細(xì)介紹。
2.2 新型EPS工作原理
新型的EPS應(yīng)急電源工作原理如圖2所示：
可以看出，他也是后備式電源。在結(jié)構(gòu)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。他能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的EPS寬／放電的功能，具體的工作過程是這樣的：當(dāng)市電正常時，Ks合并，即市電同時給負(fù)載和電池供電，PWM整流器工作于整流狀態(tài)，蓄電池浮充。當(dāng)市電異常時，為了防止電能回饋電網(wǎng)，Ks斷開，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。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(guān)閉PWM整流器。應(yīng)該重新充電才能重新使用。由于PWM整流器能夠進(jìn)行控制功率因數(shù)，所以給定電流信號應(yīng)與電網(wǎng)電壓同相(整流)，或者反向(逆變)，實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，凈化電網(wǎng)，提高效率。
3 新型EPS工作過程及仿真
3.1 新型EPS工作過程分析
新型EPS的功能應(yīng)該滿足傳統(tǒng)EPS的功能和蓄電池的充電要求。這里所說的蓄電池是指閥控鉛酸蓄電池。蓄電池理想充電電流是指數(shù)下降的。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。當(dāng)市電異常時，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)，即無源逆變過程。
蓄電池在使用過程中，容量是不斷下降的，當(dāng)電池容量衰減至初始值的80％時，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。所以電池容量檢測是至關(guān)重要的。根據(jù)PWM整流器能量雙向傳輸?shù)膬?yōu)點，可以采用放電法進(jìn)行容量檢測，并把所放出來的電放回電網(wǎng)，既安全，又高效。具體的過程是這樣的：
當(dāng)系統(tǒng)工作過程轉(zhuǎn)入容量檢測過程后，控制放電電流為一恒定負(fù)值I*(充電方向為正)。此時，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)。當(dāng)電流穩(wěn)定到給定值I*后，開始計時。同時，循環(huán)檢測各單節(jié)電池電壓，有任一個單節(jié)電池電壓低于規(guī)定值時，放電完畢，讀取放電時間T。那么電池容量就是I*·T(安時)。當(dāng)測量完成后，馬上對蓄電池進(jìn)行充電，減少電網(wǎng)突然斷電的危險性。
可見，新型EPS的工作過程可分為5種：恒流充電過程、恒壓充電過程、浮充過程、無源逆變過程和有源逆變過程。其中恒壓充電過程與浮充過程的控制方案是相同的，電壓給定值不同；恒流充電過程與有源逆變過程的控制方案也是相同的，他們最大區(qū)別是電流給定值相反，大小也不相同；無源逆變過程則是一般的電池逆變過程，只要控制輸出電壓的頻率和幅值。
3.2 工作過程仿真分析
根據(jù)新型EPS五個工作過程的特點，簡要闡述各個過程的控制方案。利用Matlab的Simulink強大的仿真能力，對各個工作過程進(jìn)行仿真，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)行簡單分析。
3.2.1 恒壓充電與浮充仿真分析
恒壓充電與浮充的控制系統(tǒng)采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，即電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，電壓外環(huán)采用PI凋節(jié)，使蓄電池的端電壓跟蹤給定電壓值。內(nèi)環(huán)采用P調(diào)節(jié)，進(jìn)行電流正弦波和高功率因數(shù)控制。
蓄電池在充電過程中，對電網(wǎng)來說，蓄電池是一個負(fù)載，高功率閃數(shù)控制時，PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流跟蹤電壓信號。從圖3和圖4中可以看出，蓄電池充電初期，電流幅值較大，當(dāng)t=0.1 s時。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，蓄電池有短暫的放電過程，即t=0.25 s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。
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系統(tǒng)也是由雙環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)(交流)，采用P調(diào)節(jié)，達(dá)到交流側(cè)的電流為正弦波和高功率因數(shù)，而外環(huán)仍然是電流環(huán)(直流)，采用PI調(diào)節(jié)，控制直流側(cè)的電流跟蹤給定信號，實現(xiàn)恒流充電或者有源逆變功能。
圖5和圖6是40 A的恒流充電到40 A的有源逆變仿真的電壓／電流波形。在恒流充電過程，交流側(cè)電壓與電流同相，蓄電池吸收電網(wǎng)能量；在有源逆變過程，交流側(cè)電壓與電流反相，蓄電池給電網(wǎng)供電，放電電流基本恒定，可以進(jìn)行蓄電池容量測量。
3.2.3 無源逆變仿真分析
無源逆變即蓄電池給負(fù)載供電的過程。跟其他一般逆變控制方法相同，控制輸出電壓的頻率與幅值不變。從圖7可以看出，當(dāng)t=0.2 s時，并聯(lián)一個電阻，模擬負(fù)載的擾動，逆變電壓的波形基本不變，可見逆變電源有一定的帶負(fù)載能力，魯棒性較好。
4 結(jié) 語
根據(jù)PWM整流器的優(yōu)點所設(shè)計的新型EPS應(yīng)急電源實現(xiàn)了蓄電池管理的自動化和數(shù)字化。對提高后備電源系統(tǒng)的安全運行、可靠性和延長蓄電池的使用壽命也有著十分重要的意義。通過對新型EPS應(yīng)急電源的各個工作過程的分析和仿真，對新型EPS具有更加全面、更加深入的認(rèn)識，是進(jìn)一步研究和設(shè)計的基礎(chǔ)，在深入研究中發(fā)揮重要作用。
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