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新型EPS电源工作过程及仿真研究
发布时间:2010-10-7  浏览次数:1130 次  来源:上海愈翼电气科技有限公司

1 传统EPS应急电源

    工程供电设计中对于一、二类重要负荷需要考虑供电连续性的措施。除了双电源,双回路供电外,还需配有应急电源。应急电源是与电网在电气上独立的各种电源,包括柴油发电机组和蓄电池,其中蓄电池又分为。EPS(Emergen-cy Power Supply)和UPS(Uninterruptable Power System)。

   EPS应急电源是以CPU为核心,加上整流充电模块、逆变放电模块、旁路切换模块和蓄电池组成的智能供电模块,采用电子集成模块化结构的强弱电一体化系统,是一种高科技环保产品。他在紧急的情况下作为重要负荷的第二或第三电源供给,可望替代不少场合的柴油发电机组和UPS。采用智能芯片控制,维护简单,自动操作,市电异常时,一般指市电小于187 V或高于242 V,自动切换,切换时间小于0.5 s,可无人值守;采用IGBT逆变桥PWM控制,供电电压稳定,逆变频率稳定,波形好;平时处于睡眠状态(浮充),逆变桥不工作,电能损耗小,放电效率高。主要适用于电梯、消防、安防、应急照明、医院手术室和实验室等重要场合。传统的EPS采用后备式结构,如图1所示。

传统eps应急电源原理图
    当市电正常供电,切换开关Ks接通市电,应急电源处于整流状态,蓄电池浮充,逆变电路不工作。当市电异常时,切换开关接通逆变电路,应急电源进入逆变放电过程,并停止充电;同时,检测蓄电池组端电压,当端电压小于放电终止电压时,蓄电池放电完毕,停止放电。再加上蓄电池组过压、欠压保护;输出交流过压、过流、高温、短路保护等功能就组成了传统EPS应急电源的全部功能。

2 新型EPS应急电源

    根据传统的EPS应急电源,任何时候充电电路与逆变电路都只有一个电路工作,是一种互斥关系,而且需要配置两套驱动电路,分别驱动整流桥和逆变桥。在结构上有一定的臃肿,控制复杂、功耗大、成本高。充电电路与放电电路都是由IGBT及二极管组成的桥路,他们的驱动电路都是IGBT驱动芯片及其一些外围电路组成,结构完全相同。新型EPS就是把充电、放电两部分电路合为一体,结构简单,控制简易,系统可靠性也相对提高,更重要的是产品成本低,功耗也相对减少一半。PWM整流器是其重要理论依据和出发点。

2.1 PWM整流器的特点

    PWM整流器采用全控型开关管取代传统的半控型开关管或二极管,以PWM斩控整流取代了相近整流或不控整流,具有以下几大优良性能:

    (1) 交流侧电流正弦波;

    (2) 交流侧功率因数可控(如单位功率因数控制);

    (3) 电能双向传输;

    (4) 较快的动态控制响应。

    显然,由于电能的双向传输,PWM整流器就已经不是传统意义上的AC/DC变换器了,当PWM整流器从电网吸收电能时,其运行于整流工作状态,作为整流器工作;而当PWM整流器向电网传输电能时,其运行于逆变状态,作为逆变器工作,所以PWM整流器是集整流与逆变于一身的新型变换器。具体工作原理不做详细介绍。

2.2 新型EPS工作原理

    新型的EPS应急电源工作原理如图2所示:

新型eps应急电源原理图
    可以看出,他也是后备式电源。在结构上"充电电路"与"逆变电路"合并为一个整流/逆变电路,即PWM整流器。他能够实现传统的EPS宽/放电的功能,具体的工作过程是这样的:当市电正常时,Ks合并,即市电同时给负载和电池供电,PWM整流器工作于整流状态,蓄电池浮充。当市电异常时,为了防止电能回馈电网,Ks断开,由电池给负载供电,PWM整流器工作于逆变状态,蓄电池放电。同时,检测蓄电池端电压,直到端电压下降到放电终止电压时,即蓄电池放电完毕,自动关闭PWM整流器。应该重新充电才能重新使用。由于PWM整流器能够进行控制功率因数,所以给定电流信号应与电网电压同相(整流),或者反向(逆变),实现单位功率因数控制,净化电网,提高效率。

3 新型EPS工作过程及仿真

3.1 新型EPS工作过程分析

    新型EPS应急电源的功能应该满足传统EPS的功能和蓄电池的充电要求。这里所说的蓄电池是指阀控铅酸蓄电池。蓄电池理想充电电流是指数下降的。一般情况下,蓄电池的充电过程可分恒流充电,恒压充电和浮充三个过程。当市电异常时,蓄电池放电给负载供电,PWM整流器进入逆变放电状态,即无源逆变过程。

     蓄电池在使用过程中,容量是不断下降的,当电池容量衰减至初始值的80%时,进入快速失效期,容量衰减加快,普遍认为容量低于初始值的80%的蓄电池为失效电池。所以电池容量检测是至关重要的。根据PWM整流器能量双向传输的优点,可以采用放电法进行容量检测,并把所放出来的电放回电网,既安全,又高效。具体的过程是这样的:

    当系统工作过程转入容量检测过程后,控制放电电流为一恒定负值I*(充电方向为正)。此时,蓄电池作为电源,电网作为负载,PWM整流器工作在有源逆变状态。当电流稳定到给定值I*后,开始计时。同时,循环检测各单节电池电压,有任一个单节电池电压低于规定值时,放电完毕,读取放电时间T。那么电池容量就是I*·T(安时)。当测量完成后,马上对蓄电池进行充电,减少电网突然断电的危险性。

    可见,新型EPS应急电源的工作过程可分为5种:恒流充电过程、恒压充电过程、浮充过程、无源逆变过程和有源逆变过程。其中恒压充电过程与浮充过程的控制方案是相同的,电压给定值不同;恒流充电过程与有源逆变过程的控制方案也是相同的,他们最大区别是电流给定值相反,大小也不相同;无源逆变过程则是一

般的电池逆变过程,只要控制输出电压的频率和幅值。

3.2 工作过程仿真分析

    根据新型EPS五个工作过程的特点,简要阐述各个过程的控制方案。利用Matlab的Simulink强大的仿真能力,对各个工作过程进行仿真,给出PWM整流器直流侧与交流侧的电压/电流仿真波形图,并进行简单分析。

3.2.1 恒压充电与浮充仿真分析

    恒压充电与浮充的控制系统采用双环结构,即电流内环和电压外环,电压外环采用PI凋节,使蓄电池的端电压跟踪给定电压值。内环采用P调节,进行电流正弦波和高功率因数控制。

    蓄电池在充电过程中,对电网来说,蓄电池是一个负载,高功率闪数控制时,PWM整流器网侧电流跟踪电压信号。从图3和图4中可以看出,蓄电池充电初期,电流幅值较大,当t=0.1 s时。电流幅值减少,蓄电池端电压达到稳态值;当蓄电池由恒压充电到浮充电(电压稍降)时,蓄电池有短暂的放电过程,即t=0.25 s处电流与电压反相;蓄电池进入浮充状态后,充电电流明显降低。

eps应急电源仿真分析
3.2.2 恒流充电与有源逆变仿真分析

    恒流充电与有源逆变的控制系统也是由双环结构,内环是电流环(交流),采用P调节,达到交流侧的电流为正弦波和高功率因数,而外环仍然是电流环(直流),采用PI调节,控制直流侧的电流跟踪给定信号,实现恒流充电或者有源逆变功能。

    图5和图6是40 A的恒流充电到40 A的有源逆变仿真的电压/电流波形。在恒流充电过程,交流侧电压与电流同相,蓄电池吸收电网能量;在有源逆变过程,交流侧电压与电流反相,蓄电池给电网供电,放电电流基本恒定,可以进行蓄电池容量测量。

eps应急电源波形

3.2.3 无源逆变仿真分析

    无源逆变即蓄电池给负载供电的过程。跟其他一般逆变控制方法相同,控制输出电压的频率与幅值不变。从图7可以看出,当t=0.2 s时,并联一个电阻,模拟负载的扰动,逆变电压的波形基本不变,可见逆变电源有一定的带负载能力,鲁棒性较好。

eps应急电源电压波形
4 结 语

    根据PWM整流器的优点所设计的新型EPS应急电源实现了蓄电池管理的自动化和数字化。对提高后备电源系统的安全运行、可靠性和延长蓄电池的使用寿命也有着十分重要的意义。通过对新型EPS应急电源的各个工作过程的分析和仿真,对新型EPS具有更加全面、更加深入的认识,是进一步研究和设计的基础,在深入研究中发挥重要作用。

 

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