一種配電網(wǎng)專用24V直流不間斷電源的設(shè)計(jì)

1??? 引言

??? 在變電站中，直流電源對(duì)變電站的二次設(shè)備以及變電站的實(shí)時(shí)通信非常重要。如果直流電源不可靠，會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)失靈，造成停電面積擴(kuò)大，也使得通信出錯(cuò)，以致發(fā)生更大的事故，為此，要求其有較高的可靠性。通常，采用儲(chǔ)能電容或蓄電池作后備電源，并且直接作為直流輸出，但輸出電能質(zhì)量不高，而且電池管理復(fù)雜。因此，本文采用帶蓄電池的開(kāi)關(guān)電源提高電源的可靠性，同時(shí)輸出電能質(zhì)量高，滿足通信的要求。一般情況下，蓄電池的管理是一件非常復(fù)雜的工作，該系統(tǒng)采用PIC16C73單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電池管理，管理方案簡(jiǎn)單可靠。

2??? 24V直流不間斷電源系統(tǒng)

??? 24V配電網(wǎng)專用不間斷電源系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1??? 變電站配電網(wǎng)專用24V直流電源系統(tǒng)示意圖

2.1??? 電源系統(tǒng)的性能指標(biāo)

??? 兩路交流輸入??? 90～130V；

??? 可以用于變電站小型直流電機(jī)啟動(dòng)；

??? 輸出直流24±0.03V；

??? 實(shí)時(shí)檢測(cè)電池工作參數(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控；

??? 負(fù)載電流3A時(shí)備用時(shí)間≥10h；

??? 可以遠(yuǎn)程，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電池管理操作；

??? 工作溫度范圍－40℃～＋80℃。

2.2??? 電源系統(tǒng)的各個(gè)模快

??? 1）前一級(jí)是半橋DC/DC電路，用作充電器。為提高可靠性，輸入為兩路交流110V，可以工作在交流90～130V，輸出為直流28V（蓄電池在充電狀態(tài)下），既用于對(duì)蓄電池充電，又可以通過(guò)蓄電池啟動(dòng)小型的直流電機(jī)。開(kāi)關(guān)管采用晶體管2SC2625，控制芯片采用TL494。電路自激啟動(dòng)過(guò)程：直流母線上的分壓電阻使得2SC2625的V_BE≥0.6V，晶體管導(dǎo)通，電路開(kāi)始自激，輔組繞組上建立瞬時(shí)電壓，使得TL494工作，電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

??? 2）后一級(jí)DC/DC電路采用推挽電路結(jié)構(gòu)，變壓器雙向磁化，有效防止磁飽和^[1]。由于電池端電壓可以在21V～27V之間變化，該電路可以實(shí)現(xiàn)升降壓調(diào)節(jié)，使輸出電壓穩(wěn)定在24V，滿足負(fù)載要求。

??? 3）電池管理模塊采用PIC16C73，其框圖如圖2所示。PIC16C73是Microchip公司推出的PIC8位中檔單片機(jī)，僅35條單字節(jié)指令，自帶5個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊，穩(wěn)定性好，可以工作在惡劣的環(huán)境^[2]。

圖2??? 電池管理框圖

??? 通過(guò)采樣電路，實(shí)時(shí)將電池的端電壓，放電電流，充電電流，電池溫度，交流停電，充電器故障信號(hào)等送給PIC16C73處理。處理后的數(shù)據(jù)可以送給現(xiàn)場(chǎng)的LCD顯示，以便現(xiàn)場(chǎng)巡檢；數(shù)據(jù)送給上位機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

??? 4）開(kāi)關(guān)電源集成控制器TL494可以輸出兩路互補(bǔ)的脈沖控制信號(hào)，也可以實(shí)現(xiàn)單端輸出。最小死區(qū)為3％而且可調(diào)，內(nèi)有穩(wěn)壓和過(guò)流保護(hù)運(yùn)放。

3??? 電池管理方案及功能實(shí)現(xiàn)

??? 電池管理部分硬件圖如圖3所示。

圖3??? 電池管理部分硬件圖

3.1??? 電池容量的選擇

??? 按滿足交流停電狀態(tài)下持續(xù)放電的要求。在廠家提供蓄電池容量變換系數(shù)K_c的條件下，采用式（1）計(jì)算容量C^[3]

??? C=IG/(K_cδ_Tδ_K)??? （1）

式中：I為按配電網(wǎng)最大負(fù)荷電流設(shè)計(jì)；

????? G為蓄電池獨(dú)立供電時(shí)間，由配電網(wǎng)可靠性等級(jí)決定；

??????????? δ_T為蓄電池放電容量溫度系數(shù)，在15～25℃環(huán)境溫度下，溫度每增高或降低1℃時(shí)，容量隨溫度變化增加或減小0.006至0.007的額定容量，δ_T=1＋0.006(T－25℃)；

??????????? δ_K為蓄電池衰老系數(shù)，一般取0.8。

??? 根據(jù)以上原則，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，本系統(tǒng)選擇了2個(gè)12A·h/12V的鉛酸蓄電池串聯(lián)。

3.2??? 電池管理的硬件實(shí)現(xiàn)

??? 交流上電后，一方面通過(guò)R₄和D₃對(duì)蓄電池充電，同時(shí)為后一級(jí)提供輸入，此時(shí)繼電器K₁吸合，但由于D₄反偏，蓄電池不對(duì)負(fù)載放電；在交流停電或蓄電池放電狀態(tài)時(shí)，D₁反偏截止，此時(shí)蓄電池通過(guò)繼電器觸點(diǎn)及D₄對(duì)負(fù)載供電。當(dāng)檢測(cè)到電池電壓≤21V時(shí)，停止供電，系統(tǒng)處于完全停電狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)避免這種情況的發(fā)生。R₇和R₈用來(lái)檢測(cè)電池的充放電電流。在充電狀態(tài)下，28V直流輸出恒定，當(dāng)處于放電狀況下，該輸出會(huì)有變化的。

??? 1）直流啟動(dòng)??? 在交流失電的情況下，可以直接按一下S₁，蓄電池為負(fù)載供電，同時(shí)，R₅端為高電平，繼電器K₁吸合，即使S₁斷開(kāi)，也不會(huì)中斷供電，對(duì)S₁形成自鎖。

??? 2）放電控制??? 由于在大多數(shù)情況下，電池處于充電狀態(tài)，這對(duì)于電池的使用壽命有很大的影響。因此，在一定的時(shí)間里應(yīng)使電池放電。在該系統(tǒng)中，放電分手動(dòng)放電和自動(dòng)定時(shí)放電。定時(shí)的長(zhǎng)短根據(jù)用戶的要求而定，一般定為60天，單片機(jī)內(nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)到達(dá)后，給出放電信號(hào)。放電信號(hào)通過(guò)硬件電路，在R₃端并上一電阻R₁，使得TL494腳1的電位上升，控制脈沖變窄，輸出電壓變低，使D₁處于反偏截止，此時(shí)，蓄電池單獨(dú)對(duì)負(fù)載供電，前一級(jí)DC/DC相當(dāng)于空載狀態(tài)。根據(jù)電池廠家的建議，將電池的放電終了電壓設(shè)為10.5V×2=21V，當(dāng)檢測(cè)到蓄電池電壓≤21V時(shí)，撤銷放電信號(hào)，充電器對(duì)蓄電池充電，同時(shí)為負(fù)載提供能量。

??? 3）電機(jī)啟動(dòng)??? 由于電機(jī)啟動(dòng)所需的電流較大，在此系統(tǒng)中通過(guò)蓄電池放電來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。在啟動(dòng)前，人為發(fā)出一個(gè)信號(hào)，使充電器的電壓下跌，此時(shí)蓄電池投入工作。

??? 4）充電電壓可控??? 改變蓄電池的充電電壓即是改變充電器的輸出，而在R₃端并接不同的電阻R₁，R₂即可改變輸出電壓，用戶可以根據(jù)需要自行設(shè)定電壓。

3.3??? 電池的參數(shù)檢測(cè)

??? 1）充電電流I_c和放電電流I_d??? 當(dāng)蓄電池處于充電狀態(tài)時(shí)，由于D₄的箝位作用，負(fù)載電流I_o完全由充電器提供，此時(shí)R₇的端電壓U_R7=I_oR₇，I_d=0，I_R8=I_o＋I_c，取R₇=R₈則

??? I_c=（U_R8－U_R7）/R₇；

??? 當(dāng)由蓄電池單獨(dú)供電時(shí)，D₄的箝位作用消失，此時(shí)U_R8=0，I_c=0，因此，I_d=I_o=U_R7/R₇，所以，只要將U_R7和U_R8通過(guò)差分放大器得到0～5V的電流信號(hào)，送至PIC16C73的兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道，通過(guò)微處理器的處理，可以檢測(cè)任一時(shí)刻的I_c和I_d。

??? 2）電池電壓??? 由于采用兩個(gè)12V電池串聯(lián)，所以，應(yīng)分別檢測(cè)蓄電池端壓，電壓輸出通過(guò)電阻分壓獲得電壓采樣值。當(dāng)檢測(cè)到電池電壓U_B1（U_B2）出現(xiàn)|（U_B1－12）|/12≥δ₀（δ₀是均衡率，此處取4％）時(shí)，表示該電池電壓充電不均衡，應(yīng)采取相應(yīng)的措施。

??? 3）電池溫度??? 采用AD590溫度傳感器，將溫度采樣值送到單片機(jī)，當(dāng)檢測(cè)到電池溫度超過(guò)80℃的時(shí)間大于10min時(shí)，立即撤銷放電控制信號(hào)，并將R5的高電平變?yōu)榈碗娖剑估^電器斷開(kāi)。

??? 4）電池容量??? 電池容量檢測(cè)問(wèn)題一直是蓄電池管理中的難點(diǎn)，通常的做法有:基于電動(dòng)勢(shì)的容量預(yù)測(cè)、基于電池內(nèi)阻的容量預(yù)測(cè)、同時(shí)基于電池內(nèi)阻與電動(dòng)勢(shì)的容量預(yù)測(cè)、基于電流放電率的容量預(yù)測(cè)、基于電流時(shí)間積分的容量預(yù)測(cè)等。在本系統(tǒng)中，由于負(fù)載的變化遵從I_o=0.2n（n為并聯(lián)負(fù)載的個(gè)數(shù)），因此，容量檢測(cè)采用電流時(shí)間積分的容量預(yù)測(cè)，會(huì)使檢測(cè)簡(jiǎn)單可行。電池放電容量C_Δ=I_ddt，由于負(fù)載的投切，電流發(fā)生變化遵從固定的規(guī)律，所以C_Δ=0.2n₁t₁＋0.2n₂t₂(n₁t₁，n₂t₂為不同負(fù)載作用的時(shí)間)。如果知道電池放電前的初始容量C_o的話，則變化后的電池容量C_x=C_o－C_Δ。這種方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，而且可以采用系統(tǒng)本身所具有的電流采樣電路，無(wú)需外加特殊設(shè)備。

3.4??? 剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)

??? 電池容量預(yù)測(cè)的目的是為了獲得電池系統(tǒng)能夠提供的工作時(shí)間的相關(guān)信息，因此，實(shí)際上我們只須知道在當(dāng)前條件下（電壓、電流、溫度）電池系統(tǒng)還能夠提供的工作時(shí)間。在某一時(shí)刻，電壓、電流、溫度值可以測(cè)量得到，那么，我們就能預(yù)測(cè)該電池在此電流下恒流放電的可持續(xù)時(shí)間，即系統(tǒng)中有這樣一張表，將電壓分成幾檔，電流也分成幾檔，如表1所列。

表1??? 電池容量預(yù)測(cè)表

??? 系統(tǒng)所要做的工作就是將該表填滿，并且根據(jù)某一時(shí)刻的端電壓和電流，從該表中計(jì)算出該電池在該電流下還能夠運(yùn)行的時(shí)間。電壓電流的分檔區(qū)間的大小決定了電池剩余容量預(yù)測(cè)的精度。下面以12A·h/12V的鉛酸電池為例來(lái)說(shuō)明該系統(tǒng)的工作過(guò)程。

??? 1）表格的初始化??? 初始化可以由兩種方法，其一，通過(guò)電池廠商提供的電池放電曲線獲得數(shù)據(jù)；其二，就是從運(yùn)行中獲得數(shù)據(jù)。初始化數(shù)據(jù)并不需要將表格填滿，但是初始化數(shù)據(jù)的多寡決定了系統(tǒng)運(yùn)行初期剩余容量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。我們將電流分為4檔：0.05C/0.1C/0.15C/0.2C，而電壓以0.1V分為一檔。

??? 2）修正電壓??? 在不同的放電電流時(shí)，電池內(nèi)阻以及極化電壓是不同的，因此，首先必須獲得不同放電電流下的修正電壓。以0.05C為基準(zhǔn)，對(duì)電池進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，得出不同電壓點(diǎn)的修正電壓。

??? 3）預(yù)測(cè)剩余時(shí)間??? 根據(jù)初始化的結(jié)果，獲得預(yù)測(cè)表中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，如果從預(yù)測(cè)表中已知t(V₁，I₂)時(shí)，預(yù)測(cè)以I₁放電達(dá)到V₁時(shí)剩余的時(shí)間，采用換算公式（2）預(yù)測(cè)。

??? t(V₁，I₁)=t(V₁－V_x2＋V_x1，I₂)×I₂/I₁（2）

式中：t(V₁，I₁)是以I₁放電，當(dāng)電池電壓達(dá)到V₁時(shí)剩余的時(shí)間；

????? V_xn是各電流相應(yīng)的修正電壓。

??? I₂的選擇考慮就近的原則以保證預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。選擇最近一次放電結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，例如：上次用0.1C放電，這次要預(yù)測(cè)0.2C，則I₂取0.1C。這是因?yàn)殡姵氐奈锢砘瘜W(xué)狀態(tài)隨時(shí)在變，時(shí)間越靠近，結(jié)果應(yīng)該越準(zhǔn)確。該方法預(yù)測(cè)剩余時(shí)間的誤差在15min以下，在實(shí)際應(yīng)用中可以提高時(shí)間和電壓的測(cè)量精度從而提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

??? 4）預(yù)測(cè)表的修正??? 預(yù)測(cè)表的修正在電池放電至截至電壓時(shí)進(jìn)行分為幾種情況：

??? （1）放電結(jié)束前，電池恒流放電，對(duì)該恒流值下的放電預(yù)測(cè)表進(jìn)行修正；

??? （2）放電完畢前，電池經(jīng)過(guò)幾種電流放電，通過(guò)時(shí)間折算公式（2）修正這幾種電流相應(yīng)電壓預(yù)測(cè)表；

??? （3）在不同溫度下，按－4mV/℃進(jìn)行修正。

??? 圖4為剩余時(shí)間預(yù)測(cè)程序流程圖。

圖4??? 剩余時(shí)間預(yù)測(cè)程序流程圖

??? 這種預(yù)測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)在于：

??? ——不需要大量的預(yù)設(shè)曲線；

??? ——不需要增加多余的測(cè)量設(shè)備，充分利用原有系統(tǒng)的電壓電流測(cè)量系統(tǒng)；

??? ——隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度增加；

??? ——這種預(yù)測(cè)方法可以根據(jù)需要調(diào)整存儲(chǔ)器的容量，以提高精度。

4??? 結(jié)語(yǔ)

??? 本文所介紹的直流不間斷電源系統(tǒng)可靠性高，具有較好的EMC性能，電池檢測(cè)方案簡(jiǎn)易，控制操作方便，剩余時(shí)間的預(yù)測(cè)方法簡(jiǎn)單實(shí)用，軟硬件的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而靈活。通過(guò)在變電站現(xiàn)場(chǎng)使用的情況看來(lái)，效果很好。