淺談一種配電網(wǎng)專用24V DC

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目前我國電力系統(tǒng)的建設(shè)存在無法滿足各行業(yè)快速發(fā)展的要求，尤其近年來出現(xiàn)的全國性電力供應(yīng)不足，導(dǎo)致大面積的拉閘限電，嚴(yán)重限制了數(shù)字化建設(shè)的步伐和質(zhì)量。因此，系統(tǒng)工程師在做數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計時必須充分考慮電源系統(tǒng)的可靠性。目前比較可靠的方法就是采用高質(zhì)量的不間斷電源UPS。但是在變電站中，直流電源對變電站的二次設(shè)備以及變電站的實時通信非常重要。如果直流電源不可靠，會導(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，以致發(fā)生更大的事故，為此，要求其有較高的可靠性。我們會采用直流不間斷電源，本文將介紹一種配電網(wǎng)專用24VDC-UPS直流不間斷電源方案的設(shè)計 。

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;

輸出直流24±0.03V;

實時檢測電池工作參數(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控;

負(fù)載電流3A時備用時間≥10h;

可以遠(yuǎn)程，現(xiàn)場實現(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?？?/p>

1)前一級是半橋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)，既用于對蓄電池充電，又可以通過蓄電池啟動小型的直流電機(jī)。開關(guān)管采用晶體管2SC2625，控制芯片采用TL494。電路自激啟動過程：直流母線上的分壓電阻使得2SC2625的VBE≥0.6V，晶體管導(dǎo)通，電路開始自激，輔組繞組上建立瞬時電壓，使得TL494工作，電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2)后一級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

通過采樣電路，實時將電池的端電壓，放電電流，充電電流，電池溫度，交流停電，充電器故障信號等送給PIC16C73處理。處理后的數(shù)據(jù)可以送給現(xiàn)場的LCD顯示，以便現(xiàn)場巡檢;數(shù)據(jù)送給上位機(jī)，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4)開關(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，也可以實現(xiàn)單端輸出。最小死區(qū)為3%而且可調(diào)，內(nèi)有穩(wěn)壓和過流保護(hù)運(yùn)放。

3 電池管理方案及功能實現(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)Kc的條件下，采用式(1)計算容量C[3]

C=IG/(KcδTδK) (1)

式中：I為按配電網(wǎng)最大負(fù)荷電流設(shè)計;

G為蓄電池獨(dú)立供電時間，由配電網(wǎng)可靠性等級決定;

δT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，容量隨溫度變化增加或減小0.006至0.007的額定容量，δT=1+0.006(T-25℃);

δK為蓄電池衰老系數(shù)，一般取0.8。

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

3.2 電池管理的硬件實現(xiàn)

交流上電后，一方面通過R4和D3對蓄電池充電，同時為后一級提供輸入，此時繼電器K1吸合，但由于D4反偏，蓄電池不對負(fù)載放電;在交流停電或蓄電池放電狀態(tài)時，D1反偏截止，此時蓄電池通過繼電器觸點(diǎn)及D4對負(fù)載供電。當(dāng)檢測到電池電壓≤21V時，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用來檢測電池的充放電電流。在充電狀態(tài)下，28V直流輸出恒定，當(dāng)處于放電狀況下，該輸出會有變化的。

1)直流啟動 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，R5端為高電平，繼電器K1吸合，即使S1斷開，也不會中斷供電，對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)，這對于電池的使用壽命有很大的影響。因此，在一定的時間里應(yīng)使電池放電。在該系統(tǒng)中，放電分手動放電和自動定時放電。定時的長短根據(jù)用戶的要求而定，一般定為60天，單片機(jī)內(nèi)部計時器計時到達(dá)后，給出放電信號。放電信號通過硬件電路，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，蓄電池單獨(dú)對負(fù)載供電，前一級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)檢測到蓄電池電壓≤21V時，撤銷放電信號，充電器對蓄電池充電，同時為負(fù)載提供能量。

3)電機(jī)啟動 由于電機(jī)啟動所需的電流較大，在此系統(tǒng)中通過蓄電池放電來達(dá)到這個目的。在啟動前，人為發(fā)出一個信號，使充電器的電壓下跌，此時蓄電池投入工作。

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

1)充電電流Ic和放電電流Id 當(dāng)蓄電池處于充電狀態(tài)時，由于D4的箝位作用，負(fù)載電流Io完全由充電器提供，此時R7的端電壓UR7=IoR7，Id=0，IR8=Io+Ic，取R7=R8則

Ic=(UR8-UR7)/R7;

當(dāng)由蓄電池單獨(dú)供電時，D4的箝位作用消失，此時UR8=0，Ic=0，因此，Id=Io=UR7/R7，所以，只要將UR7和UR8通過差分放大器得到0～5V的電流信號，送至PIC16C73的兩個A/D轉(zhuǎn)換通道，通過微處理器的處理，可以檢測任一時刻的Ic和Id。

2)電池電壓 由于采用兩個12V電池串聯(lián)，所以，應(yīng)分別檢測蓄電池端壓，電壓輸出通過電阻分壓獲得電壓采樣值。當(dāng)檢測到電池電壓UB1(UB2)出現(xiàn)|(UB1-12)|/12≥δ0(δ0是均衡率，此處取4%)時，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)檢測到電池溫度超過80℃的時間大于10min時，立即撤銷放電控制信號，并將R5的高電平變?yōu)榈碗娖?，使繼電器斷開。

4)電池容量 電池容量檢測問題一直是蓄電池管理中的難點(diǎn)，通常的做法有:基于電動勢的容量預(yù)測、基于電池內(nèi)阻的容量預(yù)測、同時基于電池內(nèi)阻與電動勢的容量預(yù)測、基于電流放電率的容量預(yù)測、基于電流時間積分的容量預(yù)測等。在本系統(tǒng)中，由于負(fù)載的變化遵從Io=0.2n(n為并聯(lián)負(fù)載的個數(shù))，因此，容量檢測采用電流時間積分的容量預(yù)測，會使檢測簡單可行。電池放電容量CΔ=Iddt，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CΔ=0.2n1t1+0.2n2t2(n1t1，n2t2為不同負(fù)載作用的時間)。如果知道電池放電前的初始容量Co的話，則變化后的電池容量Cx=Co-CΔ。這種方法相對比較簡單，容易實現(xiàn)，而且可以采用系統(tǒng)本身所具有的電流采樣電路，無需外加特殊設(shè)備。

3.4 剩余時間的預(yù)測

電池容量預(yù)測的目的是為了獲得電池系統(tǒng)能夠提供的工作時間的相關(guān)信息，因此，實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間。在某一時刻，電壓、電流、溫度值可以測量得到，那么，我們就能預(yù)測該電池在此電流下恒流放電的可持續(xù)時間，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)測表 Io Ix Im

表中的t(n，m)為以Im放電，電壓達(dá)到Vn時所剩的時間

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

1)表格的初始化 初始化可以由兩種方法，其一，通過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，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)，對電池進(jìn)行放電實驗，得出不同電壓點(diǎn)的修正電壓。

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

t(V1，I1)=t(V1-Vx2+Vx1，I2)×I2/I1(2)

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

Vxn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)測的準(zhǔn)確度。選擇最近一次放電結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，例如：上次用0.1C放電，這次要預(yù)測0.2C，則I2取0.1C。這是因為電池的物理化學(xué)狀態(tài)隨時在變，時間越靠近，結(jié)果應(yīng)該越準(zhǔn)確。該方法預(yù)測剩余時間的誤差在15min以下，在實際應(yīng)用中可以提高時間和電壓的測量精度從而提高預(yù)測的準(zhǔn)確度。

4)預(yù)測表的修正 預(yù)測表的修正在電池放電至截至電壓時進(jìn)行分為幾種情況：

(1)放電結(jié)束前，電池恒流放電，對該恒流值下的放電預(yù)測表進(jìn)行修正;

(2)放電完畢前，電池經(jīng)過幾種電流放電，通過時間折算公式(2)修正這幾種電流相應(yīng)電壓預(yù)測表;

(3)在不同溫度下，按-4mV/℃進(jìn)行修正。

圖4為剩余時間預(yù)測程序流程圖。

圖4 剩余時間預(yù)測程序流程圖

這種預(yù)測方法的優(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量設(shè)備，充分利用原有系統(tǒng)的電壓電流測量系統(tǒng);

——隨著運(yùn)行時間的增加，預(yù)測準(zhǔn)確度增加;

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

本文所介紹的DC-UPS直流不間斷電源方案系統(tǒng)可靠性高，具有較好的EMC性能，電池檢測方案簡易，控制操作方便，剩余時間的預(yù)測方法簡單實用，軟硬件的設(shè)計簡單而靈活。通過在變電站現(xiàn)場使用的情況看來，效果很好。

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