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目前我國(guó)電力系統(tǒng)的建設(shè)存在無(wú)法滿足各行業(yè)快速發(fā)展的要求，尤其近年來(lái)出現(xiàn)的全國(guó)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(jì)時(shí)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(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。我們會(huì)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(jì) 。

      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VBE≥0.6V，晶體管導(dǎo)通，電路開始自激，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)Kc的條件下，采用式（1）計(jì)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(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； 
    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(shí)，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(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，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Ic和放電電流Id    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Io完全由充電器提供，此時(shí)R7的端電壓UR7=IoR7，Id=0，IR8=Io＋I(xiàn)c，取R7=R8則
    Ic=（UR8－UR7）/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)UR8=0，Ic=0，因此，Id=Io=UR7/R7，所以，只要將UR7和UR8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Ic和Id。
    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UB1（UB2）出現(xiàn)|（UB1－12）|/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。
    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Io=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(shí)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(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 　 Io Ix Im 

表中的t(n，m)為以Im放電，電壓達(dá)到Vn時(shí)所剩的時(shí)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(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－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(shí)剩余的時(shí)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(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。 
    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(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。