| 详细介绍：
大同市科华UPS电源总办事处电话
基于DSP的蓄电池充放电装置研究
|
|
|
|
1 引言
在蓄电池生产过程中，为了保证产品质量，常需对成品蓄电池进行几次充放电处理。传统充放电设备通常采用晶闸管作为整流逆变功率器件。装置比较复杂，交流输进、输出的功率因数较低。对电网的谐波污染也比较大。为此，设计了一种三相SPWM整流逆变蓄电池充放电装置。它采用IGBT作为功率变换器件。交流侧以精密锁相的正弦波电流实现电能变换。可获接近于1的功率因数，实现对蓄电池的充放电处理，明显降低了对电网的谐波污染，满足了绿色环保和节能的设计要求。
2 系统结构及工作原理
图1示出设计的蓄电池生产用充放电控制系统结构[1]。该系统从原理上可划分为SPWM双向逆变和DC／DC变换充放电两个子系统。前者，在蓄电池充电时，通过三相PFC升压控制实现AC／DC变换。将交流电网电压转换成蓄电池充电所需的直流电压；在蓄电池放电时，通过三相PFC恒压逆变控制实现DC／AC变换，将蓄电池开释的能量回馈电网。后者，完成逆变直流电能与蓄电池电能的转换，以保证蓄电池充放电过程中所要求的电流、电压和时间的控制。各子系统采用单独的DSP治理，DSP部分以模板化直插结构直接插进工控机的主板，工控机承担整个系统的监控治理。系统由1个逆变子系统和n个(实验样机设计为15个)充放电子系统组成。系统工作时，可通过工控机编组，使后路蓄电池工作于充电状态；n-k路工作于放电状态，这样蓄电池能量就可直接在系统内部进行交换，从而明显进步了节能效果。图2示出三相SPWM双向逆变电路采用的典型电压型结构主电路[2]。
三相反馈电流iuf，ivf，iwf用于跟踪由DSP产生的电流给定信号，从而控制直流端电压Ud的稳定；Ud的反馈电压Ut的值经DSP采样后通过电压调节得到作用于电流内环的电流给定值。
图3示出单相PWM整流电路的相量图[2]。固然该系统采用的是三相PWM整流电路．但其工作原理与单相电路相似，只是从单相扩展到三相。对电路进行SPWM控制，在桥的交流输进端A，B，C可得到三相桥臂的SPWM电压uiu，uiv，uiw。对其各相按图3的相量图进行控制，就可使各相电流iu，iv，iw为正弦波。且与电压同相位，功率因数近似为1。
由此可知，控制uiu的大小和相位δ即可控制电流的大小和流向，从而控制功率的大小和方向。通过对Ud的恒压控制，实现逆变器的功率流向，从而实现能量的自动双向活动。
3 电压控制器的设计
图4示出AD／DC逆变控制框图。该系统采用电压、电流双闭环控制结构，其电压控制对象为直流量；电流控制对象为交流量。电压外环采用数字算法予以实现；电流内环采用模拟电路予以实现，以确保快速进行电流控制，进步系统工作的可靠性。同时，为了使误差电流与给定相位保持一致。电流调节器采用比例控制。
蓄电池充电时，输出电压Ud低于给定值Ud*，则电压调节器输出正的uc，输进电压Uin经过一个比例因子Ku后得到一个与Uin同相的单位正弦us，uc与us的乘积作为给定电流i*，与Uin同相，控制i跟随i*，则能量就以单位功率因数从电网流向蓄
电池。此时，变流器工作在整流状态。蓄电池放电时，Ud高于Ud*，则uc为负值，uc与us相乘得到与Uin反向的给定电流i*，控制i跟随i*，能量就能以单位功率因数从蓄电池流向电网。此时，变流器工作在逆变状态。电压外环产生输进给定电流i*，其幅值表明了功率的大小；符号决定了功率的流向；相位决定了能量传递的功率因数。电流内环使输进电流跟踪给定，从而实现可逆的单位功率因数变换。
系统采用TMS320LF2407A DSP作为主处理器，因其有丰富的外设和较高的运算速度。由此可实现较复杂的控制及高精度的数据处理。在此，通过对PI控制、IP控制和变速积分PI控制三种电压调节器算法的实验得出其优劣，从而选择最适合该系统的控制算法进行电压调节。
(1)PI控制算法和IP控制算法
图5a示出PI调节器结构图。由图可得其传递
比较式(5)和式(6)可见，两种系统的传递函数分母相同，故IP调节器可持有与PI相同的无静差调节和稳定特性，同时因它在传递函数上比PI少一个零点，因此具有比PI更好的高频衰减特性，轻易满足较长采样周期数字调节的稳定性要求，能有效抑制混迭现象。系统实验证实，采用IP调节，调节器参数很轻易整定。可使系统达到稳定、无静差和很小的超调。不过在快速性方面将有损失。
(2)变速积分PI控制算法[3]
在传统的PI算法中，因积分增益Ki为常数，在整个调节过程中，其值不变。但系统对积分的要求是偏差大时，积分作用减弱，否则会产生超调，甚至出现积分饱和；反之则加强，否则不能满足正确性的要求。引进变速积分PI控制算法能使控制性能得以满足。其基本思路是偏差大时，积分累积速度慢，积分作用弱；偏差小时，积分累积速度快，积分作用强。为此，设置系数f[E(k)]，它是偏差E(k)的函数，当E(k)增大时，f[E(k)]减小；反之则增大。每次采样后，用f[E(k)]乘E(k)，再进行累加。f[E(k)]与E(k)的关系可表示为：
在该系统中，采用简单的变速积分PI控制，取A=32，B=8，当误差大于40时，系统相当于采用纯比例调节，因此响应速度加快；当误差小于40并减小到8的过程中，积分作用开始并逐渐增强，响应过程快速平滑；当误差小于8时，完全引进积分作用，能快速有效地消除静差。该方法可有效抑制系统的超调，同时也可兼顾系统的响应速度。
4 实验结果
利用PI，IP和变速积分PI数字电压调节器的逆变子系统对该设计方案进行了大量实验。结果可见，采用变速积分PI数字电压调节器的综合性能优于前两种算法。图6示出采用PI调节、IP调节，以及变速积分PI调节时用100M-Tektronix TDS220存储示波器获取的一组直流母线电压Ud的实验对比波形。逆变器起动时Ud由150V升至200V。由图6可见。3种调节器在无静差调节方面的性能相同，而IP的上升时间明显大于另外两种算法；在抑制超调及高频噪声诱发振荡方面，变速积分PI法有着明显的上风，PI系统的起动超调超过20V，IP系统的超调不到10V，而变速积分PI系统则无超调。无振荡，能很快进进稳定状态：在抗干扰性能方面，变速积分PI系统也具有同样的特点。
5 结论
先容的逆变器采用了直流母线电压的恒压数字调节，可方便地实现电网能量和蓄电池能量的双向活动，精密锁相的SPWM控制可获得接近于1的功率因数，理论分析和系统实验表明，在DSP控制采样周期即是交流电源周期的交流控制系统中，采用变速积分PI调节更易获得小超调、无振荡、无静差的控制性能指标。该设计系统可携带15路3A蓄电池组(每组12V蓄电池15节串联)进行充放电子系统工作，每路工作由工控机编程独立控制。通过对充电组和放电组的公道配置，可获得明显的节能效果。
|
高环境适应能力
● 电路板放置在完全封闭的空间里，并做“三防”涂覆处理，更适合隧道、广场恶劣的环境
● 电路板、功率器件和变压器独立散热空间，优化散热通道
● 防尘过滤网设计，有效减少粉尘、汽车尾气等进入，净化机器内部环境，提升产品可靠性
● 防雷、输入缓冲设计，能适应野外环境的雷击、浪涌多的电网环境
● 防水顶盖等设计能有效避免潮湿、滴水等对机器造成的问题针对性的维护设计
● 占地面积小，可侧面靠墙，节省摆放空间
● 前、后端维护设计，既减少维护占地空间又方便特定环境在线维护
● 适合隧道、楼道空间狭小特点
● 模块化抽屉式风机设计，方便在线维护
高可靠性设计
● 标配输出隔离变压器，具备良好的抗负载冲击和短路保护能力，工频设计更适应电力不稳的复杂电网环境
● 智能风机控制，延长风机的使用寿命和降低噪音
● 具有强制启动、手动/自动、实验等开关，能及时有效验证整机的切换性能及电池可靠性
● 具有年检、月检功能，实现电池的定期、自动管理
● 具备电池回路开关脱开告警：当电池回路开关断开，蜂鸣器告警同时LCD显示出现故障告警并记录，避免应急时无法供电的致命问题高性能设计
● 双DSP全数字化控制，整机精度高，运算速度更快
● 允许三相负载100%不平衡，负载适应性强，输出配电方便，尤为适用于交通、消防、工业应用等重要环境
● 宽范围电压输入设计，市电输入范围可达±20%，允许的市电频率可达45～55Hz，特别适用于隧道、广场恶劣的电网环境
人性管理 维护简便
● 中/英文LCD液晶显示，可实时记录EPS工作状态、参数信息等，方便用户对EPS的管理
● 停电来电时刻记录
● 深度放电（达到50%以上）次数记录
● 旁路时刻记录 ● 各种告警记录
● 参数异常记录
● 1000条保护动作历史记录等
完善的整机保护功能
● 逆变输出短路保护
● 市电输入高压保护
● EPS输出高低压保护
● 电池极性反接保护
● 过温保护（充电器）
● 过载保护
● 电池过充保护
● 充电器短路保护
● 手动维护开关误操作保护
大同市科华UPS电源总办事处电话
直流系统的监控
变电所的直流系统发生一点接地，不会产生短路电流，则可继续运行。但是必须及时查找接地点并尽快消除接地故障，否则当发生另一点接地时，就有可能引起信号装置、继电保护及自动装置、断路器的误动作或拒尽动作，有可能造成直流电源短路，引起电源开关断开，使设备失往操纵电源，引发电力系统严重故障乃至事故。因此，不答应直流系统在一点接地情况下长时间运行，必须加强监测，迅速查找并排除接地故障，杜尽因直流系统接地而引起的电力系统故障。过往，各个变电站都有人值守，因而可以及时发现并处理其出现的异常现象，保证变电站的安全稳定运行。目前，推行无人值守变电站，如何能在异常现象刚出现时就及时发现并及时处理，是一个亟需解决的题目。在这种情况下，直流监控系统应运而生。它的主要作用就是把直流设备信息及时采集上传，并且实时对直流系统进行尽缘监测。这样，维护职员可以及时发现设备运行的不正常状态，及时处理，而不等其发展演变成事故。所以，直流监控系统的建立，可以节省人力物力，进步工作效率。目前使用的微机型的直流尽缘监测和电压监视装置灵敏度高，正、负母线尽缘同时降低时也能进行监测，并带有分支回路在线监测装置，能指出尽缘下降或出现接地故障的回路，大大缩短了查找直流系统接地故障的时间。我公司在总变电所使用了一套在线监测系统，装置利用了信号相位锁定、超前校正及跟踪积木式结构等技术，从而根本上解决了判定数据不全、选线不准等弊病。
图三直流系统监测装置结构图
根据直流系统的特殊性，此装置的丈量从丈量内容区分，可分为两大部分，一是母线监测，在线实时监测并显示两段母线电压，一旦系统出现过压、欠压情况，则自动报警；二是分支回路查循，并显示接地电阻阻值，还能自动分辨两条或两条以上支路同时接地的故障。实际使用效果较好，能够及时反映出直流系统的运行状况，消灭了事故隐患。但目前其它变电所尚没有能够有效监测识别分支回路尽缘的措施，考虑尽快完善。
同时，对于UPS电源直流环节的监测，尤其是蓄电池端电压的监测，尚需要做一些细致的工作。在电池处在浮充状态下时，每节电池间的电压差不应相差太大，一般越小越好。如超过一定值时（如1V），应引起足够的重视：有可能有电池容量变小或损坏。假如及时识别出工作状态较差的电池，就可以对其进行单体活化，进步其工作性能，从而进步电池组的整体性能。
三、蓄电池的维护
蓄电池做为直流系统中的储能元件，是系统可靠运行的核心部件。做好蓄电池的日常维护，才能保证外界电源中断时发挥其应有的作用。由于镉镍蓄电池维护量大，故障率高，现在广泛应用一种免维护密封铅酸蓄电池，简称阀控蓄电池。由于是全密封电池，无须加水，这给维护带来很多好处的同时，也给监测和维护带来困难。"免维护"这一名词又给使用者带来熟悉上的误区，导致使用者放松对蓄电池的日常维护治理。厂家说明书上标注的寿命是有条件的，要在规定的运行温度，标准的充放电方式（包括负载大小）下运行，实际上这些条件，只有在实验室才能达到。多年的使用经验证实，实际寿命与标注寿命还是有很大差距的。如下表所列，为我公司07年部分直流屏蓄电池实际放电实验所得结果：
可以看出，标注十年寿命的蓄电池，实际使用寿命大相径庭。通过对影响蓄电池使用寿命的因素进行分析，有的放矢，才能采取有效应对措施，充分发挥其功效。影响阈控蓄电池寿命主要有如下几个因素：
Ⅰ、蓄电池的匹配组合。蓄电池在加工生产中不可能做到每只电池的充放电特性完全一致，到了用户手中更没有挑选的余地了。在使用中，用同一个充电电源，又向同一负荷放电，久而久之，个别电池由于特性差别越来越大，而影响整个装置的性能。
Ⅱ、蓄电池的工作温度。工作温度是影响蓄电池使用寿命的一个决定性因素，而大多数人对此熟悉不足。适宜的电池运行环境温度为20℃－25℃，对照生产厂家提供的温度／寿命特性表，可以看出当环境温度超过25℃后，每升高10℃电池寿命几乎就要缩短一半，例如：对5年期寿命的电池，当环境温度为35℃时，实际寿命只有2.5年，假如再升高10℃达到45℃时，其寿命只有约1.25年了。加上安装阈控蓄电池的配电室，为防小动物进室，门窗都比较封闭，室内温度还要升高，对蓄电池的运行极为不利。
Ⅲ、蓄电池的浮充电的工作状态。这一点也是影响蓄电池使用寿命的一个关键因素。目前，蓄电池大多数都处于长期的浮充电状态下，只充电，不放电，这种工作状态极不公道。大量运行统计资料表明，这样会造成蓄电池的阳极极板钝化，使蓄电池内阻急剧增大，使蓄电池的实际容量(Ah)远远低于其标准容量，从而导致蓄电池所能提供的实际后备供电时间大大缩短，减少其使用寿命。假如市电一直处于正常的供电之中，蓄电池就没有工作的机会，就有可能长时间浮充而损坏。有的“养兵千日”，一旦到“用兵一时”的时候却无法使用，甚至造成很大的损失，所以，要定时进行人为的强制放电工作，这样不但可以活化电池，还可以检验直流系统是否处于正常状态，并可以使操纵职员熟悉直流供电系统的使用。
Ⅳ、蓄电池的过度放电或过度充电。蓄电池被过度放电是影响蓄电池使用寿命的另一重要因素。这种情况主要发生在交流停电或充电模块损坏后，蓄电池组为负载供电期间。当蓄电池被过度放电到输出电压为零时，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸付到电池的阴极表面，在阴极板上形成的硫酸盐越多，电池的内阻越大，电池的充、放电性能就越差，其使用寿命就越短。过充电会使电池冒液。在电池外表及连接片上产生墨绿色氧化物，腐蚀构件，降低尽缘，使自放电增加。假如电池使用不当，长期处于过充电状态，那么电池的栅板就会变薄，减少极板有效面积，容量降低，会缩短使用寿命。
Ⅴ、蓄电池的失水：蓄电池失水也是影响其使用寿命的因素之一，蓄电池失水会导致电解液比重增加，电池栅板的腐蚀，使蓄电池的活性物质减少，从而使蓄电池的容量降低而导致其使用寿命减少。当失水5.5％时，容量降到75％；失水达到25％时，容量基本消失。
总之，直流系统的题目在很大程度上是电池的题目，只要正确使用电池，并经常对电池进行维护，就能使其保持良好的状态，也就解决了直流系统的关键题目，就能保证直流系统随时处于正常工作状态，也就可以使设备在安全的环境中工作。
以上就我公司广泛使用的直流系统的配置、监测及蓄电池维护等方面的实际体会做了简单的阐述。直流系统在产业企业控制系统中的作用举足轻重，是实现自动化控制的基石，因此，采取积极有效措施，持续改善及进步直流系统的稳定性，公道配置直流系统，将是一个值得研讨的课题。
|
郑州市科华UPS电源办事处
直流系统及蓄电池浅谈
|
|
|
|
摘要：本文对电力系统中广泛应用的直流系统的配置及监控等方面做了分析说明，并对于蓄电池的维护题目进行了相应阐述。
直流系统为变电站的继电保护、控制系统、信号系统、自动装置、UPS和事故照明等提供电源。随着直流系统中阀控铅酸蓄电池、智能型高频开关充电装置等附属设备的技术性能日益优越，安全可靠性进步，促进了直流系统技术和设备的迅速发展。我分公司范围内的直流系统主要应用于变电所直流电源及UPS电源，此两种电源工作状况对于公司内的电气安全生产运行起着至关重要的作用，如何通过有效措施及维护手段保证特种电源的稳定是我们面临的一个关键题目。
电力系统中的直流电源部分由蓄电池组、充电设备、直流屏等设备组成。它的作用是：正常时为变电站内的断路器提供合闸直流电源；当厂、站用电中断的情况下为继电保护及自动装置、断路器跳闸与合闸、发电厂直流电动机拖动的厂用机械提供工作直流电源。它的正常与否直接影响电力系统的安全可靠运行。UPS不中断电源是一种含有储能装置、以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的电源设备，是通讯设备、计算机控制系统等不得断电的系统不可缺少的外围设备之一，它的作用是在外界中断供电的情况下，UPS电源会自动切换，确保计算机、关键阀门、控制系统等设备正常工作不中断，以免重要数据的丢失及硬件的损坏，同时保证关键阀门及控制系统安全可靠工作。由此可以看出，这两种电源的直流部分是系统安全运行的一个关键环节，大家也越来越关注其工作状态的稳定性，并且探讨采取了一些积极有效的措施手段，力求电源的可靠运行。现就使用维护方面的几点感悟做一简析。
一、直流系统的配置
1．变电站的直流电源
变电站的直流系统应采用单母线或单母线分段接线。单母线接线简单、清楚，但可靠性与灵活性差；单母线分段接线可靠性较高，任一段母线出现故障或需要检验都不影响直流系统供电，建议变电站广泛采用单母线分段接线。
图一单母线接线
在以往的变电站中，10kV断路器多采用电磁操纵机构，需要直活动力合闸电源，其额定合闸电流较大，以CD10、CD-35、CD-25系列为例，合闸线圈电流为40～147A，所以事故放电末期承受冲击负荷时，确保直流母线电压在答应值范围内，是选择蓄电池容量的决定性因素。近年来，越来越多的10kV断路器采用弹簧操纵机构，这样就不需要直流系统提供动力合闸电源了，其合闸电流很小，则蓄电池的容量由全站的经常负荷和事故负荷决定，这样可大大减少蓄电池容量。目前使用中的个别直流电源配置方面有些过剩，可以考虑降低蓄电池容量，但是要留意统筹兼顾，不能简单的变动蓄电池的容量，蓄电池容量降低，直流电源的其他方面（如充电装置参数调整等）要做相应改动。
2．UPS电源
UPS电源的配置模式应根据负荷的具体情况区别对待。产业企业中，UPS电源一般为仪表工作电源，主要用于DCS系统、ESD系统、现场仪表、电磁阀等负荷。DCS是装置仪表控制的心脏。一般都有配置双回路冗余电源受电的产品。这些设备的冗余电源配置仅要求任何情况下不发生二回电源同时失电，设备就能够正常运行。ESD系统全部采用双回路冗余配置的电源，只需供给二回不同回路的电源即可，设备本身带有双电源调整器，任何时候只要有一回电源正常供电系统就能够正常工作。现场仪表一般对电源瞬间波动没什么影响，但对于参与联锁的信号可能有所影响。可以采用增加延时来消除电源短时中断所带来的影响。执行元件直接关系到阀门的打开或封闭动作，非常重要。采用双电源并联供电的方法解决。二台24V直流电源的电源部分分别由不同回路的二个AV220V电源供电，保证电磁阀、电气转换器等执行元件的正常运行。因此，建议采用以下方式对仪表电源供电。
图二仪表供电电源模式
UPS容量的选择是按大于设备容量的1.5倍来选择，没有按设备的计算负荷来配置电源容量。故在UPS电源投用后，经常会出现实际负荷仅有百分之十几甚至不超过百分之十的现象。目前我公司范围内大部分UPS电源容量严重过剩（其它企业也存在类似情况），存在资源浪费的状况，应该重新核算实际负荷，优化配置。以下是部分装置UPS电源负荷率统计：
表一部分装置UPS负荷情况
|
| 
放大图片
暂无相关下载
