一種蓄電池升降壓變換方案在DC?BANK系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要： 分析了現(xiàn)有DC?BANK抗“晃電”直流支撐系統(tǒng)中蓄電池組的變壓方案。針對(duì)某型具體DC?BANK系統(tǒng)中系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，提出傳統(tǒng)系統(tǒng)中蓄電池利用率低的問(wèn)題。針對(duì)蓄電池本身的放電特性及DC?BANK系統(tǒng)對(duì)蓄電池組的使用實(shí)際，提出采用一種對(duì)蓄電池組輸出電壓進(jìn)行升降壓變換的方案來(lái)解決現(xiàn)有系統(tǒng)中不能充分發(fā)揮蓄電池性能的不足。仿真證明電路性能達(dá)到預(yù)定指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池組輸出電壓的升降壓變換和延長(zhǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)支撐時(shí)間的目的，解決了傳統(tǒng)DC?BANK抗“晃電”直流支撐系統(tǒng)中蓄電池組性能不能充分發(fā)揮的不足。

關(guān)鍵詞： DC?BANK； 抗“晃電”； 蓄電池； 變頻器

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34； TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）04?0146?04

0 引 言

在UPS和直流屏等不間斷電源系統(tǒng)中，通常選用蓄電池組作為后備電源[1?2]。蓄電池作為不間斷電源中的重要組成部分，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間機(jī)器來(lái)說(shuō)，蓄電池組的成本約占整個(gè)不間斷電源系統(tǒng)總成本的20%～30%。而在長(zhǎng)時(shí)間不間斷電源系統(tǒng)中，其成本甚至超過(guò)不間斷電源主機(jī)的成本。因此，不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用中，對(duì)于如何最大化地發(fā)揮其效能的研究意義重大。

1 蓄電池特性分析

不間斷電源系統(tǒng)中的蓄電池多采用鉛酸蓄電池，它是一種將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)化的裝置[3]。其中，蓄電池通過(guò)外接的額定直流電源實(shí)現(xiàn)充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能形式進(jìn)行儲(chǔ)存。蓄電池陽(yáng)極的活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2）陰極的活性物質(zhì)是是鉛（Pb），電解液是稀硫酸（H2SO4）。正是通過(guò)電解液中活性物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)，蓄電池才實(shí)現(xiàn)了電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換。

[2PbSO4+2H2O?充電放電Pb+PbO2+2H2SO4]

電池是由單個(gè)的“原電池”組成，每個(gè)原電池的電壓大約是2 V，一個(gè)12 V的電池由6個(gè)原電池組成。事實(shí)上，以某標(biāo)稱(chēng)12 V的蓄電池為例，其電池充電截止電壓為13.8 V，即電池最高充電至13.8 V時(shí)即應(yīng)停止充電；電池放電截止電壓為10.8 V，即電池最低放電至10.8 V時(shí)即應(yīng)停止放電。過(guò)充和過(guò)放將嚴(yán)重影響蓄電池的性能及使用壽命。

考查某型DC?BANK系統(tǒng)，對(duì)于某額定母線電壓為560 V的變頻器進(jìn)行抗“晃電”改造。變頻器預(yù)設(shè)的低壓保護(hù)值為500 V（約合85%額定電壓），即母線電壓低于500 V時(shí)，變頻器發(fā)生跳閘。DC?BANK實(shí)際的投切電壓為530 V，變頻器母線直接取自蓄電池組輸出端電壓，由額定電壓12 V的44節(jié)高性能免維護(hù)鉛酸蓄電池組成。由于電池放電軟特性的存在，該電壓在480～600 V之間。這要求蓄電池組在充電后進(jìn)行可控放電至530 V（單體約12 V）左右（或者充電截止電壓設(shè)定為530 V）一方面，對(duì)于蓄電池組端電壓超過(guò)投切電壓時(shí)的放電處理浪費(fèi)了電能（或者將充電截止電壓設(shè)定為530 V不利于蓄電池的充分利用）；另一方面，額定投切電壓投切后，隨著支撐時(shí)間的延長(zhǎng)，由于電池軟特性這一特有屬性，蓄電池組端電壓會(huì)下降。這使得早在蓄電池組未放電至其允許的放電終止電壓時(shí)，其輸出端電壓早已無(wú)法對(duì)變頻器直流母線提供支撐，支撐過(guò)程終止。如果對(duì)蓄電池組的輸出電壓進(jìn)行變壓處理，充分利用其放電過(guò)程，則系統(tǒng)穩(wěn)定性及支撐時(shí)間等指標(biāo)將得到明顯改善。

圖1是根據(jù)蓄電池特性繪制出的蓄電池單體放電過(guò)程示意圖，標(biāo)稱(chēng)為12 V的高密度免維護(hù)鉛酸蓄電池，其放電截止電壓為10.8 V，充電截止電壓為13.8 V。則蓄電池單體正常使用過(guò)程中，端電壓Ubat在10.8～13.8 V之間。則理論電池使用時(shí)間[tideat=t4-t1]。其中[0

設(shè)定DC?BANK系統(tǒng)投切電壓為530 V（約合90%額定電壓）時(shí)，44節(jié)蓄電池組放電至500 V即結(jié)束支撐過(guò)程，此時(shí)蓄電池單體平均電壓為11.3 V。如圖1所示，[tsys=t3-t2]即是系統(tǒng)設(shè)計(jì)支撐時(shí)間，顯然[tideat>tsys]。

2 傳統(tǒng)DC?BANK系統(tǒng)中對(duì)蓄電池輸出電壓的

處理

包括DC?BANK在內(nèi)的傳統(tǒng)不間斷電源系統(tǒng)中，對(duì)于蓄電池組輸出端電壓的處理方案通常有以下幾種：

不對(duì)電壓進(jìn)行變換，僅考慮增加保護(hù)及穩(wěn)壓等輔助性功能電路；針對(duì)蓄電池組使用過(guò)程中的電壓變低問(wèn)題，通過(guò)增設(shè)BOOST電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓；基于PWM控制下功率MOS或IGBT器件實(shí)現(xiàn)的高頻鏈逆變整流技術(shù)。

（1） DC?BANK系統(tǒng)中間級(jí)設(shè)計(jì)方案中，對(duì)于蓄電池組與變頻器直流母線間的連接部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問(wèn)題，首先考慮將蓄電池組直接并聯(lián)到變頻器的直流母線上。該方案設(shè)定蓄電池組的輸出電壓為變頻器母線的投切電壓，當(dāng)變頻器母線電壓發(fā)生跌落低于此電壓值時(shí)，蓄電池組完成投切支撐。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故而避免了復(fù)雜電路可能帶來(lái)的高故障率的問(wèn)題。但是，簡(jiǎn)單并聯(lián)方案的不足在于：

① 電池組或電池單體出現(xiàn)故障，直接影響蓄電池組的輸出甚至變頻器的正常工作。

② 電池組輸出電壓[Ug]為低于變頻器母線直流電壓且[Udc]高于變頻器低壓跳閘閾值[Uo]的固定值（即[Uo

③ 對(duì)于固定值[Ug]的保持，仍需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的電池組輸出電壓的控制電路（電池充電與巡檢單元）。非使用狀態(tài)下，一方面實(shí)現(xiàn)欠壓時(shí)的充電，另一方面，當(dāng)蓄電池組輸出電壓高于固定值[Ug]，還要完成蓄電池組的可控放電，使之穩(wěn)定在固定值[Ug]。

（2） 考慮含有中間級(jí)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案，優(yōu)點(diǎn)是：

① 處于蓄電池組與變頻器直流母線間，起到連接與隔離的雙重作用。設(shè)計(jì)上甚至可以通過(guò)對(duì)蓄電池單體的控制（如故障切除），解決單體故障對(duì)蓄電池組正常工作的影響問(wèn)題。

② 對(duì)蓄電池組輸出的電壓進(jìn)行處理，如實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的功能。只要蓄電池在正常的工作狀態(tài)，經(jīng)過(guò)中間級(jí)的處理，可以實(shí)現(xiàn)支撐電壓的穩(wěn)定，避免了電池因長(zhǎng)時(shí)放電出現(xiàn)的電池軟特性問(wèn)題。

③ 智能化程度大為提高，控制算法與檢測(cè)、監(jiān)測(cè)算法的引入能夠極大提高系統(tǒng)的性能。

隨著IGBT器件與控制技術(shù)的發(fā)展與成熟，PWM控制下的大功率DC/DC變換器得到廣泛應(yīng)用。將該技術(shù)應(yīng)用于DC?BANK系統(tǒng)中，可以使DC?BANK效率、體積、成本和數(shù)字化水平等指標(biāo)得到巨大改善。

考慮直流屏設(shè)備中常用的Boost電路，將蓄電池組輸出的電壓[Ug]升壓至投切電壓[Uk]。進(jìn)一步還可以對(duì)升壓系統(tǒng)進(jìn)行反饋設(shè)計(jì)，通過(guò)反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓來(lái)解決蓄電池放電軟特性的問(wèn)題。但是，對(duì)于蓄電池組輸出電壓的處理上，Boost方案的不足在于：

① 僅僅是通過(guò)增加Boost變壓電路實(shí)現(xiàn)了升壓穩(wěn)壓控制，但是對(duì)于蓄電池組輸出電壓大于投切電壓（仍屬于正常范圍）時(shí)，該方案仍然需要通過(guò)放電控制模塊解決蓄電池中“多余”的電量，或采用降壓硅鏈[4]實(shí)現(xiàn)降壓，或者設(shè)定蓄電池單體充電的截止電壓為12 V，這樣顯然不利于電池的充分利用。

② 由于Boost電路是純升壓電路，其變比大于1，因此原定44×12 V的蓄電池組，額定輸出為530 V支撐電壓的設(shè)計(jì)需要調(diào)整。一者，若保持投切電壓[Uk]為530 V不變，則應(yīng)減少蓄電池?cái)?shù)量，這使得蓄電池單體輸出電流變大且理論支撐時(shí)間變短。二者可以調(diào)高投切電壓，這顯然有違設(shè)計(jì)初衷。

3 升降壓變換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

對(duì)于蓄電池組輸出電壓的處理，本文探討具有升?降壓雙重功能的DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]在DC?BANK系統(tǒng)中的使用。圖2是升降壓變換電路原理圖，Ug為蓄電池組輸出電壓，Uout為變壓模塊的輸出電壓。

該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓應(yīng)力小，電路的升降壓兩種工作模式（即Boost和Buck）各自獨(dú)立，這正是該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)于經(jīng)典Buck?Boost電路的原因。

當(dāng)[Ug>Uk]時(shí)（系統(tǒng)為電池滿充或“過(guò)充”狀態(tài)），VT1始終關(guān)斷，VT2工作在斬波狀態(tài)，電路實(shí)現(xiàn)Buck降壓功能，[Uout=UgDu]（[Du]為PWM控制信號(hào)占空比）；當(dāng)[Ug>Uk]時(shí)（系統(tǒng)為長(zhǎng)時(shí)支撐狀態(tài)或“欠壓”狀態(tài)），VT2始終導(dǎo)通，VT1工作在斬波狀態(tài)，電路實(shí)現(xiàn)Boost升壓功能，[Uout=Ug1-Du]?？梢?jiàn)，對(duì)于電路中的兩個(gè)IGBT器件能直接采用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制可行性高。

由于電壓脈動(dòng)的客觀存在，兩種工作模式轉(zhuǎn)換時(shí)，[Ug]值極接近530 V，這一方面可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁轉(zhuǎn)換，另一方面此時(shí)控制信號(hào)的占空比接近或達(dá)到0或1。設(shè)計(jì)上可以設(shè)置一定的死區(qū)對(duì)此進(jìn)行規(guī)避，或者對(duì)電壓時(shí)行分段，如在[Ug]為600～530 V時(shí)啟動(dòng)Buck模式，當(dāng)[Ug]降至530 V（此時(shí)占空比理論值達(dá)到1）時(shí)，繼續(xù)保持此模式至[Ug]為530時(shí)啟動(dòng)Boost模式。由于控制信號(hào)的占空比[Du]介于0～1之間，因此有必要考慮設(shè)計(jì)一定死區(qū)，避免可能出現(xiàn)的頻繁轉(zhuǎn)換。死區(qū)大小的設(shè)定由[Uout]電壓脈動(dòng)的大小決定。

4 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

如圖3所示，當(dāng)且僅當(dāng)變頻器電機(jī)系統(tǒng)正常工作（sys=1），升降壓變換電路才開(kāi)始工作。其中，CPU通過(guò)采集Ug和Uout的電壓值，控制升降壓變換電路的工作模式，使輸出穩(wěn)壓在530 V。在前提下，當(dāng)Udc發(fā)生跌落或Udc尚未跌落但監(jiān)測(cè)到電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障（net=1），CPU發(fā)出開(kāi)關(guān)投切指令?？刂品桨噶鞒桃?jiàn)圖4。

圖4中系統(tǒng)中諸如480 V放電終止電壓等的參數(shù)設(shè)置為實(shí)驗(yàn)值，實(shí)物設(shè)定以系統(tǒng)實(shí)際為準(zhǔn)。

采用定時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)PWM的發(fā)生與數(shù)字化控制，定時(shí)計(jì)數(shù)器工作在計(jì)數(shù)模式，每個(gè)PWM周期對(duì)應(yīng)256個(gè)時(shí)鐘周期。計(jì)數(shù)器的減計(jì)數(shù)模式下，當(dāng)CPU給定值TL從0～255變化，生成PWM波占空比對(duì)應(yīng)1～0。

當(dāng)變頻器電機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)后，檢測(cè)到蓄電池組電壓在正常范圍則啟動(dòng)升降壓變換模塊，在Buck模式下，將蓄電池組電壓Ug與升降壓變換模塊輸出電壓Uout引入控制器占空比的計(jì)算中，實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)的反饋修正。通過(guò)采樣始終監(jiān)測(cè)蓄電池組電壓變化，在長(zhǎng)時(shí)放電情況下蓄電池組電壓降至投切電壓Uk以下時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入Boost模式，至最低工作電壓時(shí)退出工作，并發(fā)出電池電壓警報(bào)。其中，蓄電池組最低工作電壓及充電截止電壓依據(jù)實(shí)際情況而定。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)DC?BANK系統(tǒng)中蓄電池后級(jí)現(xiàn)有的變壓方案進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，指出現(xiàn)有方案不能充分發(fā)揮蓄電池性能和存在資源浪費(fèi)的問(wèn)題。提出利用一種升降壓變換方案提高蓄電池利用率的設(shè)計(jì)思路，給出控制器流程圖設(shè)計(jì)及部分程序。最后，通過(guò)Multisim仿真驗(yàn)證了方案的合理性和可行性。

在DC?BANK系統(tǒng)中，該拓?fù)湓O(shè)計(jì)相比于其他方案的優(yōu)點(diǎn)有：

（1） 引入升降壓變換電路，擴(kuò)展了蓄電池組正常工作的允許電壓范圍，有利于充分發(fā)揮蓄電池性能，在相同蓄電池組配備條件下，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的支撐時(shí)間；

（2） 電路中Buck和Boost功能相互獨(dú)立運(yùn)行，既能像經(jīng)典Buck?Boost電路那樣實(shí)現(xiàn)升降壓變換功能，又避免了經(jīng)典Buck?Boost拓?fù)潆娐泛透哳l鏈逆變?整流電路因系統(tǒng)級(jí)聯(lián)多而帶來(lái)的系統(tǒng)損耗增加、控制復(fù)雜和可靠性降低的問(wèn)題。

不足之處有：

（1） 只要變頻器?電機(jī)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)下，升降壓變換系統(tǒng)始終工作在變壓模式。相對(duì)而言，實(shí)際DC?BANK系統(tǒng)支撐時(shí)間極短，系統(tǒng)始終處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，存在一定的損耗，這也是無(wú)升降壓變換的直接并聯(lián)方案簡(jiǎn)單實(shí)用之處。

（2） 由于電路將480～600 V左右電壓變壓至530 V輸出，在各自獨(dú)立的升壓或降壓模式下，控制PWM波占空比工作在接近0（0～10%）或接近1（90%～100%）的狀態(tài)[6]。值得注意的是，雖然這種電路要求在模擬電路中實(shí)現(xiàn)有一定困難，但是數(shù)字電路的普及使之容易實(shí)現(xiàn)。此外，升降壓變換系統(tǒng)恒0或恒1的狀態(tài)仍然可取，僅是VT2恒通或VT1恒斷的情況；

（3） 蓄電池組的串聯(lián)充電均充問(wèn)題是由于蓄電池單體之間內(nèi)阻不同，同樣，使用中的放電過(guò)程也會(huì)存在類(lèi)似情況，如何避免使用過(guò)程中單個(gè)蓄電池過(guò)放也是選擇放電終止時(shí)間t4或設(shè)計(jì)保護(hù)電路的參考；

如果方案應(yīng)用于實(shí)際DC?BANK系統(tǒng)中，還應(yīng)充分考慮增設(shè)通信模塊、鍵盤(pán)控制、液晶顯示及友好的人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)等。

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