新型EPS电源工作过程及仿真研究

新型EPS电源工作过程及仿真研究

1 传统EPS应急电源

    工程供电设计中对于一、二类重要负荷需要考虑供电连续性的措施。除了双电源，双回路供电外，还需配有应急电源。应急电源是与电网在电气上独立的各种电源，包括柴油发电机组和蓄电池，其中蓄电池又分为。EPS(Emergen-cy Power Supply)和UPS(Uninterruptable Power System)。

    EPS应急电源是以CPU为核心，加上整流充电模块、逆变放电模块、旁路切换模块和蓄电池组成的智能供电模块，采用电子集成模块化结构的强弱电一体化系统，是一种高科技环保产品。他在紧急的情况下作为重要负荷的第二或第三电源供给，可望替代不少场合的柴油发电机组和UPS。采用智能芯片控制，维护简单，自动操作，市电异常时，一般指市电小于187 V或高于242 V，自动切换，切换时间小于0.5 s，可无人值守；采用IGBT逆变桥PWM控制，供电电压稳定，逆变频率稳定，波形好；平时处于睡眠状态(浮充)，逆变桥不工作，电能损耗小，放电效率高。主要适用于电梯、消防、安防、应急照明、医院手术室和实验室等重要场合。传统的EPS采用后备式结构，如图1所示。

    当市电正常供电，切换开关Ks接通市电，应急电源处于整流状态，蓄电池浮充，逆变电路不工作。当市电异常时，切换开关接通逆变电路，应急电源进入逆变放电过程，并停止充电；同时，检测蓄电池组端电压，当端电压小于放电终止电压时，蓄电池放电完毕，停止放电。再加上蓄电池组过压、欠压保护；输出交流过压、过流、高温、短路保护等功能就组成了传统EPS应急电源的全部功能。

2 新型EPS应急电源

    根据传统的EPS应急电源，任何时候充电电路与逆变电路都只有一个电路工作，是一种互斥关系，而且需要配置两套驱动电路，分别驱动整流桥和逆变桥。在结构上有一定的臃肿，控制复杂、功耗大、成本高。充电电路与放电电路都是由IGBT及二极管组成的桥路，他们的驱动电路都是IGBT驱动芯片及其一些外围电路组成，结构完全相同。新型EPS就是把充电、放电两部分电路合为一体，结构简单，控制简易，系统可靠性也相对提高，更重要的是产品成本低，功耗也相对减少一半。PWM整流器是其重要理论依据和出发点。

2.1 PWM整流器的特点

    PWM整流器采用全控型开关管取代传统的半控型开关管或二极管，以PWM斩控整流取代了相近整流或不控整流，具有以下几大优良性能：

    (1) 交流侧电流正弦波；

    (2) 交流侧功率因数可控(如单位功率因数控制)；

    (3) 电能双向传输；

    (4) 较快的动态控制响应。

    显然，由于电能的双向传输，PWM整流器就已经不是传统意义上的AC／DC变换器了，当PWM整流器从电网吸收电能时，其运行于整流工作状态，作为整流器工作；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于逆变状态，作为逆变器工作，所以PWM整流器是集整流与逆变于一身的新型变换器。具体工作原理不做详细介绍。

2.2 新型EPS工作原理

    新型的EPS应急电源工作原理如图2所示：

    可以看出，他也是后备式电源。在结构上"充电电路"与"逆变电路"合并为一个整流／逆变电路，即PWM整流器。他能够实现传统的EPS宽／放电的功能，具体的工作过程是这样的：当市电正常时，Ks合并，即市电同时给负载和电池供电，PWM整流器工作于整流状态，蓄电池浮充。当市电异常时，为了防止电能回馈电网，Ks断开，由电池给负载供电，PWM整流器工作于逆变状态，蓄电池放电。同时，检测蓄电池端电压，直到端电压下降到放电终止电压时，即蓄电池放电完毕，自动关闭PWM整流器。应该重新充电才能重新使用。由于PWM整流器能够进行控制功率因数，所以给定电流信号应与电网电压同相(整流)，或者反向(逆变)，实现单位功率因数控制，净化电网，提高效率。

3 新型EPS工作过程及仿真

3.1 新型EPS工作过程分析

    新型EPS的功能应该满足传统EPS的功能和蓄电池的充电要求。这里所说的蓄电池是指阀控铅酸蓄电池。蓄电池理想充电电流是指数下降的。一般情况下，蓄电池的充电过程可分恒流充电，恒压充电和浮充三个过程。当市电异常时，蓄电池放电给负载供电，PWM整流器进入逆变放电状态，即无源逆变过程。

     蓄电池在使用过程中，容量是不断下降的，当电池容量衰减至初始值的80％时，进入快速失效期，容量衰减加快，普遍认为容量低于初始值的80%的蓄电池为失效电池。所以电池容量检测是至关重要的。根据PWM整流器能量双向传输的优点，可以采用放电法进行容量检测，并把所放出来的电放回电网，既安全，又高效。具体的过程是这样的：

    当系统工作过程转入容量检测过程后，控制放电电流为一恒定负值I*(充电方向为正)。此时，蓄电池作为电源，电网作为负载，PWM整流器工作在有源逆变状态。当电流稳定到给定值I*后，开始计时。同时，循环检测各单节电池电压，有任一个单节电池电压低于规定值时，放电完毕，读取放电时间T。那么电池容量就是I*·T(安时)。当测量完成后，马上对蓄电池进行充电，减少电网突然断电的危险性。

    可见，新型EPS的工作过程可分为5种：恒流充电过程、恒压充电过程、浮充过程、无源逆变过程和有源逆变过程。其中恒压充电过程与浮充过程的控制方案是相同的，电压给定值不同；恒流充电过程与有源逆变过程的控制方案也是相同的，他们最大区别是电流给定值相反，大小也不相同；无源逆变过程则是一般的电池逆变过程，只要控制输出电压的频率和幅值。

3.2 工作过程仿真分析

    根据新型EPS五个工作过程的特点，简要阐述各个过程的控制方案。利用Matlab的Simulink强大的仿真能力，对各个工作过程进行仿真，给出PWM整流器直流侧与交流侧的电压／电流仿真波形图，并进行简单分析。

3.2.1 恒压充电与浮充仿真分析

    恒压充电与浮充的控制系统采用双环结构，即电流内环和电压外环，电压外环采用PI凋节，使蓄电池的端电压跟踪给定电压值。内环采用P调节，进行电流正弦波和高功率因数控制。

    蓄电池在充电过程中，对电网来说，蓄电池是一个负载，高功率闪数控制时，PWM整流器网侧电流跟踪电压信号。从图3和图4中可以看出，蓄电池充电初期，电流幅值较大，当t=0.1 s时。电流幅值减少，蓄电池端电压达到稳态值；当蓄电池由恒压充电到浮充电(电压稍降)时，蓄电池有短暂的放电过程，即t=0.25 s处电流与电压反相；蓄电池进入浮充状态后，充电电流明显降低。

3.2.2 恒流充电与有源逆变仿真分析

    恒流充电与有源逆变的控制系统也是由双环结构，内环是电流环(交流)，采用P调节，达到交流侧的电流为正弦波和高功率因数，而外环仍然是电流环(直流)，采用PI调节，控制直流侧的电流跟踪给定信号，实现恒流充电或者有源逆变功能。

    图5和图6是40 A的恒流充电到40 A的有源逆变仿真的电压／电流波形。在恒流充电过程，交流侧电压与电流同相，蓄电池吸收电网能量；在有源逆变过程，交流侧电压与电流反相，蓄电池给电网供电，放电电流基本恒定，可以进行蓄电池容量测量。

3.2.3 无源逆变仿真分析

    无源逆变即蓄电池给负载供电的过程。跟其他一般逆变控制方法相同，控制输出电压的频率与幅值不变。从图7可以看出，当t=0.2 s时，并联一个电阻，模拟负载的扰动，逆变电压的波形基本不变，可见逆变电源有一定的带负载能力，鲁棒性较好。

4 结 语

    根据PWM整流器的优点所设计的新型EPS应急电源实现了蓄电池管理的自动化和数字化。对提高后备电源系统的安全运行、可靠性和延长蓄电池的使用寿命也有着十分重要的意义。通过对新型EPS应急电源的各个工作过程的分析和仿真，对新型EPS具有更加全面、更加深入的认识，是进一步研究和设计的基础，在深入研究中发挥重要作用。