新型EPS電源工作過程及仿真研究

1 傳統EPS應急電源

??? 工程供電設計中對于一、二類重要負荷需要考慮供電連續性的措施。除了雙電源，雙回路供電外，還需配有應急電源。應急電源是與電網在電氣上獨立的各種電源，包括柴油發電機組和蓄電池，其中蓄電池又分為。EPS(Emergen-cy Power Supply)和UPS(Uninterruptable Power System)。

??? EPS應急電源是以CPU為核心，加上整流充電模塊、逆變放電模塊、旁路切換模塊和蓄電池組成的智能供電模塊，采用電子集成模塊化結構的強弱電一體化系統，是一種高科技環保產品。他在緊急的情況下作為重要負荷的第二或第三電源供給，可望替代不少場合的柴油發電機組和UPS。采用智能芯片控制，維護簡單，自動操作，市電異常時，一般指市電小于187 V或高于242 V，自動切換，切換時間小于0.5 s，可無人值守；采用IGBT逆變橋PWM控制，供電電壓穩定，逆變頻率穩定，波形好；平時處于睡眠狀態(浮充)，逆變橋不工作，電能損耗小，放電效率高。主要適用于電梯、消防、安防、應急照明、醫院手術室和實驗室等重要場合。傳統的EPS采用后備式結構，如圖1所示。

??? 當市電正常供電，切換開關Ks接通市電，應急電源處于整流狀態，蓄電池浮充，逆變電路不工作。當市電異常時，切換開關接通逆變電路，應急電源進入逆變放電過程，并停止充電；同時，檢測蓄電池組端電壓，當端電壓小于放電終止電壓時，蓄電池放電完畢，停止放電。再加上蓄電池組過壓、欠壓保護；輸出交流過壓、過流、高溫、短路保護等功能就組成了傳統EPS應急電源的全部功能。

2 新型EPS應急電源

??? 根據傳統的EPS應急電源，任何時候充電電路與逆變電路都只有一個電路工作，是一種互斥關系，而且需要配置兩套驅動電路，分別驅動整流橋和逆變橋。在結構上有一定的臃腫，控制復雜、功耗大、成本高。充電電路與放電電路都是由IGBT及二極管組成的橋路，他們的驅動電路都是IGBT驅動芯片及其一些外圍電路組成，結構完全相同。新型EPS就是把充電、放電兩部分電路合為一體，結構簡單，控制簡易，系統可靠性也相對提高，更重要的是產品成本低，功耗也相對減少一半。PWM整流器是其重要理論依據和出發點。

2.1 PWM整流器的特點

??? PWM整流器采用全控型開關管取代傳統的半控型開關管或二極管，以PWM斬控整流取代了相近整流或不控整流，具有以下幾大優良性能：

??? (1) 交流側電流正弦波；

??? (2) 交流側功率因數可控(如單位功率因數控制)；

??? (3) 電能雙向傳輸；

??? (4) 較快的動態控制響應。

??? 顯然，由于電能的雙向傳輸，PWM整流器就已經不是傳統意義上的AC／DC變換器了，當PWM整流器從電網吸收電能時，其運行于整流工作狀態，作為整流器工作；而當PWM整流器向電網傳輸電能時，其運行于逆變狀態，作為逆變器工作，所以PWM整流器是集整流與逆變于一身的新型變換器。具體工作原理不做詳細介紹。

2.2 新型EPS工作原理

??? 新型的EPS應急電源工作原理如圖2所示：

??? 可以看出，他也是后備式電源。在結構上"充電電路"與"逆變電路"合并為一個整流／逆變電路，即PWM整流器。他能夠實現傳統的EPS寬／放電的功能，具體的工作過程是這樣的：當市電正常時，Ks合并，即市電同時給負載和電池供電，PWM整流器工作于整流狀態，蓄電池浮充。當市電異常時，為了防止電能回饋電網，Ks斷開，由電池給負載供電，PWM整流器工作于逆變狀態，蓄電池放電。同時，檢測蓄電池端電壓，直到端電壓下降到放電終止電壓時，即蓄電池放電完畢，自動關閉PWM整流器。應該重新充電才能重新使用。由于PWM整流器能夠進行控制功率因數，所以給定電流信號應與電網電壓同相(整流)，或者反向(逆變)，實現單位功率因數控制，凈化電網，提高效率。

3 新型EPS工作過程及仿真

3.1 新型EPS工作過程分析

??? 新型EPS的功能應該滿足傳統EPS的功能和蓄電池的充電要求。這里所說的蓄電池是指閥控鉛酸蓄電池。蓄電池理想充電電流是指數下降的。一般情況下，蓄電池的充電過程可分恒流充電，恒壓充電和浮充三個過程。當市電異常時，蓄電池放電給負載供電，PWM整流器進入逆變放電狀態，即無源逆變過程。

???? 蓄電池在使用過程中，容量是不斷下降的，當電池容量衰減至初始值的80％時，進入快速失效期，容量衰減加快，普遍認為容量低于初始值的80%的蓄電池為失效電池。所以電池容量檢測是至關重要的。根據PWM整流器能量雙向傳輸的優點，可以采用放電法進行容量檢測，并把所放出來的電放回電網，既安全，又高效。具體的過程是這樣的：

??? 當系統工作過程轉入容量檢測過程后，控制放電電流為一恒定負值I*(充電方向為正)。此時，蓄電池作為電源，電網作為負載，PWM整流器工作在有源逆變狀態。當電流穩定到給定值I*后，開始計時。同時，循環檢測各單節電池電壓，有任一個單節電池電壓低于規定值時，放電完畢，讀取放電時間T。那么電池容量就是I*·T(安時)。當測量完成后，馬上對蓄電池進行充電，減少電網突然斷電的危險性。

??? 可見，新型EPS的工作過程可分為5種：恒流充電過程、恒壓充電過程、浮充過程、無源逆變過程和有源逆變過程。其中恒壓充電過程與浮充過程的控制方案是相同的，電壓給定值不同；恒流充電過程與有源逆變過程的控制方案也是相同的，他們最大區別是電流給定值相反，大小也不相同；無源逆變過程則是一般的電池逆變過程，只要控制輸出電壓的頻率和幅值。

3.2 工作過程仿真分析

??? 根據新型EPS五個工作過程的特點，簡要闡述各個過程的控制方案。利用Matlab的Simulink強大的仿真能力，對各個工作過程進行仿真，給出PWM整流器直流側與交流側的電壓／電流仿真波形圖，并進行簡單分析。

3.2.1 恒壓充電與浮充仿真分析

??? 恒壓充電與浮充的控制系統采用雙環結構，即電流內環和電壓外環，電壓外環采用PI凋節，使蓄電池的端電壓跟蹤給定電壓值。內環采用P調節，進行電流正弦波和高功率因數控制。

??? 蓄電池在充電過程中，對電網來說，蓄電池是一個負載，高功率閃數控制時，PWM整流器網側電流跟蹤電壓信號。從圖3和圖4中可以看出，蓄電池充電初期，電流幅值較大，當t=0.1 s時。電流幅值減少，蓄電池端電壓達到穩態值；當蓄電池由恒壓充電到浮充電(電壓稍降)時，蓄電池有短暫的放電過程，即t=0.25 s處電流與電壓反相；蓄電池進入浮充狀態后，充電電流明顯降低。

3.2.2 恒流充電與有源逆變仿真分析

??? 恒流充電與有源逆變的控制系統也是由雙環結構，內環是電流環(交流)，采用P調節，達到交流側的電流為正弦波和高功率因數，而外環仍然是電流環(直流)，采用PI調節，控制直流側的電流跟蹤給定信號，實現恒流充電或者有源逆變功能。

??? 圖5和圖6是40 A的恒流充電到40 A的有源逆變仿真的電壓／電流波形。在恒流充電過程，交流側電壓與電流同相，蓄電池吸收電網能量；在有源逆變過程，交流側電壓與電流反相，蓄電池給電網供電，放電電流基本恒定，可以進行蓄電池容量測量。

3.2.3 無源逆變仿真分析

??? 無源逆變即蓄電池給負載供電的過程。跟其他一般逆變控制方法相同，控制輸出電壓的頻率與幅值不變。從圖7可以看出，當t=0.2 s時，并聯一個電阻，模擬負載的擾動，逆變電壓的波形基本不變，可見逆變電源有一定的帶負載能力，魯棒性較好。

4 結 語

??? 根據PWM整流器的優點所設計的新型EPS應急電源實現了蓄電池管理的自動化和數字化。對提高后備電源系統的安全運行、可靠性和延長蓄電池的使用壽命也有著十分重要的意義。通過對新型EPS應急電源的各個工作過程的分析和仿真，對新型EPS具有更加全面、更加深入的認識，是進一步研究和設計的基礎，在深入研究中發揮重要作用。