赫優訊netPLC模塊在防閃絡后備電源系統中的應用

德國赫優訊自動化系統有限公司上海分公司 袁海峰

1 應用背景

在夏季雷雨多發季節，電網會發生瞬時電壓跌落的現象，稱為電網閃絡，在很短的時間內（0.5～1s）電壓會產生很大的下降甚至完全斷電。在聚酯和長絲生產線上大量使用的變頻器會由于電網閃絡而產生欠壓故障。由于聚酯和長絲連續生產的特點，熔體出料泵和紡絲增壓泵瞬時停車會造成紡絲生產線全線停車排廢，損失巨大。因此，需要有一種后備電源系統，能在電網電壓瞬時跌落的時間里（1秒左右），能提供變頻器短時工作的能量。

圖1 防閃絡后備電源系統控制柜

圖2 系統結構圖

深圳京能紡系統集成有限公司（簡稱京能紡公司）的防閃絡后備電源系統（如圖1所示），采用動力鋰離子電池儲能的方式為變頻器提供瞬時直流供電，維持變頻器的運行。因為在聚酯和長絲生產線中，控制系統使用的是UPS電源，因此這種電網閃絡對控制回路不會造成影響。

2 系統組成

防閃絡后備電源系統由若干子系統組成，主要包括：動力鋰電池組、DC/DC轉換器、電池管理系統、充放電器、PLC控制系統與直流分配系統等。系統結構圖如圖2所示。

3 系統原理

動力鋰電池與DC/DC變換器的輸入側連接，DC/DC變換器輸出通過鉗位二極管與變頻器直流母線連接。電池組電壓為440VDC，DC/DC變換器的輸出設定為510VDC。當電網供電正常時(380V)，變頻器直流母線電壓為540VDC，這時鉗位二極管處于反向截止狀態，電池組不會向變頻器供電；當電網發生閃絡時，變頻器直流母線電壓降落到510VDC以下時，鉗位二極管正向導通，電池組通過DC/DC變換器向變頻器供電，而DC/DC變換器將控制直流電壓維持在510VDC。為保護電池不會過放電，一臺PLC控制DC/DC供電時間不超過30秒。每個變頻器供電回路均安裝鉗位二極管，保證變頻器直流回路之間沒有環流，以及不影響正常供電回路。每個供電回路均安裝快速熔斷器起保護作用。每個供電回路都有一個接觸器，當主變頻器處于準備好狀態時，接觸器閉合，直流回路可以供電；當主變頻器故障產生或處于檢修狀態時，準備節點斷開，控制接觸器斷開，保證這路直流不會對檢修造成影響。在每個供電回路還要安裝一臺斷路器，在檢修時斷開，確保檢修時的安全。

圖3 控制柜內部圖

4 子系統說明

電池組一般選用三元聚合物鋰電池，并帶有電池管理系統。京能紡公司的電池管理系統是在普通電池管理系統不能滿足要求的情況下獨立開發研制的一種電池管理系統。此系統可以檢測并計算出每一節電池的電壓、溫度、內阻、充放電電流以及SOC（充電狀態，也就是電量值），并且以工業總線通訊的方式傳送給控制系統。電池管理系統提供的信息可以直接定位到故障電池的地址，方便快速判斷故障位置及類型，節省維護時間。

專門定制的充電器（IGBT可逆式充放電裝置）是一種可控式主動整流裝置。基本原理與逆變橋類似，但功能是利用三相IGBT橋進行整流控制，這種回路可以精確控制直流電壓和電流的大小，控制系統通過總線通訊方式可以設定電池組的充電電壓、電流等參數，實現電池的均充/浮充、恒流/恒壓等充電功能。

將電池供電接入變頻器需要直流分配系統，包括斷路器、鉗位二極管、接觸器、快速熔斷器以及變頻器側空開等。控制系統檢測到變頻器得電后發送過來的“準備好”信號后，由PLC控制相應的輸出接觸器閉合。鉗位二極管使變頻器的直流回路之間不會形成環流，也不會使變頻器對電池組供電。使用快速熔斷器作為直流回路保護器件，可以保護接地、短路等故障。

控制系統是控制整個電源系統正常工作的核心，而PLC控制器又是控制系統的核心，能夠協調各個子系統間的互相配合運行。PLC控制器采用赫優訊公司的netPLC模塊（如圖4及圖5中紅色方框內）。netPLC基于赫優訊netX技術，是即插即用的集成現場總線通訊功能與邏輯控制功能的嵌入式模塊。用戶可以使用西門子公司STEP7編程工具編寫自己的邏輯程序，也可以使用CoDeSys或MULTIPROG等IEC-61131標準的編程環境。模塊上的PROFIBUS-DP主站接口，能夠實現中小型PLC的性能來控制本地I/O及分布式遠程I/O。

圖4 赫優訊netPLC模塊

PLC的功能是對電池的電量和充放電進行管理，將電池的電量控制在50%左右，以延長電池的使用壽命。PLC還管理著直流掛網原件（接觸器）的動作，檢測相應回路的變頻器的準備信號，當這個信號ON時，表示這臺變頻器送電，直流母線工作，則合上接觸器，準備直流供電；當檢測到準備信號OFF，則說明這臺變頻器處于檢修狀態或是沒有送電，PLC將切斷相應的接觸器，防止誤送電至檢修位置。系統中還配置有人機界面，采用觸摸屏形式，PLC將電池組的相關數據（電壓、溫度、SOC等）、充電放電的相關操作和指示，放電時間等事件記錄，并將故障信息等發送到觸摸屏上進行顯示。

圖5 基于netPLC的控制器

5 結語

目前，京能紡公司的該套防閃絡后備電源系統，已經在多個聚酯裝置的變頻系統工程上成功進行了實施，成為了非常成熟的防閃絡解決方案。

[1]NPLC-M100 Module PLC DG 01 EN.pdf[Z].赫優訊netPLC模塊開發手冊.

[2]京能紡防閃絡后備電源系統技術方案說明[Z].