高壓直流電源的控制與監測

王景娟，王 鑫，陳曉平，孫懿帥

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063000）

0 引 言

電子開關技術的發展帶動了相關電氣設備的更新、改善和提高。對于高壓直流電源的整流，為了提高產品的競爭力和輸出更好的直流電壓效果，優化電源，選用IGBT作為整流控制，大大提升了性能。MK系列直流電源除了采用IGBT作為整流外，對電壓的調節輸出選用PWM脈寬調制作為閉環調節的控制環節，電池為單獨充電模塊供電，與回路分開控制，有效避免了回路故障對電池的影響，自動調節剩余充電模塊的電壓，控制更加智能[1]。下面將詳述直流電源的控制原理和監測優勢。

1 直流電源系統組成及特點

1.1 系統組成

通信總線和電源總線把監控模塊、充電模塊以及絕緣監察模塊連接在一起。

（1）充電模塊，變換交流為直流，對電池充電，提供穩壓或穩流電源。

（2）監控模塊，交換并處理模塊信息，是人機操作、監控界面。

（3）自動調壓裝置，把充電模塊輸出電壓經過自動調壓后提供穩定電壓給直流母線。

（4）直流饋電，可以把直流輸出電源分配到每一路輸出。

（5）絕緣監察模塊，監測系統母線和支路的絕緣狀況，并把數據傳到監控模塊。

1.2 系統特點

（1）智能控制的充電模塊，采用IGBT功率器件、PWM脈寬調制技術、抗干擾能力強的計算機和串行的A/D、D/A轉換器等，通過通信接口對模塊進行啟停控制、參數設定、運行狀態檢測。

（2）充電模塊，能提供50 A的輸出能力，容量大，可靠性高[2]。

（3）電池壽命高，主要是因為充電模塊結構獨特，使得充電電流與控制母線負載變化無關，做到恒流充電，不會造成過沖或欠沖，穩壓穩流可以保證電池的使用壽命。

（4）液晶操作顯示屏，具有觸摸功能，操作界面友好，中文提示對系統進行操作，報警記錄幫助用戶診斷系統故障。

（5）通信，多種通信規約實現“四遙”功能，包括485、422、232標準。

（6）預設充電曲線，充電間隔、浮充電壓、恒流電流值均可通過監控模塊設置，滿足用戶需求。

（7）監控模塊，可以檢測單節電池電壓，出現異常及時發出報警。

2 脈寬調制（PWM）和充電模塊的原理分析

2.1 充電模塊的原理

輸入為三相交流，經過IGBT整流、濾波、BUCK變換、電感電容濾波后輸出直流，通過PWM調節直流脈沖的占空比，調整直流輸出電壓或電流，原理如圖1所示。

計算機監控充電模塊，通過內部通信總線接收監控模塊發來的命令，把充電模塊運行數據上傳給監控模塊。詳細的數據交換[3]：將充電模塊的啟停狀態、過流、控制電源低電壓故障、均/浮充狀態傳送給監控模塊；把充電模塊的輸出電壓電流傳送給監控模塊；反之，監控模塊下達命令給充電模塊執行啟停和均/浮充電轉換，設定或微調充電模塊的電壓和電流。充電模塊上有5個工作指示燈，分別為電源、啟動、通信、過流故障和電源故障。

圖1 充電模塊變換框圖

2.2 脈寬調制

脈沖寬度調制型變頻電路通常稱為PWM（Pulse Width Modulation）型變頻電路。交流電源供給充電模塊整流的電源為三相對稱正弦電壓。

式中，UL為電源的線電壓有效值，ω為電壓的角頻率。因此，三相磁鏈的表達式為：

其中，Ψm為磁鏈的幅值，即為理想磁鏈圓的半徑。

從式（3）可以看出，整流輸出電壓頻率之比不變時，磁鏈圓半徑Ψm不變。因此，空間矢量PWM也稱為磁鏈軌跡PWM。本文以式（3）為半徑的磁鏈圓為基準圓。

采用線性組合法控制PWM的開關時間，可以使磁鏈軌跡逼近圓形旋轉磁場。如果每周期只切換6次，磁鏈軌跡呈六邊形，增加切換次數，每段施加的電壓空間矢量相位都不一樣，通過使用基本電壓矢量線性組合方法，把相鄰電壓空間矢量組合構成新的電壓矢量。在常規六節拍逆變器中，一個扇區僅包含兩個開關工作狀態，實現SVPWM控制就是要把每一扇區再分成若干個對應于換相周期的小區間[4]。按照上述方法插入若干個線性組合的新電壓空間矢量，就能獲得優于正六邊形而逼近圓形的旋轉磁場。

3 系統啟動、停機和人機監控界面操作

3.1 系統啟動、停機操作

系統啟動時，①合主電源和備用電源斷路器1QF、2QF，當主電源有電時，充電模塊電源指示燈亮；②合電池充放電斷路器3QF；③監控模塊電源開關打到開的位置，電源指示燈亮，顯示屏顯示系統主頁，當通信正常時，充電模塊、監控模塊上通信指示燈閃爍；④合控制母線斷路器和合閘母線斷路器4QF和5QF；⑤在點擊觸摸屏右下方的“系統操作鍵”進入系統子畫面，點擊“啟動”，啟動所有充電模塊。

停機與啟動順序相反。①在觸摸屏點擊“停止”，停止所有充電模塊的輸出；②斷開控制母線斷路器和合閘母線斷路器4QF和5QF；③監控模塊電源開關打到關的位置；④斷開電池充放電斷路器3QF；⑤斷開主電源和備用電源斷路器1QF、2QF。

3.2 人機界面操作

人機界面包括系統模擬狀態圖、使用菜單、提示信息、參數查詢、報警查詢、系統設定以及系統操作等。模擬狀態圖提供了設備狀態信息，主要是主電源、備用電源接觸器、充電模塊是否啟動、電池充放電、控制母線以及合閘母線輸出斷路器等狀態。系統提示信息可以提示運行正常、報警信息，同時在監控模塊上報警燈閃爍，蜂鳴器發出報警聲。系統設定操作主要設定充電曲線、報警參數的上下限和時鐘，其他一般不需設定。

在人機操作界面尤其要注意的電池的設定，以電池充電電流或浮充持續時間為依據，控制充電模塊由浮充轉入均充，或者控制充電模塊由均充轉入浮充。對單個2 V電池，浮充電壓約為2.25 V，均充電壓約為2.35 V，電池充電限流值為0.1 A。通常，充電電流大于0.06 A，持續60 s或浮充持續時間超過設定值則轉均充，若電流小于0.01 A持續3 h或均充超過24 h則轉浮充[5]。

4 結 論

直流電源技術的發展為高壓柜的運行和控制提供了可靠保障，智能化的模塊、多樣的報警提示、簡單的操作、電池的優化設置、重要的數據監測等，都降低了設備維護的難度，加快了故障排除時間。對于電池的充電控制方面，考慮要更全面，以提高電池的使用壽命，方便維護人員查看電池狀態信息。