基于熱插拔不間斷增容技術(shù)的便攜式現(xiàn)場施工電源設(shè)計(jì)

杭劍文，王 璟，錢均飛

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 無錫供電分公司，江蘇 無錫 214171）

0 引 言

現(xiàn)場施工過程中需要涉及到多種電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備，機(jī)械設(shè)備的使用需要消耗一定的電源，主要依靠電源啟動施工現(xiàn)場的機(jī)械設(shè)備，從而完成現(xiàn)場施工[1]。而施工現(xiàn)場供電設(shè)施還并不完善，因此目前主要依靠便攜式電源為現(xiàn)場施工提供充足的電源。現(xiàn)場施工電源需要具備結(jié)構(gòu)簡單、容量充足以及移動方便等需求，根據(jù)各項(xiàng)施工項(xiàng)目能夠隨意搬移電源，對電源的安全可靠性、工作高效性以及環(huán)保節(jié)能性具有較高的要求[2]。一個(gè)完整的電源主要由逆變單元、儲能單元、照明單元、升壓變換單元以及便攜式箱體5部分組成，能夠?yàn)楝F(xiàn)場施工提供獨(dú)立的直流應(yīng)急電源，同時(shí)還需要易于維護(hù)和檢修[3]。

1 便攜式現(xiàn)場施工電源設(shè)計(jì)

1.1 便攜式現(xiàn)場施工電源元器件設(shè)計(jì)

根據(jù)便攜式現(xiàn)場施工電源的實(shí)際應(yīng)用需要，結(jié)合便攜式現(xiàn)場施工電源工作原理，對其相關(guān)元器件參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并根據(jù)具體參數(shù)范圍選擇對應(yīng)的元器件型號。此次采用四路變換裝置電源的設(shè)計(jì)思路，設(shè)定便攜式現(xiàn)場施工電源中的電壓反饋電阻和電流采樣電阻等相關(guān)元器件的參數(shù)，具體設(shè)計(jì)如下。

首先，針對便攜式現(xiàn)場施工電源中的電壓反饋電阻進(jìn)行設(shè)定，結(jié)合平均電流經(jīng)過反饋電阻時(shí)的實(shí)際需要，在便攜式現(xiàn)場施工電源的FB端需要形成壓降形式的電壓變化[4]。電路應(yīng)當(dāng)由輕載狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闈M載狀態(tài)，并完成對電壓的下沖。在降壓過程中，反饋電阻補(bǔ)償會使誤差放大器仍然處于工作狀態(tài)，不會進(jìn)入到飽和區(qū)域當(dāng)中，使電路可以在更大的狀態(tài)下工作[5]。通常情況下，便攜式現(xiàn)場施工電源的輸出下沖電壓為100 mV，則電源反饋電阻的阻值計(jì)算公式應(yīng)為：

式中，Rf表示便攜式現(xiàn)場施工電源反饋電阻的阻值大小；V表示便攜式現(xiàn)場施工電源應(yīng)當(dāng)完成的輸出下沖電壓大小；Y表示便攜式現(xiàn)場施工電源滿載時(shí)的輸出電流[6]。根據(jù)上述公式計(jì)算得出，便攜式現(xiàn)場施工電源反饋電阻的阻值應(yīng)為2.5 kΩ，并且當(dāng)便攜式現(xiàn)場施工電源電路工作處于滿載的狀態(tài)時(shí)，其最大采樣電流應(yīng)為100 μA。根據(jù)上述要求，此次選擇DUSDSF5SF型號的反饋電阻作為便攜式現(xiàn)場施工電源中的反饋電阻元器件，該型號反饋電阻的溫度系數(shù)為2.65，額定功率為2.45 W，外觀為平面片狀結(jié)構(gòu)，整體比較小，易于安裝和攜帶。

針對便攜式現(xiàn)場施工電源中電流采樣電阻的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，由本文上述可知，在進(jìn)行滿載狀態(tài)的運(yùn)行過程中，其最大采樣電流為100 μA，因此對采樣電阻參數(shù)設(shè)定的計(jì)算公式為：

式中，Rc表示便攜式現(xiàn)場施工電源的電流采樣電阻的阻值大小；I表示便攜式現(xiàn)場施工電源當(dāng)中每路輸出電感電流的平均值大小；r表示整流管的導(dǎo)通電阻大小[7]。根據(jù)便攜式現(xiàn)場施工電源的運(yùn)行需要，便攜式現(xiàn)場施工電源當(dāng)中每路輸出電感電流的平均值大小應(yīng)為45 A，整流管的導(dǎo)通電阻大小應(yīng)為15 mΩ。根據(jù)上述要求選擇便攜式現(xiàn)場施工電源電流采樣電阻的型號，選擇KADF-1S2F型號電阻作為便攜式現(xiàn)場施工電源的電流采樣電阻，其溫度系數(shù)為±35 ppm/℃，工作溫度為-60～95 ℃，功率大小為0.25～9.25 W，整體結(jié)構(gòu)尺寸偏小，符合便攜式現(xiàn)場施工電源的設(shè)計(jì)需求。

1.2 基于熱插拔不間斷增容技術(shù)的電源電路設(shè)計(jì)

在上文設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對便攜式現(xiàn)場施工電源電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。從上述分析可知，便攜式現(xiàn)場施工電源當(dāng)中包含DUSD-SF5SF型號反饋電阻和KADF-1S2F型號電流采樣電阻。除此之外，為實(shí)現(xiàn)便攜式現(xiàn)場施工電源的廣泛應(yīng)用，此次采用熱插拔不間斷增容技術(shù)，對便攜式現(xiàn)場施工電源電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。將便攜式現(xiàn)場施工電源的核心元件設(shè)計(jì)了熱插拔不間斷增容功能，具體如圖1所示。

圖1 基于熱插拔不間斷增容技術(shù)的電源電路示意圖

如圖所示，該便攜式現(xiàn)場施工電源電路整體結(jié)構(gòu)中利用熱插拔不間斷增容技術(shù)產(chǎn)生多路相位，彼此之前的PWM脈沖超過90°，在PWM脈沖的兩段與驅(qū)動裝置進(jìn)行相互連接，并且每個(gè)驅(qū)動裝置之間都會產(chǎn)生兩組不同形式的互補(bǔ)波形，以此實(shí)現(xiàn)PWM脈沖與電源電路主控芯片相互連接的四路同步整流電路[8]。在整個(gè)電路結(jié)構(gòu)當(dāng)中，便攜式現(xiàn)場施工電源電路中每組變換裝置的下端均連接著DKSDFS管，并且均是通過反向并聯(lián)的方式連接。其中兩組電路變換裝置下端DKSDFS管又構(gòu)成了便攜式現(xiàn)場施工電源的供電電路，為其日常運(yùn)行提供5 V的電源電壓，以此實(shí)現(xiàn)便攜式現(xiàn)場施工電源的熱插拔不間斷增容功能[9]。此外為了實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)便攜式現(xiàn)場施工電源的簡化，采用5個(gè)模擬開關(guān)與一個(gè)分壓電阻組成的電路作為主要的供電電路，向四路電路傳輸工作電壓，以此完成基于熱插拔不間斷增容技術(shù)的電源電路設(shè)計(jì)。

1.3 便攜式現(xiàn)場施工電源容量配置設(shè)計(jì)

在便攜式現(xiàn)場施工電源儲能過程中需要準(zhǔn)確把控儲能功率和儲能容量兩個(gè)技術(shù)參數(shù)，為了進(jìn)一步提高便攜式現(xiàn)場施工電源的儲能功能，將攜式現(xiàn)場施工電源的儲能單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為鋰電池結(jié)合超級電容器的混合儲能結(jié)構(gòu)。在儲能過程中超級電容器具備大電流充放能力，而鋰電池的功率輸出反應(yīng)速度比較慢，針對兩種儲能裝置的特性，利用高通濾波器原理合理分配兩個(gè)儲能裝置的儲能功率，分別計(jì)算出便攜式現(xiàn)場施工電源儲能裝置吞吐功率的參考值，計(jì)算公式為：

式中，Ped表示便攜式現(xiàn)場施工電源儲能裝置中超級電容器吞吐功率；τed表示便攜式現(xiàn)場施工電源高通濾波器的時(shí)間常數(shù)；Phe表示便攜式現(xiàn)場施工電源儲能功率；Pli表示便攜式現(xiàn)場施工電源儲能裝置中鋰電池吞吐功率[10]。對式（3）進(jìn)行計(jì)算，得到便攜式現(xiàn)場施工電源電量的變化，根據(jù)該變化值對便攜式現(xiàn)場施工電源儲能功率進(jìn)行分配。當(dāng)計(jì)算到便攜式現(xiàn)場施工電源電量的變化波動在0.1 Hz以上的高頻波動電能，利用超級電容器對其進(jìn)行吸收，當(dāng)計(jì)算到便攜式現(xiàn)場施工電源電量的變化波動在0.01～0.1 Hz，則由鋰電池對其進(jìn)行吸收。

配置完便攜式現(xiàn)場施工電源儲能功率后，根據(jù)濾波后的功率確定便攜式現(xiàn)場施工電源儲能電容量，波動后的功率計(jì)算公式為：

式中，Xk為k時(shí)刻便攜式現(xiàn)場施工電源原始功率；Yk和Yk-1分別為某時(shí)刻便攜式現(xiàn)場施工電源濾波后的功率；T為便攜式現(xiàn)場施工電源功率。根據(jù)式（4）的計(jì)算結(jié)果，確定在某時(shí)刻便攜式現(xiàn)場施工電源儲能容量，其計(jì)算公式為：

式中，Ek表示k時(shí)刻便攜式現(xiàn)場施工電源儲能容量；E0為便攜式現(xiàn)場施工電源初始電量值。利用上述公式計(jì)算出便攜式現(xiàn)場施工電源儲能容量，按照計(jì)算結(jié)果對便攜式現(xiàn)場施工電源儲能裝置的容量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)配置，為便攜式現(xiàn)場施工電源提供充足的容量資源，以此完成基于熱插拔不間斷增容技術(shù)的便攜式現(xiàn)場施工電源設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

以某現(xiàn)場施工為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，該現(xiàn)場施工涉及到的機(jī)械設(shè)備共56個(gè)，對電能需求量較大，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)的便攜式現(xiàn)場施工電源與傳統(tǒng)電源為該現(xiàn)場施工提供電能。實(shí)驗(yàn)中按照上述設(shè)計(jì)方案對現(xiàn)場施工電源進(jìn)行組裝，實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為24 h，實(shí)驗(yàn)過程中令現(xiàn)場施工中所有機(jī)械設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，利用KID測量儀器對便攜式現(xiàn)場施工電源的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，測量到兩種便攜式現(xiàn)場施工電源在實(shí)驗(yàn)中的停電時(shí)間，《便攜式現(xiàn)場施工電源設(shè)計(jì)規(guī)范》GB5642-2010中規(guī)定，現(xiàn)場施工電源停電時(shí)間不得超過電源供電時(shí)間的0.1%，因此實(shí)驗(yàn)將便攜式現(xiàn)場施工電源停電時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對兩種電源進(jìn)行對比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種便攜式現(xiàn)場施工電源停電時(shí)間對比

從表中可以看出，此次設(shè)計(jì)的便攜式現(xiàn)場施工電源停電時(shí)間比較短，停電時(shí)間可以控制在總運(yùn)行時(shí)間的1%以內(nèi)，而傳統(tǒng)便攜式現(xiàn)場施工電源停電時(shí)間較長，可以達(dá)到總運(yùn)行時(shí)間的5%。因此實(shí)驗(yàn)證明了基于熱插拔不間斷增容技術(shù)的便攜式現(xiàn)場施工電源可有效保證施工現(xiàn)場電源的續(xù)航能力，具有較好的可行性和可靠性。

3 結(jié) 論

本文在原有便攜式現(xiàn)場施工電源基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了優(yōu)化與改良，提出了一套基于熱插拔不間斷增容技術(shù)的便攜式現(xiàn)場施工電源設(shè)計(jì)理論。此次研究對提供便攜式現(xiàn)場施工電源電容量以及供電能力具有重要的作用，同時(shí)對提高現(xiàn)場施工效率、降低現(xiàn)場施工用電成本以及充分發(fā)揮出便攜式現(xiàn)場施工電源供電功能具有重要的現(xiàn)實(shí)研究價(jià)值。