新型三相應急電源的分析

許 鑫

（國網福建省電力有限公司，福建 福州 350001）

0 引 言

在信息化和現代化技術不斷發展的時代背景下，電能發揮了重要的作用，要結合實際應用需求落實合理的預控機制，提高應急電源的應用效能，從而減少停電產生的不良影響，為市電體系化管控工作的順利落實奠定堅實基礎。

1 應急電源概述

應急電源系統指的就是在應用電力電子器件和逆變技術的基礎上，配合高電子集成模塊形成的強電與弱電一體化的應急處理系統，能在較為緊急的狀態下承接負荷第二電源和第三電源供給工作，避免長時間斷電造成不良影響。

1.1 特 點

應急電源本身是應急型電源系統，因此在整個電網常規化正常運行狀態時，應急電源處于靜態，具有節能特質。其是為了避免因突然或者是臨時性停電造成電源供給不足的系統設備，因此無需操作人員值守，能在電網供電及應急電源供電兩種模式中間有效建立自由切換，一般時長控制在0.1～0.25 s之間。從物理特性層面分析，應急電源本身是正弦波供電系統，因此具有電壓穩定和頻率穩定的特質，無噪聲。在安裝應急電源的過程中，技術部門無需刻意進行主接線的設計變更，利用對應設備就能有效替代原有產品設施。同時，應急電源的帶載效果較好，能實現感性電流、容性電流以及綜合性電流的負載處理，基于此將應急電源應用在照明設施、水泵設施以及消防電梯設施等方面具有較好的應用效果。此外，應急電源能在較為惡劣的環境中使用，并且應用可靠性較高，一般的應急電源都是雙機熱備處理模式，使用壽命在20年左右[1]。

1.2 分 類

目前，較為常見的應急電源主要分為以下3種。

1.2.1 照明類應急電源

應用較為廣泛的是單相電源，一般在一些大型商超和辦公樓等實現集中供電。基本的供電系統見圖1，在輸入電源處于正常狀態時，市電會借助轉換裝置完成日常照明管理。對應的另一路則是借助充電器完成電池組的充電處理，此時檢測數據異常或者是中斷，逆變器就能接收到啟動信號，保證了裝置互換。

圖1 照明類應急電源示意圖

1.2.2 混合負載類應急電源

一般是應用在負載結構和應用性質較為復雜的區域，如醫院和高層酒店等，照明型負載結構或者是動力型負載結構較多，因此多數都是三相模式。

1.2.3 電機專用應急電源

電機專用應急電源供電系統如圖2所示，這種應急電源會應用在特設負載模式中，主要是為了減少電機起動產生較大電流造成的設備損毀，常見的應用場所就是消防水泵和電梯等。出于安全和技術要求的綜合考量，一般都是單路輸出模式，借助三相輸入市電逆變器整流處理形成直流電，并且匹配對應的充電器完成電池組充電。在輸入電流出現異?；蛘呤峭蝗恢袛嗪?，應急電源內部就能建立直輸通道，從而有效為變頻器提供對應的直流電。需要注意的是，若是電機處于負載工作狀態，則會直接送給變頻器進行信號的啟動匯總，涉及運行信號和遠程控制信號。變頻的實際范圍從0～50 Hz，達到50 Hz為止[2]。

圖2 電機專用應急電源供電系統示意圖

2 三相應急電源結構和工作原理

在三相應急電源應用過程中，利用蓄電池等組成部分有效建立定向的能量流動處理機制，完成蓄電池充電和蓄電池放電。在整個電網處于正常運行狀態時，借助靜態開關就能完成電路負載供電應用，另一路電流要借助雙向PWM變流器處理然后交由雙向DC/DC變換器控制，保證充電合理性，在完成交流電壓轉換后就能為三相應急電源提供較為充足的動力。

2.1 雙向PWM變流器結構和工作原理

2.1.1 整流狀態

在三相應急電源供電系統中，要想發揮實時性控制作用，就要關注整流環節，不僅能提供較為穩定的直流電源，而且還能為蓄電池組予以實時性充電。在市電處于穩定運行的狀態時，雙向PWM變流器利用整流作用將三相交流電壓轉變為直流電壓，借助三相全控整流器就能完成直流電的控制管理。這種方式最大的優勢在于能實現輸入電流的正弦化處理，并且避免大量諧波污染對電源造成的影響，為輸入功率因數的管理提供保障。與此同時，整流狀態的紋波幅值數值不大，這就大大縮小了直流濾波器的體系，節省空間[3]。

2.1.2 逆變狀態

雙向PWM變流器的逆變輸出模式中，電壓型半橋逆變器和輸出濾波器是主要的元件。其中，逆變器發揮非常重要的作用，決定了輸出電壓的質量，也對應急電源系統性能產生影響。之所以利用三相半橋結構就是為了建立基于中線的三相四線制結構，逆變器和容量較大的電容連接能有效減少中點電位漂移問題造成的不良影響。值得一提的是，新型三相應急電源能大大避免傳統EPS電路運行的問題，在簡化傳統電路結構的同時還能減少設備的運行成本。

2.2 雙向DC/DC變換器結構和工作原理

在整個應急電源系統中，雙向DC/DC變換器對蓄電池的充電具有相關作用，利用拓撲結構實現變換，匹配的有源元器件的導通損耗并不大，但是其效率較高。借助直流端穩壓電容、濾波電源以及二極管等完成組成處理模式，其主要表現形式為升壓模式和降壓模式。在常規化運行狀態中，雙向DC/DC變換器的兩個功率器件中只有一個開關處于運行狀態，若是升壓交換器模式運行時，功率開關T8處于運行狀態，T7開關截止，而在系統從工作轉變為降壓變換模式后，功率開關T7工作，T8停止運行。為了滿足不同交換器交替運行的流暢性，功率開關器件的驅動信號作為對應動作的標志，待其中一個完全關閉后，另一個才能實時開通。

圖3 電路實時運行示意圖

2.2.1 升壓變換模式

電網出現運行故障，整個系統的蓄電池處于放電狀態，此時雙向DC/DC變換器結構升壓模式利用PWM方式完成工作。T8導通狀態，二極管T7反偏截止狀態，此時輸出電容呈現放電狀態，完成負載能量處理工作。T8關掉，電感L此時的電流無法形成突變狀態，則會感應出極性相反的自感電勢，以維持D7的導通續流[4]。

2.2.2 降壓變換模式

在電網運行處于正常狀態下，雙向DC/DC變換器結構的電路處于降壓模式，電感L和T7以及續流二極管處于平穩運行狀態。T7導通狀態，二極管D8就會進入反偏截止狀態，電感L電壓數值為Udc-U0（圖4），因為Udc＞U0，因此電感電流呈現出線性增長趨勢，電能會在運行過程中轉變為能存儲的能量，有效完成蓄電池組充電工作。T7截止時，電感L的電流無法形成突變結構，電感L會獲取極性相反的自感電勢參數，二極管D8導通續流開始。基于此，調整T7占空比和電壓參數，確保蓄電池組充電電流的穩定性[5]。

圖4 T7導通狀態

3 三相逆變器電路控制模式

3.1 基礎模式

基于控制算法建立對應坐標系，判定穩態時不同變量在坐標系中的位置，然后借助PI調節器分析穩態誤差控制工作?；A性的控制部分是傳統的雙環控制模式，其中外環是電壓環，內環是電流環，結合兩環之間的電壓反饋差就能獲得對應處理方案。另外，三相逆變器的開關模式會借助PWM進行調制處理，提升直流母線的電壓利用效率[6]。

PI調節器完成仿真模擬處理的公式為：

式中，u(t)表示的是調節器的輸出信號；e(t)表示的是調節器的偏差信號；Kp表示的是比例系數；KI表示的是積分系數。配合計算機數字量分析，就能建立離散化處理模式。

逆變器控制策略將提高逆變器輸出電壓穩態參數和動態性能參數作為關鍵，利用電壓有效值反饋控制、電壓瞬時值反饋控制以及電流內環電壓外環控制等策略維持綜合應用水平[7]。

3.2 應急電源的數字鎖相技術

為了有效避免應急電源應用管理的不合理問題，要結合市電管理要求，維持市電供電和逆變器供電相互切換的目的，維持安全性，借助逆變器輸出電壓和市電電壓鎖相同步的特點整合芯片處理機制，在滿足電壓頻率精度要求的同時按照50 Hz基準頻率輸出進行校對分析。

第一，調整應急電源輸出電壓，市電電壓和EPS電壓都按照正弦規律變化獲取，若是要實現鎖相處理目標，就要滿足 sin (ω1t±θ)=sinωEPSt。一般而言，決定其周期的是逆變器正弦波頻率和市電頻率的比值。

第二，結合載波計數器k值的變化進行區分。在k=0時表示三相電源逆變器的輸出電壓和市電維持一致性。在k＜100時表示三相電源逆變器輸出電壓相位超出市電的基礎數值，在k＞100時表示三相電源逆變器輸出電壓相位滯后于市電的基礎數值[8-10]。

4 結 論

總之，要結合市電的實際應用要求合理配置三相應急電源，有效發揮電源的應用優勢，建構更加和諧的供電模式，減少停電造成的經濟損失，為綜合優化電力事業發展水平奠定堅實基礎。