基于雙向DC/AC的便攜式智能電表復電儀

盧德祥，劉堯彬，陳偉峰，邱雪婷

（國網福建省電力有限公司 龍巖供電公司，福建 龍巖364000）

0 引 言

隨著智能電網建設的逐步推進，智能電表作為建設泛在電力物聯網的關鍵一環，使用量占比越來越大，但維護問題也日漸凸顯。在調整抄表例日和用戶用電結算方式等方面，供電公司工作人員需在現場對用戶智能電能表進行重新編程。智能電能表現場編程需要滿足主回路電壓達到78%以上，因此在主回路無電壓時無法實現電能表的現場編程。部分技術人員會在現場其余回路搭接電壓，啟動電能表完成編程，但此種情況下極易造成安全事故。因此，工作人員只能等到主回路送電后再次返回用戶現場完成編程，這造成工作人員重復往返作業現場，極大地降低了工作效率。此外，智能電表使用年限到期后，內部記錄數據信息需要再次錄入SG186系統。由于智能電表內置時鐘電池欠壓，一般電能表使用年限到期后，電池將無法提供正常電壓，導致無法抄錄電能表示數。對于不能正常顯示的智能電能表，傳統方法采用電能表校驗實驗臺或自制導線人為直接插入市電中啟動電能表。該種方法極大地降低了工作效率，且技術人員易因直接接觸裸露的自制導線而引發安全事故。因此，如何安全快捷地操作斷電的智能電表，是困擾電網技術人員的一個難題[1-3]。

為解決上述問題，本文設計了一種能夠為無供電回路的智能電表充電的便攜式復電裝置。通過此裝置，工作人員可以安全快捷地接入斷電的智能電表完成對智能電表的編程，提高作業人員的工作效率，且能避免因錯亂搭線造成的人身及設備事故。

基于雙向DC/AC的電能表現場復電儀的功率變換電路由電池儲能模塊、Buck/Boost變換器以及H橋電路組成。采用TI公司的TMS320F28027作為控制芯片，包含顯示屏、按鍵以及指示燈等人機交互界面。通過人機交互界面，電能表可實現單相220 V、三相三線制100 V以及三相四線制50 V這3個不同檔位的切換。

1 工作原理分析

復電儀的電路拓撲如圖1所示，電路可以工作在正向狀態或反向狀態。當電路工作在鋰電池放電狀態時，前級雙向DC/DC工作在Boost狀態，即S6處于關斷狀態，其體二極管處于導通狀態，后級全橋電路工作在逆變狀態。此時，復電儀輸出單相正弦波，從而實現為電能表充電的功能。在此狀態下，前級的控制量為直流母線電壓，即Boost變換器的輸出電壓，后級單相全橋逆變電路的控制量為逆變器輸出電壓。通過改變給定量，實現不同電壓等級的輸出。當電路工作在鋰電池充電狀態時，此時H橋電路工作在不控整流狀態，即S1～S4處于關斷狀態，其體二極管導通。當雙向DC/DC變換器工作在Buck狀態時，即S5處于關斷狀態，其體二極管處于導通狀態。此時，系統只有S6的開關管處于可控狀態。在此狀態下，設計控制量為直流側的電壓與電流，即Buck變換器的輸出。后級單相全橋逆變電路的4個管子處于關斷狀態。

圖1 復電儀電路拓撲圖

2 關鍵電路參數設計

2.1 DC/DC電感設計

設計電感工作在斷續模式，根據升壓比M，得出電感L工作在斷續模式下的表達式：

當占空比D=0.2、開關頻率fs=20 kHz、輸入電壓Vi=14 V、輸出電壓V0=350 V、功率為5 W時，代入式（2）中，得L=81 μH。

2.2 直流母線電容

由于直流母線上存在二次波紋電壓波動，根據求得母線電容大小：

取占空比Pin=5 W，η=0.9，ω=50 Hz，Ubus= 350 V，ΔUbus=330 V（一般取電壓脈動ΔUbus小于5%），C≥24 μF。實際中，取3個10 μF/400 V的鋁電解電容并聯[4]。

3 仿真和實驗

3.1 仿真結果

為了驗證所提出的功率電路和控制方法的有效值，采用PSIM電力電子仿真軟件對主電路進行仿真，通過在Visual studio 2017編寫C語言程序，生成DLL文件實現對電路的控制。仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

如圖2所示，電池工作在正向放電狀態時，當母線給定電壓為350 V，可以輸出220 V的交流電壓。仿真結果表明，設計的電路拓撲可以實現設計目標。觀察圖3的直流母線電壓波形，可以看到直流母線電壓上存在二次紋波，即直流母線的波動頻率在100 Hz。當電池工作在反向充電模式時，原來的交流側變為輸入，直流側變為輸出，此時控制直流側給定電壓為16.8 V，直流側的電壓波形如圖4所示。

圖2 交流側輸出電壓波形圖

圖3 直流母線電壓仿真波形

圖4 直流側輸出電壓仿真波形

3.2 樣機設計

設計樣機采用的電池為4節鋰電池串聯，電壓Uin=10～16.8 V，額定輸出電壓Uo=220 V/100 V/50 V，輸出頻率為fo=50 Hz，開關頻率fs=20 kHz。直流側儲能電感L1=82 μH，S5～S6選用FDB12N50T，S1～S4選用STD5NK50ZT。交流側濾波電感Lf=3 mH，濾波電容Cf=100 μF。

3.2.1 采樣電路設計

如圖5所示，交流輸出電壓采樣電路為有直流電壓偏置的差分運算放大電路，其中運算放大器U1A組成一個差分放大電路，運算放大器U1B組成一個電壓跟隨器，形成一個1.65 V的直流偏置電源。

圖5 交流電壓采樣電路

經過信號調理電路得到的電壓信號VADC_AC的表達式為：

式中，VAC+和VAC-為復電儀的交流側輸出的兩端。

圖6為直流母線電壓采樣電路。直流母線電壓采樣首先通過并聯在主電路的3個電阻分壓得到VB，VB經過電壓跟隨器后，經過R29和R34分壓進入DSP的ADC引腳。

圖6 直流母線電壓采樣電路

與直流母線電壓采樣相同，直流側電壓采樣電路如圖7所示。直流側電壓采樣首先通過并聯在主電路的2個電阻分壓得到VDC，VB則經過電壓跟隨器后，經過R29和R34分壓進入DSP的ADC引腳。

圖7 直流電壓采樣電路

3.2.2 驅動電路設計

MOSFET的可靠工作是功率變換器正常工作的基本條件。如圖8所示，本文采用IR2101半橋驅動器。IR2101是英飛凌公司推出的高低側600 V半橋驅動集成電路，高端和低端驅動分別連接DSP的兩個ePWM引腳，能夠放大PWM信號，從而驅動功率管。

圖8 驅動電路

3.2.3 實驗結果

復電儀的實物電路圖如圖9所示，從上到下、從左至右依次分別是墨水屏、雙向DC/DC變換器、全橋逆變器、驅動電路、LED指示燈、按鍵、采樣電路以及DSP芯片TMS320F28027。

圖9 現場復電儀實物圖

圖10、圖11以及圖12分別是逆變器在50 V、100 V以及220 V這3種不同給定電壓下，S1的驅動電壓電壓波形Ugs1、直流母線輸出電壓波形Ubus以及逆變器輸出電壓波形Uo。通過人機接口界面改變給定輸出電壓。根據圖10、圖11以及圖12的結果可見，雖然存在誤差，但是在可以接受的范圍。通過觀察直流母線電壓Ubus波形可以發現，直流母線電壓存在明顯的100 Hz紋波電壓，這是DC/AC變換器的固有特性。因此，在進行直流母線電壓控制時，選擇100 Hz的滑動窗口濾波。

圖10 額定50 V交流輸出

圖11 額定100 V交流輸出

圖12 額定220 V交流輸出

4 結 論

本文以雙向DC/DC變換器和H橋電路為基礎，設計了一套以TMS320F28027為控制核心的雙向DC/AC系統，不僅能夠對主回路無供電回路的智能電表充電，而且給出了關鍵參數，同時給出了控制方案。仿真和實驗表明，設計的復電儀裝置能夠輸出不同電壓等級的交流波形，可以為不同類型的智能電表充電，且具有方便攜帶、操作簡單以及成本低廉的特點，有利于推廣使用。