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单相不断电多功能系统的研制

发布者:topday   发布时间: 2009-09-16 18:11 浏览次数: :

       摘要:本文旨在分析及研制多功能的单相不断电系统。本系统除具有虚功补偿功能外,并且加入超级电容器装置,能增强在市电中断时瞬时输出电能,以改善蓄电池瞬时放电的电流。系统采用单相全桥式架构及正弦脉波宽度调变单极性电压切换技术,具有低谐波失真及快速响应的性能。直流-交流功率转换器为电压控制模式,采用振幅锁定控制法则,于负载剧烈变动下可提供快速响应及稳定的单相电压源予单相负载使用。储能元件的能量管理方面,则采用升/降压型直流截波器作为放电及充电的控制。蓄电池及超级电容器于放电时以定电压控制策略提供负载能量,而于充电时则采二段式,即定电流-定电压方式对电池充电。
       本文的系统以高性能、低成本的数位信号处理器TMS320LF2812为整体系统的控制核心,功率转换器的闭回路控制法则皆由软体完成控制策略,不但减少硬体电路成本,并增加了系统运转可靠度。本系统目前已完成线性负载约250W供电测试,其电压总谐波失真率为4.09%,符合IEEE Std.519-1992规范。另外,于市电正常时,可对电感性负载进行功率补偿,且于市电中断时,除确保负载持续正常受电外,超级电容器确实能发挥断电瞬间强化放电电力输出及降低电池放电瞬间突波电流,有效达到延长蓄电池组寿命。实验结果验证本文的理论分析及控制法则的可行性。
关键字:正弦脉波宽度调变,振幅锁定控制法则,总谐波失真率
        前言
       伴随科技产业的发展,各种资讯化与自动化的仪器设备被广泛地应用,这些设备不允许有片刻的电力中断或者是过大的电压变动率,否则可能造成仪控设备电路烧毁或失控所产生的产业经济或生命的重大损失。然而电力供应难免会遭遇各种天灾及人为疏失等外在因素,常产生瞬间电压变动或电力中断。因此,不断电系统(Uninterruptible Power System, UPS)乃成为现代科技文明生活中不可或缺的重要设备。
       不断电系统的操作原理为市电正常时将电能储存于蓄电池中,当市电中断后再由蓄电池供给负载使用。若以负载容量计算,可分为三相与单相不断电系统。单相不断电系统大都用于个人电脑、区域伺服器或照明设备等家庭电器上,而三相不断电系统则应用于电脑工作站、工业设备或电信机房等功率需求较大的场所。不断电系统主要功用在于瞬间电压变动或电力中断时,提供电力异常时的备用电源,避免整体系统瘫痪或危及人身安全,其至少须维持电力至备载紧急发电设备启动。然而,瞬间电压变动或电力中断时一般不断电系统受限于储能元件特性,无法瞬间输出平稳坚实电力致产生电压微陡降情形,尤其是遇到重型负载如电动机。因此,本文将采用超级电容器(Supercapacitor)辅助电池储能应用于不断电系统,利用其强大的瞬间快速储放能量爆发力的特性,增强改善不断电系统使用性能,并延长电池使用的续航力及其寿命。
另者,为改善负载设备如电动机运转的落后功率因数,在市电正常供电之下,不断电系统也常被设计成兼具提供虚功率补偿功能,补偿负载所需的虚功率成分,使市电电压与电流趋于同相位,不受负载功率因数落后的影响,如此可提升整体用电效率与品质。
 
       单相直流-交流功率转换器的分析及控制
       本文的单相直流-交流功率转换器电力电路如图2所示。
(一)单极性电压切换控制
       比较单极性电压切换与双极性电压切换控制特性,虽单极性电压切换输出波形的基本成分和双极性电压切换的结果相同,但由于单极性电压切换功率电晶体开关须同时受一组及(-)和三角波讯号Vtri的比较信号控制切换,其输出等效切换频率为双极性电压切换的二倍,以致其谐波分布较趋于两侧边带上,谐波含量远低于双极性电压切换及具低切换损失,故可以较小的滤波器设计达到滤波效果,也即可降低滤波电路体积重量,因此本文系统将采用单极性电压切换脉宽调变方式作为开关切换控制策略。
       单极性电压切换模式的正弦脉波宽度调变讯号的控制,其直流-交流功率转换器上、下臂的讯号互斥,但a切臂和b切臂功率电晶体开关的正弦调变讯号则不同,分别被Vtri与及(-)的比较信号控制。、的控制讯号系由和三角波讯号Vtri比较产生脉波宽度调变讯号。、的控制讯号系由(-)和三角波讯号Vtri比较产生脉波宽度调变讯号。比较信号控制如图3所示。
a臂开关状态及输出电压如下:
假如 >Vtri :
导通,截止,此时Van=Vdc
假如 ≤Vtri :
导通,S截止,此时Van=0
同理,b臂开关状态及输出电压如下:
假如(-)>Vtri :
导通,截止,此时Vbn=Vdc
假如(-)≤Vtri :
导通,截止,此时Van=0
将上述开关状态与对应的输出电压状态整理,可得到单极性电压切换的直流-交流功率转换器开关函数,如表1所示,其全桥式功率转换器输出VO的电压波形如图3所示。表1中1表示导通,0表示截止状态。
表1  单极性电压切换的直流交流转换器开关函数
    Van Vbn Vab
1 0 0 1 Vdc 0 Vdc
0 1 1 0 0 Vdc -Vdc
1 0 1 0 Vdc Vdc 0
0 1 0 1 0 0 0

 
      由图3可以看出单极性电压切换控制,其切换电压正半周于0与Vdc之间作切换,而切换电压负半周于0与(-Vdc)之间作切换,故称为单极性电压切换。
(二)振幅锁定回路控制策略
       一般单相直流-交流功率转换器的控制回路,所采用弦波控制方法[1-5],必须回授电压及电流配合电压调节器与电流调节器作为计算控制。然系统的电压与电流皆为时变的弦波讯号,用于时变系统的控制运用时,易生振荡不利于控制;且回授讯号与命令讯号若相位偏移情况严重,更不易达到控制稳定的目的。因此改采用振幅锁定(Amplitude-Locked Loop, ALL)控制法[6-7],以改善弦波控制的缺点,俾达到稳定输出电压,降低电压调整率之效,原理详如下节叙述。
振幅锁定的原理乃透过输出电压讯号与其基本弦波讯号相乘积,经运算后获得输出电压讯号振幅值即为直流电压命令,利用电压回路控制器作为系统控制调节使用,及提供补偿使输出电压稳定,因此可简化控制器结构,其直流电压命令非弦波值,则控制器的参数更容易得到收敛。因此本文单相全桥功率转换器采用此种具振幅锁定回路的电压控制模式。
设输出电压Vo为一基本波与高次谐波分量所合成,表示为:
     (1)其中为2πf0t,f0为输出频率。在进行数位化运算时,输出电压讯号经数位讯号处理器的类比/数位转换,其值对电压命令讯号的角度偏移微小可予忽略以利于进行分析,因此可表示为:
    (2)令表示振幅大小为1,且无相位移的单位弦波函数,则可表示为:=   (3)
将(2)与(3)作乘法运算得
·
    (4)其中,Vm/2为·的平均值,即·经低通滤波器滤除高频成分之后,可以获得一直流电压值,因此所提的振幅锁定回路控制方法,容易设计控制器并且简化控制器架构,其控制方块图如图4所示。图4中GV1为电压调节器,采用比例—积分控制器将输出电压变动调节得到直流补偿命令,以控制开关输出,使得输出电压追随命令电压,因此可于暂态时获得快速响应,稳态时能消除稳态误差使输出电压更稳定。图4中的VO为vo滤波后的电压平均值(Vm/2),Vm为vo滤波后乘上还原倍率的电压峰值,而为单相交流电压峰值的设定值。其中,在线性调变控制的范围,直流链电压必须大于输出电压振幅,即Vdc≥Vm。
 
储能系统的分析与控制
(一)铅酸电池的充放电特性
本文选用CSB公司所生产的GP-12260密闭式铅酸蓄电池作为备用电力来源,具有小且轻量型、高性能、免加水可长期保存及符合价格及环保效益等优点[8]。
图5为蓄电池充电特性曲线[8],图中实线与虚线分别代表蓄电池放电100%及50%后的充电曲线。由图可知蓄电池的充电电流与蓄电池充电上升电压为非线性关系,且蓄电池放电50%比放电100%者较快速达到汽化电压(gassing-voltage)[9];另外当蓄电池电压接近汽化电压(13.65V)时,电池电量大约达到70%,充电电压无法再上升而充电电流会骤降,同时电池电解液持续汽化而温升,为避免电解液因汽化致干枯造成极板损坏而缩短电池寿命,此时必须改以定电压(13.65V)方式充电,充电电流则随时间缓降。
一般蓄电池充电方式可分为半定电流充电(semi-constant-current charging)、定电流充电(constant-current charging)、定电压定电流充电(constant-current constant-voltage charging)及二段式定电流-定电压充电(two-step constant-current constant-voltage charging)四种[9-11]。
二段式定电流-定电压充电方式,前段充电与定电压定电流相同,即在蓄电池电压低于汽化电压时,以定电流方式充电,利用定电流快速充电特性,快速增加蓄电池电量缩短充电时间,当到达汽化电压时,末段充电改稍降电压(13.5V)再以此定电压方式第二段充电,目的使电池维持在略低汽化电压下接续末段充电可避免持续温升极板毁坏,将可延长蓄电池寿命。参照上述蓄电池充电特性,可知以二段式定电流-定电压充电为不断电系统最佳充电方式。如图6为二段式定电流-定电压充电特性图[10]。因此本文以2颗蓄电池串联组成蓄电池组,并采用上述二段式定电流-定电压充电方式对蓄电池充电,以增加充电效率及延长蓄电池使用寿命。
(二)超级电容器的充放电特性
超级电容器不似蓄电池需要化学反应形式,乃为电子元件所组成,能量存积集中在金属物质电极板表面上而形成电场,与一般电容器的主要差异在于所制造的材质及大小,能制造出超大电容器量(约数法拉),且其充放电速度响应快[12-13]。超级电容器比一般蓄电池可以储存较巨大的电力,但所能储存的能量密度却很小(典型polyethylene terephthalate, (PET)超级电容器能量密度1.86W-h/kg,铅酸电池22W-h/kg),因此电池可以维持数小时较长时间放电,电容器却只能维持短暂几分钟内放电,随即电压逐降几乎近零电位,然超级电容器具有快速充放电能力,而且可以经历数万次充放电循环使用,几乎不会衰减其特性。由上述考量超级电容器的功能特性,在于放电瞬间所能提供强大电力,因此本文定位超级电容器为辅助蓄电池于放电时加强释放电力能量,升/降压型直流截波器充放电控制大致与蓄电池相同,但电容器瞬间充电要注意考虑限流问题。所采用的超级电容器为AUDIOFONICS公司出口的ADF-260六角型金属电容器,单颗规格为1.5法拉/12V,内阻为1.2mΩ,本文采用2个超级电容器串联可充电压为24V。
(三)升/降压型直流截波器的控制分析
本文的储能系统以升/降压型直流截波器作为蓄电池与直流链之间能量转换,其电力电路如图7所示。
1.升压模式的直流截波器
当市电中断时,直流截波器操作为升压模式,如图8所示开关等效电路图。图8中为的开关状态(1,0),为开关状态1的驱动讯号。
利用电感储存能量不减的关系也即电感充放电平均电压等于零,可推导升压型直流截波器的输出电压vB1的平均值VB1与直流链电压vdc的关系为:
VB1=vdc(1-)                

(5)再整理可得
(6)其中为输出电压的平均值。为功率电晶体下臂开关的责任周期。电感LB微分方程式为
(7)因此整理(7)以比例-积分电流控制器实现可得
(8)同时代入(6)整理可得其下臂开关的责任周期命令表示为:
(9)综合(6)至(9)可建构出蓄电池升压式直流截波器的开关控制回路,如图9所示。其中为电流调节器,为电压调节器,皆为比例-积分型控制器。
       2.降压模式的直流截波器
同理推导降压型直流截波器,以比例-积分电流控制器实现并建构出蓄电池充电降压式直流截波器的开关控制回路,如图10所示。
       3.超级电容器升/降压模式的直流截波器
       超级电容器充、放电升/降压型直流截波器的开关控制回路理论架构与蓄电池完全相同,采用电流闭回路控制方法,惟考虑电容器瞬间充电电流无限大,因此市电断电后恢复进行初始充电时,软体程式必须有限流缓充设计。
(四)系统储能及功率补偿控制的能量管理
       1.独立运转供电
       当市电停电时即为独立运转供电如图11所示,指蓄电池及超级电容器能源系统直接供应能量给特定负载使用,并未与其他电源连结,此时DSP感测停电令市电侧电源S1静态开关开路,如图1所示。系统的单相直流-交流功率转换器操作在电压源电压控制模式,可视为一交流电压源提供电能给单相负载,分析其功率分配情况如表2。
表2  独立运转下功率的分配状态
状态 蓄电池充放电系统的能量 超级电容器充放电系统的能量 状态说明
1 Pbat+Psc≥PL,QL 表示两者同时进行放电
2 Pbat≥PL 0 表示仅蓄电池进行放电操作
3 Pbat+Psc<PL,QL 表示两者放电能量不足所需

       表中Pbat,Psc分别为蓄电池及超级电容器提供的平均值实功率,PL为负载需求的平均值实功率,QL为负载需求的平均值虚功率。
2.系统与市电并联运转功率管理
        当市电从停电状态恢复正常供电时,系统进入与市电并联运转模式,指蓄电池及超级电容器能源系统透过直流-交流功率转换器与市电网路连结,其动作感测乃藉由市电电压零点侦测与电流感测回授给数位信号处理器,再予控制图1中的S1静态开关由开路转为导通状态以进行线路切换并联。由于不断电系统旨在市电停电时供应暂时性电力给负载,不提供功率给市电,因此本文设计单相直流-交流功率转换器操作在电流控制工作模式参与并联,系统可视为电压源与电流源并联,利用锁相回路(PLL)取得与市电同步再进行并联动作。复电之后全桥功率转换器顺向运作输入功率进行储能工作,并同时进行市电并联的功率补偿操作。与市电并联运转的功率补偿模式供电如图12所示。当市电并联运转下的功率分配状态,如表3所示,此时系统单相功率转换器操作为功率补偿器之用,市电提供电力给负载同时向直流-交流功率转换器供电,但系统负载若为电感性电动机负载时,则利用直流链电容器与超级电容器的虚功率元件,将单相功率转换器操作为提供虚功率补偿功能。而当市电因故障或停电断电时,蓄电池及超级电容器能源系统则转而提供暂时性的电力给单相负载,为不断电系统的功用,即为独立运转供电。而蓄电池及超级电容器在进行转态(充电↔放电)时,应确认电感器上的电流ibat及isc是否为零,方可进行转态的切换动作。
       表3中PG代表市电提供平均值实功率,PG,Qcdc分别为市电提供及直流链电容器的平均值虚功率,蓄电池及超级电容器能量正代表储能负代表释能。
表3  并联运转下功率分配状态
       状态 蓄电池充电系统的能量 超级电容器充放电系统的能量 市电电力网路的能量 状态说明
1 Pbat Psc PG=PL+Psc+Pbat 实功率负载功率完全由市电供给
2 Pbat Psc PG=PL+Psc+Pbat
QG=QL-Qcdc 电感性负载市电供电予虚功率补偿
3 Pbat+Psc≥PL,QL 0 市电中断独立运转模式

 
(五)单相功率补偿器的分析与控制
        当本文系统在操作为功率补偿器时,系统有四个功率电晶体(、、、)作为交流与直流电源能量的转换,两个功率电晶体(、)维持直流截波器转换超级电容器能量,忽略变压器其功率补偿器示意电力电路图如图13所示。而单相功率补偿器电路的等效电路图如图14所示。
当单相功率转换器并联上市电时,则整体电路电压回路可表示为: 
(10)同前公式推导,及以比例-积分控制器控制讯号实现可建构出单相功率补偿器的控制方块图,如图15所示。
1.电感电流命令可控范围由(10)与图15可知流经电感的电流随着电流命令而变化,其容许范围为0≤≤Im(rated),即电流命令在额定电流最大值以内。同时由图15中可知电流为:
 (11)其中为实功率成分为虚功率成分,与电源电压同相位的基本波形,为电源电压相差90°的基本波形。
因此本文当单相功率转换器与市电并联运转时,可藉由适当控制及电流命令范围,即可进行实、虚功率的输出或输入控制。当>0则单相功率转换器为消耗实功率,若令为零时则控制即为不提供实功率只提供虚功补偿控制,且令<0表示提供功率即电源侧可回收能量,配合控制命令除可对负载进行功率补偿,并能改善电源侧功率因数的功用。最后且若为零则回路不进行虚功补偿。
2.单相功率转换器的直流链电压可控范围
同理由(10)整理得到单相功率转换器输出电压vab为:
   (12)且令单相功率转换器输出电压及电感电流分别为:
 (13)
 (14)若为零,则为市电电压与电流相差的夹角,角度范围为。若市电电源为单相纯正弦波,则其单相电源电压es表示为
Es=Emsinωet
  =Emsinθe                 (15)
其中,ωe为市电并联(grid-connected operation)市电侧电源的角频率,Em为市电电压的峰值,θe等于ωet为市电电压瞬时角度。
将(14)、(15)代入(12)整理化解得到
vab=Emsinθe –RfImsin(θe –θi)-ωeLfImcos(θe –θi)=x1sinθe +x2cosθe                              (16)
其中
x1=Em-RfImcosθi-ωeLfImcosθi                              (17)
x2=RfImsinθi-ωeLfImcosθi                                  (18)
因此单相功率转换器输出电压振幅Vm可表示为:
                       (19)
将θi代入(17)、(18)可得到Vm范围在28.5V~35.9V之间。
将本文Em、Im、Lf、Rf常数值分别代入(17)、(18),并经以MATLAB绘图可得Vm控制曲线如图16所示。图16中-并且描绘出不同的电感Lf值对Vm曲线的影响。在线性调变范围vdc≥Vm前提之下,本文据以作为单相功率转换器直流链电压与输出电压的控制理论依据。
 
实测结果
本文依据图1的整体系统架构完成系统制作,其参数如下所示:
直流链电压命令:48V
直流链电容:2,200μF
功率电晶体开关切换频率:20kHz
直流-交流功率转换器输出侧滤波电感:0.5mH
直流-交流功率转换器输出侧滤波电容:20μF
输出容量:200W
变压器的电压比:140V:24V
输出电压峰值:155.6V
输出电压频率:60Hz
图17为直流-交流功率转换器于纯电阻负载约250W输出的实测结果,其中图17(a)~(c)分别为经变压器110V侧输出的电压、输出负载电流io与经变压器110V侧输出的电压的频谱,输出电压峰值约为153V,输出负载电流io峰值约为3.3A。输出电压频谱总谐波失真率约为4.09%。
图18为直流-交流功率转换器于纯电阻负载由175W加载至250W输出的实测结果,其中图18(a)~(c)分别为经变压器110V侧输出的电压、输出负载电流io与直流链电压vdc,图示输出负载电流io的峰值瞬间由2.3A提高至3.3A,图示直流链电压虽因加重负载仍能维持电压约51V,输出电压仍能维持稳定峰值约为153V。
图19为市电并联运转模式蓄电池充电储能的实测结果,其中图19(a)~(c)分别为直流链电压vdc、蓄电池电流ibat与蓄电池电压vB。直流-交流功率转换器操作为整流器,所产生的直流链电压经降压式直流截波器向电池充电,图示直流链电压vdc约为48.9V,此时蓄电池电压vB约为26.4V,蓄电池电流ibat约为1.8A,其充电电压、电流波形如图19(a)及(b)所示。
图20为在市电供电充电状态且提供约175W线性负载下发生市电中断,蓄电池组经升压电路释放储能,提供单相直流-交流功率转换器维持负载正常运转的实测结果。市电断电时,交流-直流转换器无法由市电提供直流链稳定的电压而瞬间直流链电压下降,如图20(a)所示。而软体程式感测电压的变化随即转态驱动直流链升压电路及直流-交流功率转换器,使输出电压维持稳定。软体程式判断及双向开关快速的转换仅数微秒内,可使蓄电池原为充电状态经由升压电路提供电源以维持直流链电压及输出负载电压、电流稳定。其升压后直流链电压约为50V如图20(a)所示。蓄电池放电后电压约为25V,蓄电池放电电流约为10A,如图20(b)及(c)所示。
图21及图22为市电供电充电状态且提供约175W线性负载下发生市电中断,蓄电池组及超级电容器同时经升压电路释放储能,提供单相直流-交流功率转换器维持负载正常运转的实测结果。由图中可看出经蓄电池放电延迟能量管理策略,加入的超级电容器发挥效果,能在放电瞬间快速释能,有效降低蓄电池瞬间放电电流,达到保护蓄电池延长寿命的效用,同时发挥放电瞬间强化电力的功能,如图21(a)、(c)及(d)所示。当市电侧的电源中断时,负载端电压仅过渡一个周期波形内波峰略降25V,如图22(b)及(c)所示,更可提升达真正不断电效果。此时蓄电池升压后直流链电压约为50V,蓄电池放电电流缓步上升约为10A。
 
结语
本文已完成线性负载于独立运转下的实作,直流-交流功率转换器于无载时输出电压总谐波失真率3.13%,于线性负载250W之下,输出电压谐波失真率为4.09%,符合IEEE Std.519-1992规范[14],而无载与满载间的电压调整率为3.6%。
此外,并完成于市电并联运转模式下,可进行对储能元件充电及同时对电感性负载(120W,128Var)进行功率补偿,使市电侧获得近单位功因。另外平时市电供电充电状态下若发生市电中断时,几乎无转态期可使蓄电池组及超级电容器同时经升压式直流截波器提供直流链能量,且仅一个周期波形内输出电压波峰略降25V,可确保负载持续正常受电品质。同时透过放电能量时间差的控制策略,发挥超级电容器瞬间放电爆发力特性强化电力输出,同时降低蓄电池组瞬间放电突波电流而为缓步上升以保护蓄电池,因此有效达到延长蓄电池组寿命及缩短转态时间提升真正不断电效能。另外,以个人电脑作为实测负载,当切断市电时,个人电脑也能稳定于开机画面且无异常抖动情形,显示本系统良好的实用效果。

本文链接:http://www.leddianyuan.com/jishuzixun/2009/0916/77.html

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