一种数字化三相EPS电源设计与实现

胡　凯　李锐华　胡　波　胡　浩

（同济大学电气工程系，上海　201804）



一种数字化三相EPS电源设计与实现

胡凯李锐华胡波胡浩

（同济大学电气工程系，上海201804）

摘要为了解决城轨车辆供电故障时车厢内通风和换气设备的供电问题，设计了一种数字化三相应急逆变电源（EPS）。首先，在分析EPS电源工作原理的基础上，采用Boost升压电路与电压型三相全桥逆变电路相结合的两级式拓扑结构。然后，基于DSP TMS320LF2407A和SVPWM控制算法实现了EPS的数字化控制，并给出了控制系统的硬件、软件设计方案。最后研制了一套2kW的ESP测试样机，测试结果表明所设计的数字化三相EPS电源能够实现稳定的三相交流输出，并且输出电压THD小于4%，转换效率达到94%，验证了本文中EPS电源设计方案的正确性。

关键词：应急电源；Boost电路；三相逆变器；DSP

应急电源（Emergency Power Supply，EPS）能够在发生电力中断时为关键设备提供应急电力，有效降低因断电而造成的损失，为生产和生活提供安全保障，目前已被广泛应用于消防、建筑及工业电气等重要场所[1-4]。EPS的起步比发电机和UPS（不间断电源）晚，但发电机和UPS这两种方式却存在诸多不足之处，EPS凭借着自身优势得到了迅速发展，市场需求不断扩大，开发和生产EPS的队伍不断壮大[5]。但作为新兴产业，国内EPS厂家对其认识程度还不够，开发和生产技术不甚完善，方案的选用和设计缺乏合理性，导致生产和宣传的盲目，对产业发展极其不利[6]。因此，研究高性能、安全可靠的EPS电源有着重要的现实意义和应用价值，有利于EPS电源向着绿色化、数字化和智能化方向发展。

近年来，随着城轨交通的迅猛发展，其安全性也备受关注。当城轨车辆发生火灾或爆炸等事故导致供电故障时，维持密闭车厢内的通风换气对于保障乘客生命安全十分重要。因此，城轨车辆内必须具有稳定可靠的EPS电源以维持通风系统在供电故障情况下的可靠运行。

本文针对城轨车辆紧急通风系统的EPS电源进行研究，在分析EPS电源功能与控制要求的基础上，主要介绍了EPS电源主电路拓扑结构及控制方法，基于DSP控制芯片设计与实现了一种数字化三相EPS电源，最后进行了实验验证并给出实验结果。

1　EPS构成及工作过程

图1给出了EPS电源系统框图。在地铁供电系统正常运行情况下，供电系统直接给负载供电，并经AC/DC不可控整流后给蓄电池充电。当地铁发生紧急事故导致供电出现故障时，DC/DC电路将蓄电池输出电压进行升压后，得到稳定的直流电压以保证后级DC/AC逆变电路的正常工作；DC/AC逆变电路将前级输出的稳定直流电压转换为恒幅、恒频的三相交流，给负载进行供电；主控电路根据采样得到的电压、电流、温度等信号，输出控制脉冲，对升压电路及逆变电路进行控制，同时还兼顾系统显示、报警及保护等功能。

图1　EPS电源系统框图

2　EPS电源拓扑结构及控制方法

2.1DC/DC升压电路拓扑结构及控制策略

DC/DC升压电路将蓄电池输出电压升压为所需的稳定直流电压，供给后级逆变电路，其性能好坏直接影响后级逆变电路的输出性能优劣。Boost电路具有结构简单、效率高，稳定性好等特点。因此，本设计中采用Boost电路作为升压变换电路，其拓扑结构如图2所示。

图2　Boost电路拓扑结构

从图2中可知Boost电路主要由IGBT、储能电感、电容和二极管组成，其输入电压Vin与输出电压Vout的关系为

式中，δ为开关管占空比在Boost电路中储能电感L与输出电容Cdc直接影响电路的输出性能，因此，选择合适的电感、电容参数至关重要。

根据储能电感的取值不同，Boost电路可运行在连续和不连续两种工作状态，工作在这两种状态间的临界电感Llim为[7]

式中，Ts为开关周期；Iout为输出电流；δmin为最小占空比，其与最大输入电压Vinmax及输出电压Vout间的关系为

实际应用中Boost电路工作在连续工作状态，所以储能电感L应大于临界电感Llim。

在连续工作状态下，考虑电容Cdc有内部寄生电阻，流过二极管VD的纹波电流全部流进电容器，以保证输出平直的直流电流。在指定纹波电压ΔVo的限制下，所需滤波电容为[7]

合理的控制策略有利于Boost升压电路稳定输出。在Boost电路工作过程中，其输入电压Vin即蓄电池输出电压会随着电池的使用情况在一定范围内变化，为了保证得到稳定的输出直流电压Vout，占空比δ必须随着输入电压Vin的变化而变化。所以在Boost升压控制中加入电压反馈，实时检测输出直流电压Vout，并将其与参考值进行比较处理后，经由PI调节器来调节占空比大小，以控制开关管的导通和关断，实现输出直流电压的稳定，控制结构框图如图3所示。

图3　Boost电路控制结构

2.2DC/AC逆变电路拓扑结构及其控制策略

DC/AC三相逆变电路作为EPS电源的核心部分，其性能的好坏直接决定了整个EPS电源性能的优劣。本设计中DC/AC逆变电路选用电压型三相全桥逆变电路，拓扑结构如图4所示。

图4中，Vdc为前级Boost电路输出的直流电压，由于采用大电容Cdc滤波，Boost电路为逆变电路提供的直流电源呈低阻抗，类似于恒压源。逆变电路输出的三相电压为矩形波或阶梯波，输出的交流电流则近似于正弦波。

图4　三相全桥逆变拓扑结构

为了满足逆变电路输出电压波形质量的要求，输出三相电压需经过滤波器滤波。本设计中滤波器采用LC电路，合理选择LC滤波器参数，能够有效滤除逆变电路输出中的大量高次谐波，得到稳定对称的三相交流电压。考虑到实际应用中滤波器为三相对称结构，各相参数一致，因此，通过分析某一相即可得到三相特性。建立LC滤波器单相模型，如图5所示。

图5　单相LC滤波器电路

LC滤波器传递函数为

式中，Vo与Vi分别为滤波器输出、输入电压，L为滤波器电感，C为滤波器电容，R为电感电阻。

控制策略很大程度上直接影响逆变电路输出性能，选择合理的控制策略至关重要，本设计中采用基于矢量变换的SVPWM控制策略。与传统的EPS采用的SPWM控制技术相比，SVPWM（空间电压矢量）控制技术是从三相输出电压的整体效果出发，谐波电流和转矩脉动更小，直流电压利用率提高了15%，而且更易于实现数字化。矢量变换控制技术其通过Clark变换、Park变换，将逆变电路输出三相交流电压Va、Vb、Vc变换为d、q旋转坐标系下的直流分量Vd、Vq，随后分别控制Vd、Vq为恒定值，即可实现电压空间矢量幅值恒定并以恒速运转，从而在逆变电路输出端得到恒幅、恒频的三相正弦交流电。三相全桥逆变电路控制结构如图6所示。

图6　三相全桥逆变电路控制结构图

3　EPS电源设计与实现方法

3.1基于DSP的EPS硬件设计

根据上文中设计方案，进行ESP电源具体设计实现。由于EPS电源对微处理器的数据运算和信号分析能力要求相对较高，本设计中的EPS电源基于TMS320LF2407A DSP开发板进行二次开发。基于DSP的硬件框架如图7所示。

图7　DSP控制硬件框架

图7中，DSP采集的信号包括：供电系统故障信号、蓄电池输出直流电压、电流信号、Boost电路输出直流电压信号、逆变电路输出交流电压、电流信号、温度信号等。DSP芯片对信号进行运算处理并产生PWM开关信号以及显示、报警、保护等信号，并提供通信接口。

3.2EPS软件开发

在上文所述的硬件设计基础上，对EPS电源控制程序进行开发，主程序流程图如图8所示。

图8所示流程图中，主程序逻辑控制开始后，首先需要判断蓄电池电压是否在正常范围内。如果蓄电池电压正常，则对DC/DC输出直流电容进行预充电，预充电结束后DSP使能PWM脉冲控制Boost电路进行升压，将直流电压升到预定值，最后DSP使能六路PWM脉冲控制逆变电路输出三相交流给负载供电。

图8　EPS主程序流程图

为了保护电路、芯片的正常运行，在控制程序中增加了系统保护环节。通过实时监测EPS在运行过程中的状态参数（电压，电流等），对蓄电池输入极性放反、过温、过压、过流、缺相、欠压等常见故障进行实时检测。当检测到故障后，对输出脉冲进行闭锁。

4　实验测试结果

基于上述设计方案，研制了一套2kW数字化三相紧急逆变电源（EPS）样机，如图9所示。其中EPS样机的设计指标为：输入电压直流110V（波动范围77～138V）；DC/DC输出直流电压400V；DC/AC输出三相交流线电压200V；输出交流电压频率36Hz；转换效率大于90%。

图9　2kW三相EPS样机

对所设计的EPS样机进行性能测试，负载为交流风机。测试结果如图10、图11所示。

图10中v1与v2为EPS样机输出的两相线电压，vin为输入的直流电压波形；图i1中i2与为EPS样机输出的两相交流电流，iin为输入的直流电流波形。从测试结果中可以看出，输出交流电压和电流波形平滑，幅值及频率稳定，能够满足EPS设计要求。

图10　EPS样机输入/输出电压波形

图11　EPS样机输入/输出电流波形

为了进一步评价EPS电源的输出性能，对输出电压和电流的有效值、峰值、THD、频率等实验数据进行了统计，统计结果见表1、表2。

表1　EPS样机输入/输出电压实验数据

表2　EPS样机输入/输出电流实验数据

从表1和表2中可看出EPS输出交流电压有效值误差小于1V；频率误差小于0.3Hz；THD小于4%，波形畸变率小，输出电压质量高；电能转换效率大于94%。各项数据能够满足性能指标，由此表明所设计EPS电源能够实现稳定的三相交流输出。

5　结论

本文针对城轨车辆紧急通风应急电源进行研究，设计了一种数字化三相EPS电源，并进行了测试，从实验结果可以得出以下结论：

1）采用Boost升压电路与电压型三相全桥逆变电路相结合的两级式拓扑结构，能够获得EPS电源良好的输出性能，实验结果验证了该方案的正确性。

2）针对DC/AC逆变器输出的电压谐波问题，通过优化设计LC输出滤波器参数，能够有效消除

输出电压谐波。

3）基于DSP的数字化三相EPS电源能够实现稳定的三相交流输出，所输出电压精度高并且THD小，能量转换效率高，能够为EPS电源的开发提供参考依据。

参考文献

[1] 范发靖, 袁晓玲, 周素梅. 电压矢量控制在EPS中的应用[J]. 电源技术, 2013, 37(9): 1605-1607.

[2] 李玲玲, 马东娟, 顾训华, 等. 数字控制矿用应急电源三相逆变器的设计[J]. 煤炭工程, 2012(3): 14-16.

[3] 俞先锋, 钱照明, 郭志俊. 新型三相应急电源系统的DSP控制方法[J]. 电力电子技术, 2007, 41(3): 76-78, 96.

[4] 马耀家, 郑瑱. 应急供电系统稳定性的判定方法研究[J]. 电气技术, 2015(3): 45-48.

[5] 张志刚, 高健. 三相电压型PWM逆变器在EPS电源系统中应用研究[J]. 长沙大学学报, 2008, 22(5): 11-13, 18.

[6] 李兴国. EPS高频逆变技术及其控制策略的研究[D].成都: 电子科技大学, 2009.

[7] 宋丹苹, 邱忠才, 黄治清. 绝缘栅双极型晶体管升压斩波器的设计[J]. 电源技术应用, 2006(12): 35-38.

胡凯（1989-），男，云南省石屏人，同济大学在读硕士研究生，主要研究方向为电力电子技术。

Design and Implementation of Digital Three-Phase Emergency Power Supply

Hu KaiLi RuihuaHu BoHu Hao
(Electrical Engineering of Tongji University, Shanghai 201804)

Abstract In order to power supply the ventilation equipment of the confined compartment when urban rail vehicles power supply fails, this paper design a digital three-phase emergency inverter power supply. First, Based on analyzing the working principle of EPS, adopted two-hierarchical topology combing the Boost circuit with voltage-source three-phase full-bridge inverter circuit, Then, Based on DSP TMS320LF2407A and SVPWM control algorithm, we achieved EPS digitalized control. Moreover, we gave the hardware and software designing scheme of the control system. Finally, Development a 2kW EPS test Prototype, the results show that the digitalized three-phase EPS power supply can make stable 3-phase AC output, and the THD of output voltage less than 4%, the conversion efficiency reach 94%. Besides, the results verify the correctness of the scheme.

Keywords：EPS; boost circuit; three-phase inverter; DSP

作者简介