高压直流电源的控制与监测

王景娟，王 鑫，陈晓平，孙懿帅

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063000）

0 引 言

电子开关技术的发展带动了相关电气设备的更新、改善和提高。对于高压直流电源的整流，为了提高产品的竞争力和输出更好的直流电压效果，优化电源，选用IGBT作为整流控制，大大提升了性能。MK系列直流电源除了采用IGBT作为整流外，对电压的调节输出选用PWM脉宽调制作为闭环调节的控制环节，电池为单独充电模块供电，与回路分开控制，有效避免了回路故障对电池的影响，自动调节剩余充电模块的电压，控制更加智能[1]。下面将详述直流电源的控制原理和监测优势。

1 直流电源系统组成及特点

1.1 系统组成

通信总线和电源总线把监控模块、充电模块以及绝缘监察模块连接在一起。

（1）充电模块，变换交流为直流，对电池充电，提供稳压或稳流电源。

（2）监控模块，交换并处理模块信息，是人机操作、监控界面。

（3）自动调压装置，把充电模块输出电压经过自动调压后提供稳定电压给直流母线。

（4）直流馈电，可以把直流输出电源分配到每一路输出。

（5）绝缘监察模块，监测系统母线和支路的绝缘状况，并把数据传到监控模块。

1.2 系统特点

（1）智能控制的充电模块，采用IGBT功率器件、PWM脉宽调制技术、抗干扰能力强的计算机和串行的A/D、D/A转换器等，通过通信接口对模块进行启停控制、参数设定、运行状态检测。

（2）充电模块，能提供50 A的输出能力，容量大，可靠性高[2]。

（3）电池寿命高，主要是因为充电模块结构独特，使得充电电流与控制母线负载变化无关，做到恒流充电，不会造成过冲或欠冲，稳压稳流可以保证电池的使用寿命。

（4）液晶操作显示屏，具有触摸功能，操作界面友好，中文提示对系统进行操作，报警记录帮助用户诊断系统故障。

（5）通信，多种通信规约实现“四遥”功能，包括485、422、232标准。

（6）预设充电曲线，充电间隔、浮充电压、恒流电流值均可通过监控模块设置，满足用户需求。

（7）监控模块，可以检测单节电池电压，出现异常及时发出报警。

2 脉宽调制（PWM）和充电模块的原理分析

2.1 充电模块的原理

输入为三相交流，经过IGBT整流、滤波、BUCK变换、电感电容滤波后输出直流，通过PWM调节直流脉冲的占空比，调整直流输出电压或电流，原理如图1所示。

计算机监控充电模块，通过内部通信总线接收监控模块发来的命令，把充电模块运行数据上传给监控模块。详细的数据交换[3]：将充电模块的启停状态、过流、控制电源低电压故障、均/浮充状态传送给监控模块；把充电模块的输出电压电流传送给监控模块；反之，监控模块下达命令给充电模块执行启停和均/浮充电转换，设定或微调充电模块的电压和电流。充电模块上有5个工作指示灯，分别为电源、启动、通信、过流故障和电源故障。

图1 充电模块变换框图

2.2 脉宽调制

脉冲宽度调制型变频电路通常称为PWM（Pulse Width Modulation）型变频电路。交流电源供给充电模块整流的电源为三相对称正弦电压。

式中，UL为电源的线电压有效值，ω为电压的角频率。因此，三相磁链的表达式为：

其中，Ψm为磁链的幅值，即为理想磁链圆的半径。

从式（3）可以看出，整流输出电压频率之比不变时，磁链圆半径Ψm不变。因此，空间矢量PWM也称为磁链轨迹PWM。本文以式（3）为半径的磁链圆为基准圆。

采用线性组合法控制PWM的开关时间，可以使磁链轨迹逼近圆形旋转磁场。如果每周期只切换6次，磁链轨迹呈六边形，增加切换次数，每段施加的电压空间矢量相位都不一样，通过使用基本电压矢量线性组合方法，把相邻电压空间矢量组合构成新的电压矢量。在常规六节拍逆变器中，一个扇区仅包含两个开关工作状态，实现SVPWM控制就是要把每一扇区再分成若干个对应于换相周期的小区间[4]。按照上述方法插入若干个线性组合的新电压空间矢量，就能获得优于正六边形而逼近圆形的旋转磁场。

3 系统启动、停机和人机监控界面操作

3.1 系统启动、停机操作

系统启动时，①合主电源和备用电源断路器1QF、2QF，当主电源有电时，充电模块电源指示灯亮；②合电池充放电断路器3QF；③监控模块电源开关打到开的位置，电源指示灯亮，显示屏显示系统主页，当通信正常时，充电模块、监控模块上通信指示灯闪烁；④合控制母线断路器和合闸母线断路器4QF和5QF；⑤在点击触摸屏右下方的“系统操作键”进入系统子画面，点击“启动”，启动所有充电模块。

停机与启动顺序相反。①在触摸屏点击“停止”，停止所有充电模块的输出；②断开控制母线断路器和合闸母线断路器4QF和5QF；③监控模块电源开关打到关的位置；④断开电池充放电断路器3QF；⑤断开主电源和备用电源断路器1QF、2QF。

3.2 人机界面操作

人机界面包括系统模拟状态图、使用菜单、提示信息、参数查询、报警查询、系统设定以及系统操作等。模拟状态图提供了设备状态信息，主要是主电源、备用电源接触器、充电模块是否启动、电池充放电、控制母线以及合闸母线输出断路器等状态。系统提示信息可以提示运行正常、报警信息，同时在监控模块上报警灯闪烁，蜂鸣器发出报警声。系统设定操作主要设定充电曲线、报警参数的上下限和时钟，其他一般不需设定。

在人机操作界面尤其要注意的电池的设定，以电池充电电流或浮充持续时间为依据，控制充电模块由浮充转入均充，或者控制充电模块由均充转入浮充。对单个2 V电池，浮充电压约为2.25 V，均充电压约为2.35 V，电池充电限流值为0.1 A。通常，充电电流大于0.06 A，持续60 s或浮充持续时间超过设定值则转均充，若电流小于0.01 A持续3 h或均充超过24 h则转浮充[5]。

4 结 论

直流电源技术的发展为高压柜的运行和控制提供了可靠保障，智能化的模块、多样的报警提示、简单的操作、电池的优化设置、重要的数据监测等，都降低了设备维护的难度，加快了故障排除时间。对于电池的充电控制方面，考虑要更全面，以提高电池的使用寿命，方便维护人员查看电池状态信息。