基于热插拔不间断增容技术的便携式现场施工电源设计

杭剑文，王 璟，钱均飞

（国网江苏省电力有限公司 无锡供电分公司，江苏 无锡 214171）

0 引 言

现场施工过程中需要涉及到多种电气设备和机械设备，机械设备的使用需要消耗一定的电源，主要依靠电源启动施工现场的机械设备，从而完成现场施工[1]。而施工现场供电设施还并不完善，因此目前主要依靠便携式电源为现场施工提供充足的电源。现场施工电源需要具备结构简单、容量充足以及移动方便等需求，根据各项施工项目能够随意搬移电源，对电源的安全可靠性、工作高效性以及环保节能性具有较高的要求[2]。一个完整的电源主要由逆变单元、储能单元、照明单元、升压变换单元以及便携式箱体5部分组成，能够为现场施工提供独立的直流应急电源，同时还需要易于维护和检修[3]。

1 便携式现场施工电源设计

1.1 便携式现场施工电源元器件设计

根据便携式现场施工电源的实际应用需要，结合便携式现场施工电源工作原理，对其相关元器件参数进行设定，并根据具体参数范围选择对应的元器件型号。此次采用四路变换装置电源的设计思路，设定便携式现场施工电源中的电压反馈电阻和电流采样电阻等相关元器件的参数，具体设计如下。

首先，针对便携式现场施工电源中的电压反馈电阻进行设定，结合平均电流经过反馈电阻时的实际需要，在便携式现场施工电源的FB端需要形成压降形式的电压变化[4]。电路应当由轻载状态转变为满载状态，并完成对电压的下冲。在降压过程中，反馈电阻补偿会使误差放大器仍然处于工作状态，不会进入到饱和区域当中，使电路可以在更大的状态下工作[5]。通常情况下，便携式现场施工电源的输出下冲电压为100 mV，则电源反馈电阻的阻值计算公式应为：

式中，Rf表示便携式现场施工电源反馈电阻的阻值大小；V表示便携式现场施工电源应当完成的输出下冲电压大小；Y表示便携式现场施工电源满载时的输出电流[6]。根据上述公式计算得出，便携式现场施工电源反馈电阻的阻值应为2.5 kΩ，并且当便携式现场施工电源电路工作处于满载的状态时，其最大采样电流应为100 μA。根据上述要求，此次选择DUSDSF5SF型号的反馈电阻作为便携式现场施工电源中的反馈电阻元器件，该型号反馈电阻的温度系数为2.65，额定功率为2.45 W，外观为平面片状结构，整体比较小，易于安装和携带。

针对便携式现场施工电源中电流采样电阻的参数进行设定，由本文上述可知，在进行满载状态的运行过程中，其最大采样电流为100 μA，因此对采样电阻参数设定的计算公式为：

式中，Rc表示便携式现场施工电源的电流采样电阻的阻值大小；I表示便携式现场施工电源当中每路输出电感电流的平均值大小；r表示整流管的导通电阻大小[7]。根据便携式现场施工电源的运行需要，便携式现场施工电源当中每路输出电感电流的平均值大小应为45 A，整流管的导通电阻大小应为15 mΩ。根据上述要求选择便携式现场施工电源电流采样电阻的型号，选择KADF-1S2F型号电阻作为便携式现场施工电源的电流采样电阻，其温度系数为±35 ppm/℃，工作温度为-60～95 ℃，功率大小为0.25～9.25 W，整体结构尺寸偏小，符合便携式现场施工电源的设计需求。

1.2 基于热插拔不间断增容技术的电源电路设计

在上文设计基础上，对便携式现场施工电源电路进行设计。从上述分析可知，便携式现场施工电源当中包含DUSD-SF5SF型号反馈电阻和KADF-1S2F型号电流采样电阻。除此之外，为实现便携式现场施工电源的广泛应用，此次采用热插拔不间断增容技术，对便携式现场施工电源电路进行设计。将便携式现场施工电源的核心元件设计了热插拔不间断增容功能，具体如图1所示。

图1 基于热插拔不间断增容技术的电源电路示意图

如图所示，该便携式现场施工电源电路整体结构中利用热插拔不间断增容技术产生多路相位，彼此之前的PWM脉冲超过90°，在PWM脉冲的两段与驱动装置进行相互连接，并且每个驱动装置之间都会产生两组不同形式的互补波形，以此实现PWM脉冲与电源电路主控芯片相互连接的四路同步整流电路[8]。在整个电路结构当中，便携式现场施工电源电路中每组变换装置的下端均连接着DKSDFS管，并且均是通过反向并联的方式连接。其中两组电路变换装置下端DKSDFS管又构成了便携式现场施工电源的供电电路，为其日常运行提供5 V的电源电压，以此实现便携式现场施工电源的热插拔不间断增容功能[9]。此外为了实现对传统便携式现场施工电源的简化，采用5个模拟开关与一个分压电阻组成的电路作为主要的供电电路，向四路电路传输工作电压，以此完成基于热插拔不间断增容技术的电源电路设计。

1.3 便携式现场施工电源容量配置设计

在便携式现场施工电源储能过程中需要准确把控储能功率和储能容量两个技术参数，为了进一步提高便携式现场施工电源的储能功能，将携式现场施工电源的储能单元结构设计为锂电池结合超级电容器的混合储能结构。在储能过程中超级电容器具备大电流充放能力，而锂电池的功率输出反应速度比较慢，针对两种储能装置的特性，利用高通滤波器原理合理分配两个储能装置的储能功率，分别计算出便携式现场施工电源储能装置吞吐功率的参考值，计算公式为：

式中，Ped表示便携式现场施工电源储能装置中超级电容器吞吐功率；τed表示便携式现场施工电源高通滤波器的时间常数；Phe表示便携式现场施工电源储能功率；Pli表示便携式现场施工电源储能装置中锂电池吞吐功率[10]。对式（3）进行计算，得到便携式现场施工电源电量的变化，根据该变化值对便携式现场施工电源储能功率进行分配。当计算到便携式现场施工电源电量的变化波动在0.1 Hz以上的高频波动电能，利用超级电容器对其进行吸收，当计算到便携式现场施工电源电量的变化波动在0.01～0.1 Hz，则由锂电池对其进行吸收。

配置完便携式现场施工电源储能功率后，根据滤波后的功率确定便携式现场施工电源储能电容量，波动后的功率计算公式为：

式中，Xk为k时刻便携式现场施工电源原始功率；Yk和Yk-1分别为某时刻便携式现场施工电源滤波后的功率；T为便携式现场施工电源功率。根据式（4）的计算结果，确定在某时刻便携式现场施工电源储能容量，其计算公式为：

式中，Ek表示k时刻便携式现场施工电源储能容量；E0为便携式现场施工电源初始电量值。利用上述公式计算出便携式现场施工电源储能容量，按照计算结果对便携式现场施工电源储能装置的容量参数进行实时配置，为便携式现场施工电源提供充足的容量资源，以此完成基于热插拔不间断增容技术的便携式现场施工电源设计。

2 实验论证分析

以某现场施工为实验环境，该现场施工涉及到的机械设备共56个，对电能需求量较大，实验利用此次设计的便携式现场施工电源与传统电源为该现场施工提供电能。实验中按照上述设计方案对现场施工电源进行组装，实验时间设定为24 h，实验过程中令现场施工中所有机械设备处于运行状态，利用KID测量仪器对便携式现场施工电源的运行情况进行实时监测，测量到两种便携式现场施工电源在实验中的停电时间，《便携式现场施工电源设计规范》GB5642-2010中规定，现场施工电源停电时间不得超过电源供电时间的0.1%，因此实验将便携式现场施工电源停电时间作为实验结果，对两种电源进行对比分析，实验结果如表1所示。

表1 两种便携式现场施工电源停电时间对比

从表中可以看出，此次设计的便携式现场施工电源停电时间比较短，停电时间可以控制在总运行时间的1%以内，而传统便携式现场施工电源停电时间较长，可以达到总运行时间的5%。因此实验证明了基于热插拔不间断增容技术的便携式现场施工电源可有效保证施工现场电源的续航能力，具有较好的可行性和可靠性。

3 结 论

本文在原有便携式现场施工电源基础上对其进行了优化与改良，提出了一套基于热插拔不间断增容技术的便携式现场施工电源设计理论。此次研究对提供便携式现场施工电源电容量以及供电能力具有重要的作用，同时对提高现场施工效率、降低现场施工用电成本以及充分发挥出便携式现场施工电源供电功能具有重要的现实研究价值。