新型三相应急电源的分析

许 鑫

（国网福建省电力有限公司，福建 福州 350001）

0 引 言

在信息化和现代化技术不断发展的时代背景下，电能发挥了重要的作用，要结合实际应用需求落实合理的预控机制，提高应急电源的应用效能，从而减少停电产生的不良影响，为市电体系化管控工作的顺利落实奠定坚实基础。

1 应急电源概述

应急电源系统指的就是在应用电力电子器件和逆变技术的基础上，配合高电子集成模块形成的强电与弱电一体化的应急处理系统，能在较为紧急的状态下承接负荷第二电源和第三电源供给工作，避免长时间断电造成不良影响。

1.1 特 点

应急电源本身是应急型电源系统，因此在整个电网常规化正常运行状态时，应急电源处于静态，具有节能特质。其是为了避免因突然或者是临时性停电造成电源供给不足的系统设备，因此无需操作人员值守，能在电网供电及应急电源供电两种模式中间有效建立自由切换，一般时长控制在0.1～0.25 s之间。从物理特性层面分析，应急电源本身是正弦波供电系统，因此具有电压稳定和频率稳定的特质，无噪声。在安装应急电源的过程中，技术部门无需刻意进行主接线的设计变更，利用对应设备就能有效替代原有产品设施。同时，应急电源的带载效果较好，能实现感性电流、容性电流以及综合性电流的负载处理，基于此将应急电源应用在照明设施、水泵设施以及消防电梯设施等方面具有较好的应用效果。此外，应急电源能在较为恶劣的环境中使用，并且应用可靠性较高，一般的应急电源都是双机热备处理模式，使用寿命在20年左右[1]。

1.2 分 类

目前，较为常见的应急电源主要分为以下3种。

1.2.1 照明类应急电源

应用较为广泛的是单相电源，一般在一些大型商超和办公楼等实现集中供电。基本的供电系统见图1，在输入电源处于正常状态时，市电会借助转换装置完成日常照明管理。对应的另一路则是借助充电器完成电池组的充电处理，此时检测数据异常或者是中断，逆变器就能接收到启动信号，保证了装置互换。

图1 照明类应急电源示意图

1.2.2 混合负载类应急电源

一般是应用在负载结构和应用性质较为复杂的区域，如医院和高层酒店等，照明型负载结构或者是动力型负载结构较多，因此多数都是三相模式。

1.2.3 电机专用应急电源

电机专用应急电源供电系统如图2所示，这种应急电源会应用在特设负载模式中，主要是为了减少电机起动产生较大电流造成的设备损毁，常见的应用场所就是消防水泵和电梯等。出于安全和技术要求的综合考量，一般都是单路输出模式，借助三相输入市电逆变器整流处理形成直流电，并且匹配对应的充电器完成电池组充电。在输入电流出现异常或者是突然中断后，应急电源内部就能建立直输通道，从而有效为变频器提供对应的直流电。需要注意的是，若是电机处于负载工作状态，则会直接送给变频器进行信号的启动汇总，涉及运行信号和远程控制信号。变频的实际范围从0～50 Hz，达到50 Hz为止[2]。

图2 电机专用应急电源供电系统示意图

2 三相应急电源结构和工作原理

在三相应急电源应用过程中，利用蓄电池等组成部分有效建立定向的能量流动处理机制，完成蓄电池充电和蓄电池放电。在整个电网处于正常运行状态时，借助静态开关就能完成电路负载供电应用，另一路电流要借助双向PWM变流器处理然后交由双向DC/DC变换器控制，保证充电合理性，在完成交流电压转换后就能为三相应急电源提供较为充足的动力。

2.1 双向PWM变流器结构和工作原理

2.1.1 整流状态

在三相应急电源供电系统中，要想发挥实时性控制作用，就要关注整流环节，不仅能提供较为稳定的直流电源，而且还能为蓄电池组予以实时性充电。在市电处于稳定运行的状态时，双向PWM变流器利用整流作用将三相交流电压转变为直流电压，借助三相全控整流器就能完成直流电的控制管理。这种方式最大的优势在于能实现输入电流的正弦化处理，并且避免大量谐波污染对电源造成的影响，为输入功率因数的管理提供保障。与此同时，整流状态的纹波幅值数值不大，这就大大缩小了直流滤波器的体系，节省空间[3]。

2.1.2 逆变状态

双向PWM变流器的逆变输出模式中，电压型半桥逆变器和输出滤波器是主要的元件。其中，逆变器发挥非常重要的作用，决定了输出电压的质量，也对应急电源系统性能产生影响。之所以利用三相半桥结构就是为了建立基于中线的三相四线制结构，逆变器和容量较大的电容连接能有效减少中点电位漂移问题造成的不良影响。值得一提的是，新型三相应急电源能大大避免传统EPS电路运行的问题，在简化传统电路结构的同时还能减少设备的运行成本。

2.2 双向DC/DC变换器结构和工作原理

在整个应急电源系统中，双向DC/DC变换器对蓄电池的充电具有相关作用，利用拓扑结构实现变换，匹配的有源元器件的导通损耗并不大，但是其效率较高。借助直流端稳压电容、滤波电源以及二极管等完成组成处理模式，其主要表现形式为升压模式和降压模式。在常规化运行状态中，双向DC/DC变换器的两个功率器件中只有一个开关处于运行状态，若是升压交换器模式运行时，功率开关T8处于运行状态，T7开关截止，而在系统从工作转变为降压变换模式后，功率开关T7工作，T8停止运行。为了满足不同交换器交替运行的流畅性，功率开关器件的驱动信号作为对应动作的标志，待其中一个完全关闭后，另一个才能实时开通。

图3 电路实时运行示意图

2.2.1 升压变换模式

电网出现运行故障，整个系统的蓄电池处于放电状态，此时双向DC/DC变换器结构升压模式利用PWM方式完成工作。T8导通状态，二极管T7反偏截止状态，此时输出电容呈现放电状态，完成负载能量处理工作。T8关掉，电感L此时的电流无法形成突变状态，则会感应出极性相反的自感电势，以维持D7的导通续流[4]。

2.2.2 降压变换模式

在电网运行处于正常状态下，双向DC/DC变换器结构的电路处于降压模式，电感L和T7以及续流二极管处于平稳运行状态。T7导通状态，二极管D8就会进入反偏截止状态，电感L电压数值为Udc-U0（图4），因为Udc＞U0，因此电感电流呈现出线性增长趋势，电能会在运行过程中转变为能存储的能量，有效完成蓄电池组充电工作。T7截止时，电感L的电流无法形成突变结构，电感L会获取极性相反的自感电势参数，二极管D8导通续流开始。基于此，调整T7占空比和电压参数，确保蓄电池组充电电流的稳定性[5]。

图4 T7导通状态

3 三相逆变器电路控制模式

3.1 基础模式

基于控制算法建立对应坐标系，判定稳态时不同变量在坐标系中的位置，然后借助PI调节器分析稳态误差控制工作。基础性的控制部分是传统的双环控制模式，其中外环是电压环，内环是电流环，结合两环之间的电压反馈差就能获得对应处理方案。另外，三相逆变器的开关模式会借助PWM进行调制处理，提升直流母线的电压利用效率[6]。

PI调节器完成仿真模拟处理的公式为：

式中，u(t)表示的是调节器的输出信号；e(t)表示的是调节器的偏差信号；Kp表示的是比例系数；KI表示的是积分系数。配合计算机数字量分析，就能建立离散化处理模式。

逆变器控制策略将提高逆变器输出电压稳态参数和动态性能参数作为关键，利用电压有效值反馈控制、电压瞬时值反馈控制以及电流内环电压外环控制等策略维持综合应用水平[7]。

3.2 应急电源的数字锁相技术

为了有效避免应急电源应用管理的不合理问题，要结合市电管理要求，维持市电供电和逆变器供电相互切换的目的，维持安全性，借助逆变器输出电压和市电电压锁相同步的特点整合芯片处理机制，在满足电压频率精度要求的同时按照50 Hz基准频率输出进行校对分析。

第一，调整应急电源输出电压，市电电压和EPS电压都按照正弦规律变化获取，若是要实现锁相处理目标，就要满足 sin (ω1t±θ)=sinωEPSt。一般而言，决定其周期的是逆变器正弦波频率和市电频率的比值。

第二，结合载波计数器k值的变化进行区分。在k=0时表示三相电源逆变器的输出电压和市电维持一致性。在k＜100时表示三相电源逆变器输出电压相位超出市电的基础数值，在k＞100时表示三相电源逆变器输出电压相位滞后于市电的基础数值[8-10]。

4 结 论

总之，要结合市电的实际应用要求合理配置三相应急电源，有效发挥电源的应用优势，建构更加和谐的供电模式，减少停电造成的经济损失，为综合优化电力事业发展水平奠定坚实基础。