第26期2019年9月江苏科技信息
JiangsuScience&TechnologyInformationNo.26September，2019新型交直流一体化不间断电源系统
王
静1，张
保2，王新想2，李浩3
2.南京国臣直流配电科技有限公司，江苏南京211100；3.清华四川能源互联网研究院，四川成都610000）（1.深圳供电局有限公司，广东深圳518053；
摘要：工业生产过程中变频器、PLC、计算机等电压敏感设备的大量使用使得工艺过程对供电可靠性的
要求不断提高。采用传统UPS保障负荷不间断运行的方案存在耗电量大、影响电网电能质量等问题，文章介绍了一种新型的交直流一体化不间断电源系统，融合了新能源发电的优点，采用交直流混合供电的方式，在电网停电或发生电压暂降时保证重要负荷的正常工作。相比传统的UPS等后备电源，此方法反应时间快、切换时间短、运行效率高且运维和扩展便捷，实验表明该系统响应速度快、供电可靠性高。关键词：供电可靠性；交直流一体化；不间断电源；新能源中图分类号：TM919文献标志码：A0
引言
理想状态的电力系统是以恒定频率、正弦波形和标准电压对用户连续供电的，但由于设备故障、环境干扰等多种原因，实际供电会存在一定的偏差。因此在电网运行、电力设备和供用电环节中出现了许多有关电能质量的问题，其中主要有电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电压波动与闪变、电压暂降（暂升）与中断、电压谐波与间谐波、电压陷波等［1］。
在工业负荷中，部分设备对供电可靠性要求较高，如工业现场普遍使用的变频器和PLC等设备，10ms左右的电压暂降即可造成变频器停机［2］。传统不间断电源UPS的投入可能会使设备和元件产生附加谐波损耗，降低电能转换效率、加速电缆绝缘老化、干扰其他电气设备的正常工作、导致继电保护和自动装置的误动作、降低电气测量仪表精度、对通信和计算机系统产生干扰［3］。此外，UPS在使用过程中存在耗电量大、维护成本高、故障率高等缺点。UPS的串入连接往往还会降低整个系统的
图1
交直流一体化不间断电源系统
可靠性。
本项目研究的开展将为此类设备提供一套交直流一体化不间断供电方案，以保证工业现场敏感负荷在交流电网停电或发生电压暂降时可以正常工作。11.1
新型交直流一体化不间断电源系统
交直流一体化不间断电源系统原理如图1所示，系统概述
系统内的电源包括光伏、三相交流电源以及储能单元。光伏发电经过DC/DC转换器转换后可以提供直
基金项目：深圳供电局有限公司项目；项目名称：基于直流的综合能源系统关键技术研究与应用；项目编号：090000KK52180116。作者简介：王静（1987—），女，河南驻马店人，工程师，硕士；研究方向：直流配用电技术。
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No.26September，2019流电压给蓄电池充电以及供直流照明。三相交流电源在经过整流后提供直流母线电压，在给蓄电池充电的同时可以作为其他直流转换器的电压来源。对于变频器和PLC来说，由于其具有交直交的特性，所以动力回路可以由交流和直流同时供电，以保证变频器和PLC主回路的供电可靠性，而变频器的控制回路基本上为交流负荷，故采用经过直流逆变转换后再给变频器控制回路供电的方法，保证其控制回路的供电可靠性，避免其受到交流系统停电或电压暂降的影响。
电网电压正常时，由电网电压逆变后的直流电压与经太阳能光伏转换后的直流电压共同保证直流母线的电压，并为蓄电池充电。当电网电压出现暂降时，交流电网电压已经不足以使变频器正常工作，这时就需要投入后备支撑，以保证变频器能够抵御电压暂降带来的影响，即储能单元与光伏环节迅速投入变频器的动力回路与控制回路，补偿变频器在电压暂降或停电期间的损失能量，以确保其能够正常工作。当电网电压恢复后，后备支撑退出转为热备用状态。1.2
交直流一体化供电方案的兼容性更强，方便新能系统关键设备介绍
免因线路较长且操作频繁而导致的直流故障，从而保证直流照明设备的供电可靠性。2
应用于工业现场时的设计方案
以某工业现场为例，现场有3kW变频器6台，5kW变频器2台，照明6kW（PLC由于功率较小，此处不单独计算），光伏电量以空间合理利用为准，满载功率20.4kW，各变换器按照负载容量的1.4倍选择以保证变换器处于高效率点运行。2.1
蓄电池组配置
负荷总功率为34kW，需要在停电情况下运行1h。
选择2V铅酸蓄电池1组。要求电池组运行电压在170V~210V，以最高电压210V确定电池节数为105170÷105=1.62V。容量计算如下。
（1）选择电池容量。单节电池P0=P总负载（/n×105）=节，以最低电压170V确定放电截止电压，应大于
34kW/（1×105）=323.8W，n为电池组数，此处为1组。
（2）查电池恒功率放电特性表。如表1所示，找到对应截止电压下（查电池放电特性表可知此处截止电压为1.7V），满足单节电池1h放电功率大于323.8W对应的电池型号，为PJ2V200，即2V/200Ah0.1=20A。
（3）计算放电电流。Imax=P总负载（/105×1.7）=34kW/压差控制开关配置
电池，电池充电机选择0.1C浮充，则充电电流为200×
源的接入，能够保证系统最大限度地利用光伏输出的能量，在进行高可靠供电的同时还能够提高经济效益和社会效益［3］。系统内关键装置包括以下5部分。
（1）光伏转换器。光伏转换器主要用于实现太阳能光伏电池板和配网直流电压的匹配，以及光伏系统的最大功率跟踪（MPPT）功能。输出端直接接入直流配电母线，采用单向DC/DC转换器。
（2）DC/DC充电机。蓄电池的充电机按照输入和输出侧隔离性的要求采用隔离型DC/DC转换器，保障储能系统安全。
（3）变频器主回路DC/DC转换器。变频器主回路DC/DC转换器采用交错并联的BOOST电路拓扑结构，此种拓扑使得电感电流交错、纹波电流减小，从而提高了装置稳定性，馈出采用二极管压差导通方式，当变频器直流母线电压下降到压差设定值时，二极管自动导通，相对于机械式开关，此种方式极大提高了导通速度。
（4）PLC主回路DC/DC转换器。国内常用PLC电源一般分为两种：交流220V电源和直流电源，此处直流电源多为DC24V。
（5）直流照明DC/DC转换器。采用安全性较高的隔离型DC/DC转换装置给直流照明设备供电，避
178.5=190A，可选用智能开关直接放电，也可选用相应标准的变换器，本设计中采用智能开关控制放电。2.2
在交直流混合供电的变频器、PLC电源处，当交
流电网停电造成设备内的直流母线电压下降时，直流电导通，因而需要压差值控制电路决定何时切换电源。传统压差控制电路通过对晶闸管阳极A和阴极K的直流电压进行A/D采样后，经CPU比较处理，当两端的压差达到设定值时，再输出一个控制信号电压，加在晶闸管的门极，通过这个电压来达到触发晶闸管导通的目的。这种电路复杂，元件繁多，故障率高，在控制晶闸管导通过程中增加了延时（2ms以上），且需外部电源供电，晶闸管门极需进行隔离，否则会因为晶闸管的回路电压过高而损坏控制电路。
本系统采用的是一种由模拟电路和单向晶闸管组成直流压差控制电子开关，不需要外部工作电源，对门极的控制信号也不需进行隔离，可以根据系统实际需求进行压差值的设定。图2所示为直流压差电子开关电路原理图，晶闸管阳极A接至DC/DC升压单
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表1电池恒功率放电特性
15min250375482722120414441926240736114815722296330min1702553305216598241318172471329549429881.70Vpc-放电@25℃（W/cell）45min1311972754216166103212901935258038707791hr10916321933944554665310811616216232548633hr5hrNo.26September，2019型号PJ2V100PJ2V150PJ2V200PJ2V300PJ2V400PJ2V500PJ2V600PJ2V1000PJ2V1500PJ2V2000PJ2V3000PJ2V80050.075.01001622002503304025011002150275134.551.772.8108138173211283345518103569010hr20.230.340.860.580.61031221206308413625元输出端正极U2+，阴极K接至变频器直流母线正极Ud+，D1为稳压管，设其稳压值为U，压差设定值为Uset。
当UAK≤0时，SCR截止；当UAK≥Uset时，流过R的电流i=入SCR门极的电流。
大小，保证晶闸管可靠导通。由上述分析可知，压差于200μs。
合理选择R和D1的参数即可控制门极注入电流
UAK-U，也即注R直流供电系统开始对变频器直流母线供电，以保证变频器逆变部分工作正常，进而保证其所带负载的稳定运行，避免因电网晃电而造成的装置停车事故。图3为模拟暂降发生时，DC/DC转换器的支撑动作情况。图3（a）中，通道1为电网电压，通道2为变频器直流母线电压，通道3为DC/DC转换器输出电流波形。可见，通道1发生电压跌落时，DC/DC转换器迅速支撑，在160μs内输出电流，并维持变频器直流母线电压，由于设置了压差，由通道2可以看出，变频器直流母线电压有一小段平滑降低，之后一直维持稳定。图3（b）中，通道1为交流电网电压，通道2为变频器输出，通道3为变频器直流母线电压，可见在交流电压失压期间，变频器正常输出直至交流电压恢复。4
结语
本项目基于部分工业负荷的存在直流供电接口的结构特性，结合目前太阳能光伏、储能等分布式发电和直流负荷在工业现场的大量应用，所研制的交直流一体化不间断电源系统不但具备抗晃电功能，还具备接入和消纳新能源的功能，大大提高了供电可靠性和用电经济性。由于使用了压差控制装置及静态开关，系统在发生电压暂降时的后备切换时间能够达到0.2ms。系统采用模块化并联冗余设计，方便在原有基础上扩展其他模块，还可以通过装置的热插拔设计实现不断电检修。此系统可以减小电压暂降及停电
控制开关的导通时间即为晶闸管的开通时间，一般小
图2直流压差控制电子开关原理
3模拟实验
以变频器为例，变频器正常状态由交流供电带负
载运行，当电网电压发生跌落时，变频器直流侧的母线电压也会随着降低。当母线电压低于DC500V时，
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No.26September，2019（a）暂降波形及DC/DC转换器支撑时的电压电流情况
图3
（b）DC/DC转换器支撑时电流上升情况
DC/DC转换器在电压暂降时的支撑波形
问题对生产过程的影响，提升整个厂区的供电质量，对于企业的节能、降损、提效也具有重要的现实意义。
参考文献
［1］景培毅.电能质量浅谈分析［J］.电器工业，2019（1）：62-66.
［2］徐永海，李晨懿，汪坤，等.低压变频器对电网电压暂降耐受特性及兼容性研究［J］.电工技术学报，2019（10）：2216-2229.
［3］李忠，严建海，王福林，等.楼宇低压直流配电系统示范应用［J］.供用电，2018（6）：33-40.
（责任编辑
何琳）
ResearchonanewAC/DCintegrateduninterruptiblepowersupplysystem
WangJing1,ZhangBao2,WangXinxiang2,LiHao3
（1.ShenzhenPowerSupplyBureauCo.,Ltd.,Shenzhen518053,China;
2.NanjingGoldenCooperateDCPowerDistributionTechnologyCo.,Ltd.,Nanjing211100,China;
3.TsinghuaSichuanEnergyInternetResearchInstitute,Chengdu610000,China）
Abstract:Intheindustrialproductionprocess,theextensiveuseofvoltage-sensitiveequipmentsuchasfrequencyconverter,PLC,computerandsoonmakestherequirementofpowersupplyreliabilityinthetechnologicalprocesscontinuouslyimprove.ThetraditionalUPSschemetoensuretheuninterruptedoperationofloadhassomeproblems,suchaslargepowerconsumption,affectingthepowerqualityofpowergridandsoon.AnewkindofintegratedAC/DCuninterruptiblepowersupplysystemisintroducedinthispaper,whichcombinestheadvantagesofnewenergygenerationandadoptsAC/DChybridpowersupplymodetoensuretheimportantloadstoworknormallywhenpoweroutageorvoltagesagoccurs.ComparedwiththetraditionalbackuppowersupplysuchasUPS,thismethodhastheadvantagesoffastresponsetime,shortswitchingtime,highoperationefficiencyandconvenientoperationandexpansion.Experimentsshowthatthesystemhasfastresponsespeedandhighreliabilityofpowersupply.
Keywords:powersupplyreliability;integratedAC/DC;uninterruptiblepowersupply;newenergy
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