一种配电网专用24V直流不间断电源的设计

一种配电网专用24V直流不间断电源的设计

1    引言

    在变电站中，直流电源对变电站的二次设备以及变电站的实时通信非常重要。如果直流电源不可靠，会导致继电保护失灵，造成停电面积扩大，也使得通信出错，以致发生更大的事故，为此，要求其有较高的可靠性。通常，采用储能电容或蓄电池作后备电源，并且直接作为直流输出，但输出电能质量不高，而且电池管理复杂。因此，本文采用带蓄电池的开关电源提高电源的可靠性，同时输出电能质量高，满足通信的要求。一般情况下，蓄电池的管理是一件非常复杂的工作，该系统采用PIC16C73单片机来实现电池管理，管理方案简单可靠。

2    24V直流不间断电源系统

    24V配电网专用不间断电源系统示意图如图1所示。

图1    变电站配电网专用24V直流电源系统示意图

2.1    电源系统的性能指标

    两路交流输入    90～130V；

    可以用于变电站小型直流电机启动；

    输出直流24±0.03V；

    实时检测电池工作参数，远程监控；

    负载电流3A时备用时间≥10h；

    可以远程，现场实现电池管理操作；

    工作温度范围－40℃～＋80℃。

2.2    电源系统的各个模快

    1）前一级是半桥DC/DC电路，用作充电器。为提高可靠性，输入为两路交流110V，可以工作在交流90～130V，输出为直流28V（蓄电池在充电状态下），既用于对蓄电池充电，又可以通过蓄电池启动小型的直流电机。开关管采用晶体管2SC2625，控制芯片采用TL494。电路自激启动过程：直流母线上的分压电阻使得2SC2625的V_BE≥0.6V，晶体管导通，电路开始自激，辅组绕组上建立瞬时电压，使得TL494工作，电路进入正常工作状态。

    2）后一级DC/DC电路采用推挽电路结构，变压器双向磁化，有效防止磁饱和^[1]。由于电池端电压可以在21V～27V之间变化，该电路可以实现升降压调节，使输出电压稳定在24V，满足负载要求。

    3）电池管理模块采用PIC16C73，其框图如图2所示。PIC16C73是Microchip公司推出的PIC8位中档单片机，仅35条单字节指令，自带5个A/D转换模块，稳定性好，可以工作在恶劣的环境^[2]。

图2    电池管理框图

    通过采样电路，实时将电池的端电压，放电电流，充电电流，电池温度，交流停电，充电器故障信号等送给PIC16C73处理。处理后的数据可以送给现场的LCD显示，以便现场巡检；数据送给上位机，可以实现远程监控。

    4）开关电源集成控制器TL494可以输出两路互补的脉冲控制信号，也可以实现单端输出。最小死区为3％而且可调，内有稳压和过流保护运放。

3    电池管理方案及功能实现

    电池管理部分硬件图如图3所示。

图3    电池管理部分硬件图

3.1    电池容量的选择

    按满足交流停电状态下持续放电的要求。在厂家提供蓄电池容量变换系数K_c的条件下，采用式（1）计算容量C^[3]

    C=IG/(K_cδ_Tδ_K)    （1）

式中：I为按配电网最大负荷电流设计；

      G为蓄电池独立供电时间，由配电网可靠性等级决定；

            δ_T为蓄电池放电容量温度系数，在15～25℃环境温度下，温度每增高或降低1℃时，容量随温度变化增加或减小0.006至0.007的额定容量，δ_T=1＋0.006(T－25℃)；

            δ_K为蓄电池衰老系数，一般取0.8。

    根据以上原则，并结合实际应用场合，本系统选择了2个12A·h/12V的铅酸蓄电池串联。

3.2    电池管理的硬件实现

    交流上电后，一方面通过R₄和D₃对蓄电池充电，同时为后一级提供输入，此时继电器K₁吸合，但由于D₄反偏，蓄电池不对负载放电；在交流停电或蓄电池放电状态时，D₁反偏截止，此时蓄电池通过继电器触点及D₄对负载供电。当检测到电池电压≤21V时，停止供电，系统处于完全停电状态，应当避免这种情况的发生。R₇和R₈用来检测电池的充放电电流。在充电状态下，28V直流输出恒定，当处于放电状况下，该输出会有变化的。