一种配电网专用24VDC-UPS直流不间断电源方案的设计

 目前我国电力系统的建设存在无法满足各行业快速发展的要求，尤其近年来出现的全国性电力供应不足，导致大面积的拉闸限电，严重限制了数字化建设的步伐和质量。因此，系统工程师在做数字化系统设计时必须充分考虑电源系统的可靠性。目前比较可靠的方法就是采用高质量的不间断电源UPS。但是在变电站中，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。我们会采用直流不间断电源，本文将介绍一种配电网专用24VDC-UPS直流不间断电源方案的设计 。

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VBE≥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Kc的条件下，采用式(1)计算容量C[3]

　　C=IG/(KcδTδK) (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;

　　δT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，δT=1+0.006(T-25℃);

　　δK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。

　　1)直流启动 在交流失电的情况下，可以直接按一下S1，蓄电池为负载供电，同时，R5端为高电平，继电器K1吸合，即使S1断开，也不会中断供电，对S1形成自锁。

　　2)放电控制 由于在大多数情况下，电池处于充电状态，这对于电池的使用寿命有很大的影响。因此，在一定的时间里应使电池放电。在该系统中，放电分手动放电和自动定时放电。定时的长短根据用户的要求而定，一般定为60天，单片机内部计时器计时到达后，给出放电信号。放电信号通过硬件电路，在R3端并上一电阻R1，使得TL494脚1的电位上升，控制脉冲变窄，输出电压变低，使D1处于反偏截止，此时，蓄电池单独对负载供电，前一级DC/DC相当于空载状态。根据电池厂家的建议，将电池的放电终了电压设为10.5V×2=21V，当检测到蓄电池电压≤21V时，撤销放电信号，充电器对蓄电池充电，同时为负载提供能量。

3)电机启动 由