盧德祥，劉堯彬，陳偉峰，邱雪婷

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司 龍巖供電公司，福建 龍巖364000）

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的逐步推進(jìn)，智能電表作為建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵一環(huán)，使用量占比越來(lái)越大，但維護(hù)問(wèn)題也日漸凸顯。在調(diào)整抄表例日和用戶用電結(jié)算方式等方面，供電公司工作人員需在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)用戶智能電能表進(jìn)行重新編程。智能電能表現(xiàn)場(chǎng)編程需要滿足主回路電壓達(dá)到78%以上，因此在主回路無(wú)電壓時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)電能表的現(xiàn)場(chǎng)編程。部分技術(shù)人員會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)其余回路搭接電壓，啟動(dòng)電能表完成編程，但此種情況下極易造成安全事故。因此，工作人員只能等到主回路送電后再次返回用戶現(xiàn)場(chǎng)完成編程，這造成工作人員重復(fù)往返作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，極大地降低了工作效率。此外，智能電表使用年限到期后，內(nèi)部記錄數(shù)據(jù)信息需要再次錄入SG186系統(tǒng)。由于智能電表內(nèi)置時(shí)鐘電池欠壓，一般電能表使用年限到期后，電池將無(wú)法提供正常電壓，導(dǎo)致無(wú)法抄錄電能表示數(shù)。對(duì)于不能正常顯示的智能電能表，傳統(tǒng)方法采用電能表校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)或自制導(dǎo)線人為直接插入市電中啟動(dòng)電能表。該種方法極大地降低了工作效率，且技術(shù)人員易因直接接觸裸露的自制導(dǎo)線而引發(fā)安全事故。因此，如何安全快捷地操作斷電的智能電表，是困擾電網(wǎng)技術(shù)人員的一個(gè)難題[1-3]。

為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種能夠?yàn)闊o(wú)供電回路的智能電表充電的便攜式復(fù)電裝置。通過(guò)此裝置，工作人員可以安全快捷地接入斷電的智能電表完成對(duì)智能電表的編程，提高作業(yè)人員的工作效率，且能避免因錯(cuò)亂搭線造成的人身及設(shè)備事故。

基于雙向DC/AC的電能表現(xiàn)場(chǎng)復(fù)電儀的功率變換電路由電池儲(chǔ)能模塊、Buck/Boost變換器以及H橋電路組成。采用TI公司的TMS320F28027作為控制芯片，包含顯示屏、按鍵以及指示燈等人機(jī)交互界面。通過(guò)人機(jī)交互界面，電能表可實(shí)現(xiàn)單相220 V、三相三線制100 V以及三相四線制50 V這3個(gè)不同檔位的切換。

1 工作原理分析

復(fù)電儀的電路拓?fù)淙鐖D1所示，電路可以工作在正向狀態(tài)或反向狀態(tài)。當(dāng)電路工作在鋰電池放電狀態(tài)時(shí)，前級(jí)雙向DC/DC工作在Boost狀態(tài)，即S6處于關(guān)斷狀態(tài)，其體二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，后級(jí)全橋電路工作在逆變狀態(tài)。此時(shí)，復(fù)電儀輸出單相正弦波，從而實(shí)現(xiàn)為電能表充電的功能。在此狀態(tài)下，前級(jí)的控制量為直流母線電壓，即Boost變換器的輸出電壓，后級(jí)單相全橋逆變電路的控制量為逆變器輸出電壓。通過(guò)改變給定量，實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的輸出。當(dāng)電路工作在鋰電池充電狀態(tài)時(shí)，此時(shí)H橋電路工作在不控整流狀態(tài)，即S1～S4處于關(guān)斷狀態(tài)，其體二極管導(dǎo)通。當(dāng)雙向DC/DC變換器工作在Buck狀態(tài)時(shí)，即S5處于關(guān)斷狀態(tài)，其體二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，系統(tǒng)只有S6的開(kāi)關(guān)管處于可控狀態(tài)。在此狀態(tài)下，設(shè)計(jì)控制量為直流側(cè)的電壓與電流，即Buck變換器的輸出。后級(jí)單相全橋逆變電路的4個(gè)管子處于關(guān)斷狀態(tài)。

圖1 復(fù)電儀電路拓?fù)鋱D

2 關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 DC/DC電感設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電感工作在斷續(xù)模式，根據(jù)升壓比M，得出電感L工作在斷續(xù)模式下的表達(dá)式：

當(dāng)占空比D=0.2、開(kāi)關(guān)頻率fs=20 kHz、輸入電壓Vi=14 V、輸出電壓V0=350 V、功率為5 W時(shí)，代入式（2）中，得L=81 μH。

2.2 直流母線電容

由于直流母線上存在二次波紋電壓波動(dòng)，根據(jù)求得母線電容大?。?/p>

取占空比Pin=5 W，η=0.9，ω=50 Hz，Ubus= 350 V，ΔUbus=330 V（一般取電壓脈動(dòng)ΔUbus小于5%），C≥24 μF。實(shí)際中，取3個(gè)10 μF/400 V的鋁電解電容并聯(lián)[4]。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證所提出的功率電路和控制方法的有效值，采用PSIM電力電子仿真軟件對(duì)主電路進(jìn)行仿真，通過(guò)在Visual studio 2017編寫(xiě)C語(yǔ)言程序，生成DLL文件實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

如圖2所示，電池工作在正向放電狀態(tài)時(shí)，當(dāng)母線給定電壓為350 V，可以輸出220 V的交流電壓。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電路拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。觀察圖3的直流母線電壓波形，可以看到直流母線電壓上存在二次紋波，即直流母線的波動(dòng)頻率在100 Hz。當(dāng)電池工作在反向充電模式時(shí)，原來(lái)的交流側(cè)變?yōu)檩斎?，直流?cè)變?yōu)檩敵?，此時(shí)控制直流側(cè)給定電壓為16.8 V，直流側(cè)的電壓波形如圖4所示。

圖2 交流側(cè)輸出電壓波形圖

圖3 直流母線電壓仿真波形

圖4 直流側(cè)輸出電壓仿真波形

3.2 樣機(jī)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)樣機(jī)采用的電池為4節(jié)鋰電池串聯(lián)，電壓Uin=10～16.8 V，額定輸出電壓Uo=220 V/100 V/50 V，輸出頻率為fo=50 Hz，開(kāi)關(guān)頻率fs=20 kHz。直流側(cè)儲(chǔ)能電感L1=82 μH，S5～S6選用FDB12N50T，S1～S4選用STD5NK50ZT。交流側(cè)濾波電感Lf=3 mH，濾波電容Cf=100 μF。

3.2.1 采樣電路設(shè)計(jì)

如圖5所示，交流輸出電壓采樣電路為有直流電壓偏置的差分運(yùn)算放大電路，其中運(yùn)算放大器U1A組成一個(gè)差分放大電路，運(yùn)算放大器U1B組成一個(gè)電壓跟隨器，形成一個(gè)1.65 V的直流偏置電源。

圖5 交流電壓采樣電路

經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路得到的電壓信號(hào)VADC_AC的表達(dá)式為：

式中，VAC+和VAC-為復(fù)電儀的交流側(cè)輸出的兩端。

圖6為直流母線電壓采樣電路。直流母線電壓采樣首先通過(guò)并聯(lián)在主電路的3個(gè)電阻分壓得到VB，VB經(jīng)過(guò)電壓跟隨器后，經(jīng)過(guò)R29和R34分壓進(jìn)入DSP的ADC引腳。

圖6 直流母線電壓采樣電路

與直流母線電壓采樣相同，直流側(cè)電壓采樣電路如圖7所示。直流側(cè)電壓采樣首先通過(guò)并聯(lián)在主電路的2個(gè)電阻分壓得到VDC，VB則經(jīng)過(guò)電壓跟隨器后，經(jīng)過(guò)R29和R34分壓進(jìn)入DSP的ADC引腳。

圖7 直流電壓采樣電路

3.2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

MOSFET的可靠工作是功率變換器正常工作的基本條件。如圖8所示，本文采用IR2101半橋驅(qū)動(dòng)器。IR2101是英飛凌公司推出的高低側(cè)600 V半橋驅(qū)動(dòng)集成電路，高端和低端驅(qū)動(dòng)分別連接DSP的兩個(gè)ePWM引腳，能夠放大PWM信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)功率管。

圖8 驅(qū)動(dòng)電路

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

復(fù)電儀的實(shí)物電路圖如圖9所示，從上到下、從左至右依次分別是墨水屏、雙向DC/DC變換器、全橋逆變器、驅(qū)動(dòng)電路、LED指示燈、按鍵、采樣電路以及DSP芯片TMS320F28027。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)復(fù)電儀實(shí)物圖

圖10、圖11以及圖12分別是逆變器在50 V、100 V以及220 V這3種不同給定電壓下，S1的驅(qū)動(dòng)電壓電壓波形Ugs1、直流母線輸出電壓波形Ubus以及逆變器輸出電壓波形Uo。通過(guò)人機(jī)接口界面改變給定輸出電壓。根據(jù)圖10、圖11以及圖12的結(jié)果可見(jiàn)，雖然存在誤差，但是在可以接受的范圍。通過(guò)觀察直流母線電壓Ubus波形可以發(fā)現(xiàn)，直流母線電壓存在明顯的100 Hz紋波電壓，這是DC/AC變換器的固有特性。因此，在進(jìn)行直流母線電壓控制時(shí)，選擇100 Hz的滑動(dòng)窗口濾波。

圖10 額定50 V交流輸出

圖11 額定100 V交流輸出

圖12 額定220 V交流輸出

4 結(jié) 論

本文以雙向DC/DC變換器和H橋電路為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套以TMS320F28027為控制核心的雙向DC/AC系統(tǒng)，不僅能夠?qū)χ骰芈窡o(wú)供電回路的智能電表充電，而且給出了關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)給出了控制方案。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的復(fù)電儀裝置能夠輸出不同電壓等級(jí)的交流波形，可以為不同類(lèi)型的智能電表充電，且具有方便攜帶、操作簡(jiǎn)單以及成本低廉的特點(diǎn)，有利于推廣使用。