基于双向DC/AC的便携式智能电表复电仪

卢德祥，刘尧彬，陈伟峰，邱雪婷

（国网福建省电力有限公司 龙岩供电公司，福建 龙岩364000）

0 引 言

随着智能电网建设的逐步推进，智能电表作为建设泛在电力物联网的关键一环，使用量占比越来越大，但维护问题也日渐凸显。在调整抄表例日和用户用电结算方式等方面，供电公司工作人员需在现场对用户智能电能表进行重新编程。智能电能表现场编程需要满足主回路电压达到78%以上，因此在主回路无电压时无法实现电能表的现场编程。部分技术人员会在现场其余回路搭接电压，启动电能表完成编程，但此种情况下极易造成安全事故。因此，工作人员只能等到主回路送电后再次返回用户现场完成编程，这造成工作人员重复往返作业现场，极大地降低了工作效率。此外，智能电表使用年限到期后，内部记录数据信息需要再次录入SG186系统。由于智能电表内置时钟电池欠压，一般电能表使用年限到期后，电池将无法提供正常电压，导致无法抄录电能表示数。对于不能正常显示的智能电能表，传统方法采用电能表校验实验台或自制导线人为直接插入市电中启动电能表。该种方法极大地降低了工作效率，且技术人员易因直接接触裸露的自制导线而引发安全事故。因此，如何安全快捷地操作断电的智能电表，是困扰电网技术人员的一个难题[1-3]。

为解决上述问题，本文设计了一种能够为无供电回路的智能电表充电的便携式复电装置。通过此装置，工作人员可以安全快捷地接入断电的智能电表完成对智能电表的编程，提高作业人员的工作效率，且能避免因错乱搭线造成的人身及设备事故。

基于双向DC/AC的电能表现场复电仪的功率变换电路由电池储能模块、Buck/Boost变换器以及H桥电路组成。采用TI公司的TMS320F28027作为控制芯片，包含显示屏、按键以及指示灯等人机交互界面。通过人机交互界面，电能表可实现单相220 V、三相三线制100 V以及三相四线制50 V这3个不同档位的切换。

1 工作原理分析

复电仪的电路拓扑如图1所示，电路可以工作在正向状态或反向状态。当电路工作在锂电池放电状态时，前级双向DC/DC工作在Boost状态，即S6处于关断状态，其体二极管处于导通状态，后级全桥电路工作在逆变状态。此时，复电仪输出单相正弦波，从而实现为电能表充电的功能。在此状态下，前级的控制量为直流母线电压，即Boost变换器的输出电压，后级单相全桥逆变电路的控制量为逆变器输出电压。通过改变给定量，实现不同电压等级的输出。当电路工作在锂电池充电状态时，此时H桥电路工作在不控整流状态，即S1～S4处于关断状态，其体二极管导通。当双向DC/DC变换器工作在Buck状态时，即S5处于关断状态，其体二极管处于导通状态。此时，系统只有S6的开关管处于可控状态。在此状态下，设计控制量为直流侧的电压与电流，即Buck变换器的输出。后级单相全桥逆变电路的4个管子处于关断状态。

图1 复电仪电路拓扑图

2 关键电路参数设计

2.1 DC/DC电感设计

设计电感工作在断续模式，根据升压比M，得出电感L工作在断续模式下的表达式：

当占空比D=0.2、开关频率fs=20 kHz、输入电压Vi=14 V、输出电压V0=350 V、功率为5 W时，代入式（2）中，得L=81 μH。

2.2 直流母线电容

由于直流母线上存在二次波纹电压波动，根据求得母线电容大小：

取占空比Pin=5 W，η=0.9，ω=50 Hz，Ubus= 350 V，ΔUbus=330 V（一般取电压脉动ΔUbus小于5%），C≥24 μF。实际中，取3个10 μF/400 V的铝电解电容并联[4]。

3 仿真和实验

3.1 仿真结果

为了验证所提出的功率电路和控制方法的有效值，采用PSIM电力电子仿真软件对主电路进行仿真，通过在Visual studio 2017编写C语言程序，生成DLL文件实现对电路的控制。仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

如图2所示，电池工作在正向放电状态时，当母线给定电压为350 V，可以输出220 V的交流电压。仿真结果表明，设计的电路拓扑可以实现设计目标。观察图3的直流母线电压波形，可以看到直流母线电压上存在二次纹波，即直流母线的波动频率在100 Hz。当电池工作在反向充电模式时，原来的交流侧变为输入，直流侧变为输出，此时控制直流侧给定电压为16.8 V，直流侧的电压波形如图4所示。

图2 交流侧输出电压波形图

图3 直流母线电压仿真波形

图4 直流侧输出电压仿真波形

3.2 样机设计

设计样机采用的电池为4节锂电池串联，电压Uin=10～16.8 V，额定输出电压Uo=220 V/100 V/50 V，输出频率为fo=50 Hz，开关频率fs=20 kHz。直流侧储能电感L1=82 μH，S5～S6选用FDB12N50T，S1～S4选用STD5NK50ZT。交流侧滤波电感Lf=3 mH，滤波电容Cf=100 μF。

3.2.1 采样电路设计

如图5所示，交流输出电压采样电路为有直流电压偏置的差分运算放大电路，其中运算放大器U1A组成一个差分放大电路，运算放大器U1B组成一个电压跟随器，形成一个1.65 V的直流偏置电源。

图5 交流电压采样电路

经过信号调理电路得到的电压信号VADC_AC的表达式为：

式中，VAC+和VAC-为复电仪的交流侧输出的两端。

图6为直流母线电压采样电路。直流母线电压采样首先通过并联在主电路的3个电阻分压得到VB，VB经过电压跟随器后，经过R29和R34分压进入DSP的ADC引脚。

图6 直流母线电压采样电路

与直流母线电压采样相同，直流侧电压采样电路如图7所示。直流侧电压采样首先通过并联在主电路的2个电阻分压得到VDC，VB则经过电压跟随器后，经过R29和R34分压进入DSP的ADC引脚。

图7 直流电压采样电路

3.2.2 驱动电路设计

MOSFET的可靠工作是功率变换器正常工作的基本条件。如图8所示，本文采用IR2101半桥驱动器。IR2101是英飞凌公司推出的高低侧600 V半桥驱动集成电路，高端和低端驱动分别连接DSP的两个ePWM引脚，能够放大PWM信号，从而驱动功率管。

图8 驱动电路

3.2.3 实验结果

复电仪的实物电路图如图9所示，从上到下、从左至右依次分别是墨水屏、双向DC/DC变换器、全桥逆变器、驱动电路、LED指示灯、按键、采样电路以及DSP芯片TMS320F28027。

图9 现场复电仪实物图

图10、图11以及图12分别是逆变器在50 V、100 V以及220 V这3种不同给定电压下，S1的驱动电压电压波形Ugs1、直流母线输出电压波形Ubus以及逆变器输出电压波形Uo。通过人机接口界面改变给定输出电压。根据图10、图11以及图12的结果可见，虽然存在误差，但是在可以接受的范围。通过观察直流母线电压Ubus波形可以发现，直流母线电压存在明显的100 Hz纹波电压，这是DC/AC变换器的固有特性。因此，在进行直流母线电压控制时，选择100 Hz的滑动窗口滤波。

图10 额定50 V交流输出

图11 额定100 V交流输出

图12 额定220 V交流输出

4 结 论

本文以双向DC/DC变换器和H桥电路为基础，设计了一套以TMS320F28027为控制核心的双向DC/AC系统，不仅能够对主回路无供电回路的智能电表充电，而且给出了关键参数，同时给出了控制方案。仿真和实验表明，设计的复电仪装置能够输出不同电压等级的交流波形，可以为不同类型的智能电表充电，且具有方便携带、操作简单以及成本低廉的特点，有利于推广使用。