基于netPLC模块的防闪络后备电源系统优化方案

1.概述

在夏季雷雨多发季节，电网会发生瞬时电压跌落的现象，称为电网闪络，在很短的时间内（0.5～1s）电压会产生很大的下降甚至完全断电。在聚酯和长丝生产线上大量使用的变频器会由于电网闪络而产生欠电压故障。由于聚酯和长丝连续生产的特点，熔体出料泵和纺丝增压泵瞬时停车会造成纺丝生产线全线停车排废，损失巨大。因此，需要有一种后备电源系统，能在电网电压瞬时跌落的时间里（1s左右），能够提供变频器短时工作的能量。

深圳京能纺系统集成有限公司的防闪络后备电源系统（见图1），采用动力锂离子电池储能的方式为变频器提供瞬时直流供电，维持变频器的运行。因为在聚酯和长丝生产线中，控制系统使用的是UPS电源，因此这种电网闪络对控制回路不会造成影响。

2.系统组成

防闪络后备电源系统由若干子系统组成，主要包括动力锂电池组、DC/DC转换器、电池管理系统、充放电器、PLC控制系统与直流分配系统等。系统结构如图2所示。

3.系统原理

动力锂电池与DC/DC转换器的输入侧连接，DC/DC转换器输出通过钳位二极管与变频器直流母线连接。电池组电压为DC440V，DC/DC转换器的输出设定为DC510V。当电网供电正常时（380V），变频器直流母线电压为DC540V，这时钳位二极管处于反向截止状态，电池组不会向变频器供电；当电网发生闪络时，变频器直流母线电压降落到DC510V以下时，钳位二极管正向导通，电池组通过DC/DC转换器向变频器供电，而DC/DC转换器将控制直流电压维持在DC510V。为保护电池不会过放电，一台PLC控制DC/DC供电时间不超过30s。每个变频器供电回路均安装钳位二极管，保证变频器直流回路之间没有环流，以及不影响正常供电回路。每个供电回路均安装快速熔断器起保护作用。每个供电回路都有一个接触器，当主变频器处于准备好状态时，接触器闭合，直流回路可以供电；当主变频器故障产生或处于检修状态时，准备节点断开，控制接触器断开，保证这路直流不会对检修造成影响。在每个供电回路还要安装一台断路器，在检修时断开，确保检修时的安全。控制框内部图如图3所示。

图1 防闪络后备电源系统概述

图2 系统结构图

4.子系统说明

电池组一般选用三元聚合物锂电池，并带有电池管理系统。京能纺公司的电池管理系统是在普通电池管理系统不能满足要求的情况下独立开发研制的一种电池管理系统。此系统可以检测并计算出每一节电池的电压、温度、内阻、充放电电流以及SOC（充电状态，也就是电量值），并且以工业总线通信的方式传送给控制系统。电池管理系统提供的信息可以直接定位到故障电池的地址，方便快速判断故障位置及类型，节省维护时间。(www.xing528.com)

图3 控制柜内部图

专门定制的充电器（IGBT可逆式充放电装置）是一种可控式主动整流装置。基本原理与逆变桥类似，但功能是利用三相IGBT桥进行整流控制，这种回路可以精确地控制直流电压和电流的大小，控制系统通过总线通信方式可以设定电池组的充电电压、电流等参数，实现电池的均充/浮充、恒流/恒压等充电功能。

将电池供电接入变频器需要直流分配系统，包括断路器、钳位二极管、接触器、快速熔断器以及变频器侧空开等。控制系统检测到变频器得电后发送过来的“准备好”信号后，由PLC控制相应的输出接触器闭合。钳位二极管使变频器的直流回路之间不会形成环流，也不会使变频器对电池组供电。使用快速熔断器作为直流回路保护器件，可以保护接地、短路等故障。

控制系统是控制整个电源系统正常工作的核心，而PLC控制器又是控制系统的核心，能够协调各个子系统间的互相配合运行。PLC控制器采用赫优讯公司的netPLC模块（见图4及图5中框内）。netPLC基于赫优讯netX技术，是即插即用的集成现场总线通信功能与逻辑控制功能的嵌入式模块。用户可以使用西门子公司STEP7编程工具编写自己的逻辑程序，也可以使用CoDeSys或MULTIPROG等IEC-61131标准的编程环境。模块上的PROFIBUS-DP主站接口，能够实现中小型PLC的性能来控制本地IO及分布式远程IO。

PLC的功能是对电池的电量和充放电进行管理，将电池的电量控制在50%左右，以延长电池的使用寿命。PLC还管理着直流挂网原件（接触器）的动作，检测相应回路的变频器的准备信号，当这个信号ON时，表示该变频器送电，直流母线工作，则合上接触器，准备直流供电；当检测到准备信号OFF，则说明该变频器处于检修状态或是没有送电，PLC将切断相应的接触器，防止误送电至检修位置。系统中还配置有人机界面，采用触摸屏形式，PLC将电池组的相关数据（电压，温度，SOC等）、充电放电的相关操作和指示，放电时间等事件记录，以及故障信息等发送到触摸屏上进行显示。

图4 赫优讯netPLC模块

图5 基于netPLC的控制器

5.结束语

德国赫优讯netPLC模块使用标准STEP7软件作为编程环境，非常易于工程师上手。netPLC模块是作为中小型PROFIBUS-DP网络中控制器的理想方案。深圳京能纺系统集成有限公司的防闪络后备电源系统，应用德国赫优讯netPLC嵌入式PLC模块，通过PROFIBUS-DP网络实现对整个系统的控制。目前，该公司的防闪络后备电源系统已经在多个聚酯装置的变频系统工程上成功进行了实施，成为了非常成熟的防闪络解决方案。

（作者：德国赫优讯自动化系统有限公司上海分公司 袁海峰）