一种数字化三相EPS电源设计与实现（三相eps应急电源）

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同济大学电气工程系的研究人员胡凯、李锐华、胡波、胡浩，在2016年第2期《电气技术》杂志上撰文，为了解决城轨车辆供电故障时车厢内通风和换气设备的供电问题，设计了一种数字化三相应急逆变电源（EPS）。

首先，在分析EPS电源工作原理的基础上，采用Boost升压电路与电压型三相全桥逆变电路相结合的两级式拓扑结构。

然后，基于DSP TMS320LF2407A和SVPWM控制算法实现了EPS的数字化控制，并给出了控制系统的硬件、软件设计方案。

最后研制了一套2kW的ESP测试样机，测试结果表明所设计的数字化三相EPS电源能够实现稳定的三相交流输出，并且输出电压THD小于4%，转换效率达到94%，验证了本文中EPS电源设计方案的正确性。

应急电源（Emergency Power Supply，EPS）能够在发生电力中断时为关键设备提供应急电力，有效降低因断电而造成的损失，为生产和生活提供安全保障，目前已被广泛应用于消防、建筑及工业电气等重要场所[1][2][3][4]。

EPS的起步比发电机和UPS（不间断电源）晚，但发电机和UPS这两种方式却存在诸多不足之处，EPS凭借着自身优势得到了迅速发展，市场需求不断扩大，开发和生产EPS的队伍不断壮大[5]。

但作为新兴产业，国内EPS厂家对其认识程度还不够，开发和生产技术不甚完善，方案的选用和设计缺乏合理性，导致生产和宣传的盲目，对产业发展极其不利[6]。因此，研究高性能、安全可靠的EPS电源有着重要的现实意义和应用价值，有利于EPS电源向着绿色化、数字化和智能化方向发展。

近年来，随着城轨交通的迅猛发展，其安全性也备受关注。当城轨车辆发生火灾或爆炸等事故导致供电故障时，维持密闭车厢内的通风换气对于保障乘客生命安全十分重要。因此，城轨车辆内必须具有稳定可靠的EPS电源以维持通风系统在供电故障情况下的可靠运行。

本文针对城轨车辆紧急通风系统的EPS电源进行研究，在分析EPS电源功能与控制要求的基础上，主要介绍了EPS电源主电路拓扑结构及控制方法，基于DSP控制芯片设计与实现了一种数字化三相EPS电源，最后进行了实验验证并给出实验结果。

1 EPS构成及工作过程

图1 EPS电源系统框图

图1给出了EPS电源系统框图。在地铁供电系统正常运行情况下，供电系统直接给负载供电，并经AC/DC不可控整流后给蓄电池充电。当地铁发生紧急事故导致供电出现故障时，DC/DC电路将蓄电池输出电压进行升压后，得到稳定的直流电压以保证后级DC/AC逆变电路的正常工作；DC/AC逆变电路将前级输出的稳定直流电压转换为恒幅、恒频的三相交流，给负载进行供电；主控电路根据采样得到的电压、电流、温度等信号，输出控制脉冲，对升压电路及逆变电路进行控制，同时还兼顾系统显示、报警及保护等功能。

2 EPS电源拓扑结构及控制方法（略）

DC/DC升压电路将蓄电池输出电压升压为所需的稳定直流电压，供给后级逆变电路，其性能好坏直接影响后级逆变电路的输出性能优劣。Boost电路具有结构简单、效率高，稳定性好等特点。因此，本设计中采用Boost电路作为升压变换电路。

控制策略很大程度上直接影响逆变电路输出性能，选择合理的控制策略至关重要，本设计中采用基于矢量变换的SVPWM控制策略。与传统的EPS采用的SPWM控制技术相比，SVPWM（空间电压矢量）控制技术是从三相输出电压的整体效果出发，谐波电流和转矩脉动更小，直流电压利用率提高了15%，而且更易于实现数字化。

矢量变换控制技术其通过Clark变换、Park变换，将逆变电路输出三相交流电压Va、Vb、Vc变换为d、q旋转坐标系下的直流分量Vd、Vq，随后分别控制Vd、Vq为恒定值，即可实现电压空间矢量幅值恒定并以恒速运转，从而在逆变电路输出端得到恒幅、恒频的三相正弦交流电。三相全桥逆变电路控制结构如图6所示。

图6 三相全桥逆变电路控制结构图

3 EPS电源设计与实现方法

3.1基于DSP的EPS硬件设计

根据上文中设计方案，进行ESP电源具体设计实现。由于EPS电源对微处理器的数据运算和信号分析能力要求相对较高，本设计中的EPS电源基于TMS320LF2407ADSP开发板进行二次开发。基于DSP的硬件框架如图7所示。

图7 DSP控制硬件框架

图7中，DSP采集的信号包括：供电系统故障信号、蓄电池输出直流电压、电流信号、Boost电路输出直流电压信号、逆变电路输出交流电压、电流信号、温度信号等。DSP芯片对信号进行运算处理并产生PWM开关信号以及显示、报警、保护等信号，并提供通讯接口。

4.1 EPS软件开发

在上文所述的硬件设计基础上，对EPS电源控制程序进行开发，主程序流程图如图8所示。

图8 EPS主程序流程图

图8所示流程图中，主程序逻辑控制开始后，首先需要判断蓄电池电压是否在正常范围内。如果蓄电池电压正常，则对DC/DC输出直流电容进行预充电，预充电结束后DSP使能PWM脉冲控制Boost电路进行升压，将直流电压升到预定值，最后DSP使能六路PWM脉冲控制逆变电路输出三相交流给负载供电。

为了保护电路、芯片的正常运行，在控制程序中增加了系统保护环节。通过实时监测EPS在运行过程中的状态参数（电压，电流等），对蓄电池输入极性放反、过温、过压、过流、缺相、欠压等常见故障进行实时检测。当检测到故障后，对输出脉冲进行闭锁。

3 实验测试结果

基于上述设计方案，研制了一套2kW数字化三相紧急逆变电源（EPS）样机，如图9所示。其中EPS样机的设计指标为：输入电压直流110V（波动范围77V~138V）；DC/DC输出直流电压400V；DC/AC输出三相交流线电压200V；输出交流电压频率36Hz；转换效率大于90%。

对所设计的EPS样机进行性能测试，负载为交流风机。测试结果如图10、图11所示。

图9 2kW三相EPS样机

图10 EPS样机输入/输出电压波形

图11 EPS样机输入/输出电流波形

图10中v1与v2为EPS样机输出的两相线电压，vin为输入的直流电压波形；图i1中i2与为EPS样机输出的两相交流电流，iin为输入的直流电流波形。从测试结果中可以看出，输出交流电压和电流波形平滑，幅值及频率稳定，能够满足EPS设计要求。

为了进一步评价EPS电源的输出性能，对输出电压和电流的有效值、峰值、THD、频率等实验数据进行了统计，统计结果如表1、表2所示。

表1 EPS样机输入/输出电压实验数据

表2 EPS样机输入/输出电流实验数据

从表1和表2中可看出EPS输出交流电压有效值误差小于1V；频率误差小于0.3Hz； THD小于4%，波形畸变率小，输出电压质量高；电能转换效率大于94%。各项数据能够满足性能指标，由此表明所设计EPS电源能够实现稳定的三相交流输出。

4 结论

本文针对城轨车辆紧急通风应急电源进行研究，设计了一种数字化三相EPS电源，并进行了测试，从实验结果可以得出以下结论：

1）采用Boost升压电路与电压型三相全桥逆变电路相结合的两级式拓扑结构，能够获得EPS电源良好的输出性能，实验结果验证了该方案的正确性。

2）针对DC/AC逆变器输出的电压谐波问题，通过优化设计LC输出滤波器参数，能够有效消除输出电压谐波。

3）基于DSP的数字化三相EPS电源能够实现稳定的三相交流输出，所输出电压精度高并且THD小，能量转换效率高，能够为EPS电源的开发提供参考依据。

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