UPS中蓄電池充放電AC－DC變換電路仿真研究

黃捷音，李光升，謝永成，姜玉海

（1.北京軍代局駐四四七廠軍代室，內蒙古 包頭 014033；2.裝甲兵工程學院，北京 100072）

0 引 言

UPS（Uninterruptible Power Supply）即不間斷電源系統，是能夠提供連續、穩定、不間斷電力供應的電源設備［1］。蓄電池是UPS系統的一個重要組成部分，當電網供電中斷時，UPS就依靠存儲在蓄電池中的電能維持系統正常工作，所以蓄電池作為UPS的心臟，有著舉足輕重的作用。本文對UPS中蓄電池的充放電進行仿真設計，主要針對AC－DC變換電路進行仿真分析研究。

1 AC－DC變換

AC－DC變換是UPS中蓄電池充放電設計的第一個環節，實現電路的整流過程。目前，比較常用的整流方式有：不控整流，不控整流＋PFC，PWM整流。

（1）不控整流

不控整流的電路結構確定之后，其直流整流電壓和交流電源電壓值的比是固定不變的，電路比較簡單。其電路的轉換效率低，而且輸出電壓不可控，但是電路簡單、成本低，目前市場上仍然有很多的整流電路都在使用不控的方式。

（2）不控整流＋PFC的方式

PFC，全稱功率因數校正（Power Factor Corrector）。常用的PFC技術有兩大類：無源PFC技術和有源PFC技術。無源PFC技術采用無源器件來改變輸入功率因數，減少電流諧波，以滿足標準要求。其特點是簡單，但體積龐大笨重，在某些場合無法滿足要求，尤其對是體積重量有要求的場合。有源PFC技術是用一個變換器串入整流濾波電路與DC－DC變換器之間，通過特殊控制，強迫輸入電流跟隨輸入電壓從而實現單位功率因數的校正。其特點是控制復雜，但體積重量大大縮小。

（3）PWM 整流

與傳統的整流器相比，PWM整流器不僅獲得了可控的AC－DC變換性能，而且可實現網側單位功率因數和正弦波電流控制，甚至能使電能雙向傳輸。單相PWM整流器的作用是通過整流和逆變兩種工作狀態來實現能量雙向傳遞，即蓄電池的充放電兩種工作狀態，通過調節和控制整流器交流側輸入信號的相位差，可實現輸出電壓的調節。

2 不控整流

單相不控橋式整流的主電路結構如圖1所示，整流結果如圖2所示。

從整流結果可以看出，不控整流的輸出電壓波動較大，為了減小這種波動，只有提高濾波電容的容量。如圖2所示電壓波動范圍大約30 V，濾波電容為8 mF。不控整流的輸入電壓與輸入電流如圖3所示，可以看出，輸入電流不連續，出現了明顯的畸變，這會導致大量的諧波污染，變換器的功率因數非常低。

圖1 不控方式的整流電路

圖2 不控整流結果

圖3 不控整流電路中電流和電壓的變化

3 滯環比較PFC整流電路

在PFC整流電路中，要使整流電路盡量達到單位功率因數，更好地控制電路中電壓的動態變化，可以采取動態性能更好的滯環方式去控制電路，即滯環比較PFC整流電路。滯環比較PFC整流電流如圖4所示。

圖4 滯環PFC整流電路

滯環比較PFC整流電路中電流與電壓的變化如圖5所示。其中波動大的表示電壓，波動小表示電流。

圖5 滯環PFC電路中電流與電壓的變化

滯環比較PFC整流電路的輸出電壓在310 V左右，波動的范圍在300 V～320 V。電壓波動的范圍比沒有滯環比較的電路輸出電壓波動略小，并且電流與電壓同相位，達到單位功率因數，電容也為4 mF，基本達到了要求。

4 改進型單相PWM整流

改進型的單相PWM整流電路，由整流主電路和閉環控制電路組成，如圖6所示。

圖6 改進型的單相PWM整流電路

改進電路的主要改進點是使用了雙閉環控制，并且設計了滯環比較器，即能實現電壓環的控制和電流環的控制，使得電流跟隨電壓。改進后的電路在交流電壓源的輸出端設置了輸出電流采樣，對電流實時監控，并輸入閉環控制電路中，使得電流能與電壓同步工作。改進后的閉環控制電路的工作過程如下：（1）輸出采樣后的電壓信號經過低通濾波器，去掉電壓信號的毛刺部分。（2）去掉毛刺的電壓信號與直流電壓VDC1經過減法器，兩者進行相減，而后經過PI調節器進行比例調節。（3）比例調節后的信號與電壓源采樣的電壓經過乘法器。（4）從乘法器輸出的信號與輸出采樣的電流信號經過減法器，而后經過PI比例調節器，將信號輸入滯環比較器。（4）從滯環比較器輸出的信號經過與非門分別輸出給IGBT開關管，控制開關管的導通。改進后的單相PWM整流電路的輸出結果如圖7所示。

圖7 輸出結果

由圖7可知，改進后的單相PWM整流電路的輸出電壓在320 V左右，波動范圍在310 V～330 V，波動的范圍更小了，電容為4 000μF。輸出的電壓符合要求。

5 結束語

本文針對UPS中蓄電池的充放電進行仿真設計，對AC－DC變換電路展開研究，分別對不控整流、滯環比較PFC整流電路、改進型單相PWM整流進行研究，通過仿真結果，驗證了本文所設計的UPS蓄電池AC－DC變換電路的可行性。

［1］ 李瀚蓀.電路分析基礎［M］.北京：高等教育出版社，1992.

［2］ 羊絳軍，王立偉，王書強.基于單周期控制策略的高效率無橋PFC電路［J］.電力電子技術，2009，43（7）：13－15.