UPS系統(tǒng)中PWM整流器的研究

劉岫嶺

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)UPS電源系統(tǒng)在低壓時(shí)電壓利用率低、諧波大的缺點(diǎn)，提出一種雙閉環(huán)參數(shù)整定的方法，該方法將傳統(tǒng)單相電壓型PWMUPS系統(tǒng)改進(jìn)為雙閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)整定方案，采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)相結(jié)合的雙閉環(huán)控制方式，再通過(guò)理論分析、建模和仿真，最終達(dá)到系統(tǒng)功率因數(shù)接近于1的目的；仿真結(jié)果與理論分析的結(jié)果基本相同，驗(yàn)證了此方法的正確性和可行性。

Abstract： In view of the low utilization ratio and big harmonic of traditional UPS power supply system when in low voltage， a double closed-loop parameters setting method is proposed， which improves the traditional single-phase voltage type PWMUPS system to double closed loop system parameter setting， adopting the combination of current inner loop andvoltage outer loop double closed loop control method， and through theoretical analysis， modeling and simulation， finally achieving the goal that system powerfactor is close to 1. The simulation results and theoretical analysis results are basically the same， which verifies the correctness and feasibility of the method.

關(guān)鍵詞：PWM整流器；UPS；諧波污染；正弦波脈寬調(diào)制

Key words： PWM rectifier；UPS；harmonic pollution；sinusoidalpulse width modulation

中圖分類號(hào)：TM461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）06-0146-03

0 引言

近年來(lái)，電網(wǎng)質(zhì)量逐漸下降，電涌、電線噪聲、電壓下陷、市電中斷等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了關(guān)鍵設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及安全[1，2]。如何能為這些重要的設(shè)備提供高品質(zhì)的電源供應(yīng)，并且能夠有效地屏蔽對(duì)電網(wǎng)的損害，減少對(duì)電網(wǎng)的危害，成為了現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)者的一個(gè)急需探討的課題。

UPS從結(jié)構(gòu)上可分為三種，分別是后備式、在線互動(dòng)式、在線式。在線式UPS結(jié)構(gòu)可以輸出高質(zhì)量正弦波并不受電網(wǎng)電壓的影響，一邊是充電電路，一邊式逆變器，中間是電池，根本不需要微處理器電路偵測(cè)和切換，零切換時(shí)間。但存在效率低、功率因數(shù)低以及總諧波失真高等缺點(diǎn)。本文現(xiàn)針對(duì)這些缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于雙閉環(huán)電源系統(tǒng)的參數(shù)整定方案，將單相PWM整流器應(yīng)用于UPS系統(tǒng)，最后再進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 新型UPS系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

新型UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。

新型UPS系統(tǒng)是由濾波、整流器、充電器、電池、逆變器、開(kāi)關(guān)、旁路等部分組成。相比傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)，它采用PWM整流模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的不可控整流或APFC電路，減少諧波含量，提升功率因數(shù)，為直流環(huán)節(jié)向后端逆變提供了基礎(chǔ)。

本文主要研究前端PWM整流器。圖2（a）為單相PWM整流器的主電路，圖2（b）分別為交流側(cè)矢量圖。從圖可以看出，PWM整流器的控制方法：首先適當(dāng)調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)電壓uab的大小，控制輸入電流的相位，來(lái)控制系統(tǒng)功率因數(shù)。其次再調(diào)節(jié)uab的相位，通過(guò)控制輸入電流，來(lái)間接控制輸入功率，這樣也就控制了直流側(cè)輸出電壓。所以，本文采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)相結(jié)合的雙閉環(huán)控制方式。

其等值電路電壓平衡方程為：

3 Saber-Simulink聯(lián)合仿真

眾所周知，在MATLAB/SIMULINK軟件中進(jìn)行仿真的時(shí)候，通常要以能夠在仿真結(jié)果上與電壓、電流、功率等外部需求量進(jìn)行等效替換的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，但是與Simulink相比，Saber在仿真建模的時(shí)候有著自己獨(dú)特的電器元器件庫(kù)，所以在元件級(jí)方面有著更大的優(yōu)勢(shì)，這樣就很好的可以與Simulink軟件形成互補(bǔ)，達(dá)到單一仿真軟件無(wú)法達(dá)到的良好效果。將Simulink與Saber軟件在建模仿真的時(shí)候，綜合兩者的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行設(shè)計(jì)中的軟件聯(lián)合仿真。進(jìn)行聯(lián)合仿真能夠?qū)imulink在軟件方面的優(yōu)勢(shì)運(yùn)用到Saber軟件中，使Saber軟件的功能更加強(qiáng)大，并且有效的把建立起來(lái)的模型進(jìn)行有效的簡(jiǎn)單化。更進(jìn)一步的說(shuō)，在對(duì)UPS的系統(tǒng)進(jìn)行分析的時(shí)候更加的游刃有余。本文對(duì)于UPS系統(tǒng)的仿真，Simulink軟件主要完成雙閉環(huán)系統(tǒng)控制算法的仿真實(shí)現(xiàn)，Saber主要實(shí)現(xiàn)PWM整流器模塊性能的實(shí)現(xiàn)，所有操作結(jié)束之后，運(yùn)行已經(jīng)搭建好的模型并記錄仿真結(jié)果。

仿真時(shí)以Saber為主機(jī)，Simulink仿真模型作為Saber的一個(gè)實(shí)體模型，與Saber仿真模型在Saber中一起運(yùn)行，兩軟件以固定時(shí)間步長(zhǎng)交換數(shù)據(jù)。運(yùn)用Saber和Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真的關(guān)鍵在于接口定義，需要在兩個(gè)軟件環(huán)境中分別進(jìn)行合理的定義，才能實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。基本步驟如下：

①在Simulink中定義已建立好的Simulink仿真模型與Saber模型的輸入輸出接口。首先將SaberCosim圖標(biāo)放入simulink模型中，并保存為PowerController.mdl，其中的DutyController模塊即為第1部分中建立好的PWM整流器控制系統(tǒng)仿真模型。

②在Saber中定義輸入輸出接口以便進(jìn)行聯(lián)合仿真。將Simulink模型PowerController. mdl文件建立為Saber符號(hào)，并添加到Saber原理圖中完成連線。

③在Saber Sketch環(huán)境中進(jìn)行Saber-Simulink聯(lián)合。對(duì)上述模型執(zhí)行Design /Netlist命令之后，運(yùn)行Design /Simulate 命令，MATLAB自動(dòng)啟動(dòng)，并打開(kāi)相應(yīng)的Simulink文件PowerController. mdl。

④進(jìn)行DC分析、AC分析以及TR分析，輸出波形會(huì)在Saber的CosmosScope中顯示。

圖6為Saber中電路結(jié)構(gòu)的仿真圖，圖7為MATLAB中的算法仿真圖。

4 仿真結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)的仿真參數(shù)具體如表1所示。

圖8是交流側(cè)電感電流與電網(wǎng)電壓波形比較，從圖中可以看出，輸入端的電流與電壓同相位、大小成正比。

圖9為交流側(cè)電流的諧波含量分析，從圖中可以看出，整流器啟動(dòng)速度很快，諧波含量THD=0.40%，功率因數(shù)接近于1。

圖10（a）（b）所示為直流母線電壓波形，從圖中可以看出，直流側(cè)電壓響應(yīng)速度快，穩(wěn)定后電壓維持在500V，從上下浮動(dòng)不超過(guò)5V，效果良好。

5 結(jié)論

由仿真試驗(yàn)可知，整流器的啟動(dòng)速度變快，諧波含量是0.40%，功率因數(shù)接近1，這就說(shuō)明將PWM整流器應(yīng)用于在線式UPS系統(tǒng)，不僅可以較大的提高功率因數(shù)，減少諧波含量，而且當(dāng)電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)采用文中所述的整定方法時(shí)，單相PWM整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較好的電流跟蹤性能，能夠得到較好的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。因此文中對(duì)于將單相PWM整流器應(yīng)用于UPS系統(tǒng)的方法是簡(jiǎn)單可行的、有效的，非常便于工程上的設(shè)計(jì)需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：1-5.

[2]Jie Chen， Jiawei Chen， Chunying Gong. A novel high reliability dual-boost half-bridge reversible PWM rectifier Power Electronics Specialists Conference， J. PESC 2008.IEEE：3330-3334.

[3]潘文輝.單相三變換在線式UPS全數(shù)字控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2003，22（1）：28-30.

[4]張勁松，周永鵬，黃錦恩，等.基于DPS的全數(shù)字化單相在線式UPS的設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2001，35（3）：56-58.

[5]張振宇，趙棟麗，夏超英.基于DPS的在線式UPS鎖相環(huán)設(shè)計(jì)[J]. 電氣自動(dòng)化，2002，5：18-19.

[6]朱永亮，馬惠，張宗濂.三相高功率因數(shù)PWM整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2006.11，26（11）：87-91.

[7]Park J D， Kalev C， Hofmann H F. Control of high-speed solidrotor synchronous reluctance motor/generator for flywheel based uninterruptible power supplies [J].IEEE Trans. on Industry Electronics， 2008， 55（8）：3038-3046.