艦用不間斷電源改進研究

王志飛

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艦用不間斷電源改進研究

王志飛

（海軍裝備部武漢軍事代表局，武漢 430060）

針對艦用雙變換式不間斷電源存在的體積大、蓄電池利用率低等問題，提出了采用PWM電路實現輸入端整流、增加充放電轉換模塊實施充放電調控的改進方案，并對改進后的不間斷電源電氣性能進行了仿真驗證。

艦艇 不間斷電源 改進研究

0 引言

不間斷電源（即UPS電源）是確保艦艇導航、通信等電子設備連續穩定運行的關鍵設備，受系統設備可靠性要求的不斷提升、電力電子器件等敏感元件廣泛應用等因素影響，總體、系統、弱電設備等對艦用不間斷電源自身的抗干擾能力、蓄電池利用率等的要求越來越高。因此，有必要針對上述需求開展改進研究，確保相關設備穩定運行。

1 艦用不間斷電源現狀

目前，我國艦用不間斷電源多為在線式，即雙變換式，由整流器、蓄電池、逆變器組成，如圖1所示。

圖1 雙變換式UPS電源原理圖

當電網正常工作時，發電機發出的交流電經整流器調整為直流電后，一部分通過逆變器（或斬波器，下文相同）向負載供電，一部分直接供給蓄電池儲存。當電網發生故障斷電后,蓄電池儲能通過逆變器變換后向負載供電。經過長期改進提高，雙變換式UPS的相關技術已較為成熟，其輸出的電壓、頻率等參數都較為穩定，且品質較好，能夠有效解決尖峰、浪涌、頻率漂移等電能質量問題[1]。但由于整流器中仍采用晶閘管作為開關器件、蓄電池輸入輸出端沒有電壓調節模塊等因素，該型不間斷電源依然存在如下不足：

1）由于整流器中晶閘管自身存在的體積大，工頻低等不足，造成設備整體的體積較大，電網波形畸變率高，效率低，運行噪聲高；

2）蓄電池始終處于浮充狀態，使用率低，沒有充放電功能設置，蓄電池性能衰變較快，長期使用后會，蓄電池壽命會大幅降低；

3）仍采用傳統的模擬PID調節作為控制手段，電源生產的一致性差，設計周期長，調試復雜，難實現網絡化管理。

隨著功率器件的不斷發展進步，蓄電池在線充放電技術的不斷成熟完善，先進控制技術的不斷開發應用，上述問題已能通過調整設備組成得到改善。

2 改進方案

為進一步改善雙變換式UPS現存問題，將其輸入端的整流模塊改為PWM電路，在蓄電池輸出端增加充放電轉換模塊，改進后的設備組成如圖2所示。

圖2 改進后的UPS電源原理圖

2.1 采用PWM電路進行輸入端整流

將雙變換式UPS輸入端的晶閘管相控整流器改為PWM調制的IGBT整流器，不但能夠克服前者存在的體積大、電流諧波畸變率高等缺點，還能進一步提高電網側的功率因數，進一步降低注入不間斷電源的諧波含量，提升設備整體效率。

2.2增加充放電轉換模塊

在蓄電池輸入輸出端增加的充放電電路，通過控制蓄電池充電電流，提高了充電效率和蓄電池壽命，通過控制輸出端電壓，可以進一步提高蓄電池利用率，從整體上提升不間斷電源的效率。

3 仿真研究

3.1仿真模型

利用PSCAD軟件[3]，制作出PWM整流器、充放電電路的仿真模型如圖3、圖4所示。

圖3 PWM整流器仿真模型

圖4 充放電電路仿真模型

將PWM整流器、充放電電路封裝后制作出改進后的UPS電源仿真模型如圖5所示。

圖5 改進后的UPS電源仿真模型

圖5中的DC_DC模塊為封裝后的斬波器模塊，即直流電輸出端，DC_AC模塊為逆變器模塊，即交流電輸出端。

3.2電網正常運行時的仿真結果

設定蓄電池初始電量為30%，輸入功率為3 kW。以輸出三相220 V電壓、直流27 V電壓為目標選定模型中的其他參數[4]。通過仿真得到電網正常工作時的直流母線電壓、交流輸出端電壓波形畸變率、直流輸出端電壓、蓄電池電量變化情況。

圖6 直流母線電壓

從仿真結果看出，電網加電后，直流母線電壓、交流輸出端電壓、直流輸出端電壓均出現短時波動，之后一直維持在穩定值，且品質較好。蓄電池電量在電網加電初期出現波動后，一直穩定增長，處于充電狀態。

3.3電網故障斷電后的仿真結果

設定蓄電池初始電量為80%，負載功率為3 kW。以輸出三相220 V電壓、直流27 V電壓為目標選定模型中的其他參數。通過仿真得到電網斷電后蓄電池電壓、直流母線電壓、交流輸出端電壓波形畸變率、直流輸出端電壓、蓄電池電量變化情況。

圖7 交流輸出端電壓波形畸變率

圖8 直流輸出端電壓

圖10 蓄電池及直流母線電壓（Uo為蓄電池端電壓，Ui為直流母線電壓）

從仿真結果看出，電網斷電后，直流母線電壓、交流輸出端電壓、直流輸出端電壓均出現短時波動，之后一直維持在穩定值，且品質較好。蓄電池電量在電網失電初期出現波動后，持續降低，進入放電狀態。

圖11 交流輸出端電壓波形畸變率

圖12 直流輸出端電壓

圖13 蓄電池電量變化情況

4 結論

通過分析研究不難得出，在采用PWM整流電路、增加充放電轉換模塊后，無論是正常運行過程中，還是電網故障斷電后，UPS電源均能保持較好的電源品質輸出，可以較好地滿足艦用UPS電源的使用需求。同時，設備增加了蓄電池充放電電路用于蓄電池的日常維護，設備壽命得到進一步提升。

參考文獻：

[1] 于瑋. UPS并聯系統若干關鍵問題研究[D]. 浙江大學電氣工程學院, 2009.

[2] 曹明明, 劉莉, 唐靜, 徐世杰. UPS電源供電方案的探討[J]. 機電產品開發與創新, 2008, 21(6): 86-91.

[3] 李學生. PSCAD建模與仿真[M]. 北京: 中國電力出版社, 2013.

[4] 王魯楊, 王禾興. 電力電子技術[M]. 北京: 中國電力出版社, 2013.

The Improvement of the Uninterrupted Power Supply for A Ship

Wang Zhifei

（The Naval Representatives Bureau of Naval Equipment Department, Wuhan 430060, China）

TM491: TP391.9

A

1003-4862（2016）08-0060-03

2016-04-12

王志飛（1975-），男，工程師。研究方向：艦船消磁工程。