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(nèi)蒙古 包頭 014033；2.裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

0 引 言

UPS（Uninterruptible Power Supply）即不間斷電源系統(tǒng)，是能夠提供連續(xù)、穩(wěn)定、不間斷電力供應(yīng)的電源設(shè)備［1］。蓄電池是UPS系統(tǒng)的一個重要組成部分，當(dāng)電網(wǎng)供電中斷時，UPS就依靠存儲在蓄電池中的電能維持系統(tǒng)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(shè)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(shè)計的第一個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shù)校正（Power Factor Corrector）。常用的PFC技術(shù)有兩大類：無源PFC技術(shù)和有源PFC技術(shù)。無源PFC技術(shù)采用無源器件來改變輸入功率因數(shù)，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(shù)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(xiàn)單位功率因數(shù)的校正。其特點是控制復(fù)雜，但體積重量大大縮小。

（3）PWM 整流

與傳統(tǒng)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(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)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(tài)來實現(xiàn)能量雙向傳遞，即蓄電池的充放電兩種工作狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)和控制整流器交流側(cè)輸入信號的相位差，可實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

2 不控整流

單相不控橋式整流的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，整流結(jié)果如圖2所示。

從整流結(jié)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(xù)，出現(xiàn)了明顯的畸變，這會導(dǎo)致大量的諧波污染，變換器的功率因數(shù)非常低。

圖1 不控方式的整流電路

圖2 不控整流結(jié)果

圖3 不控整流電路中電流和電壓的變化

3 滯環(huán)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(shù)，更好地控制電路中電壓的動態(tài)變化，可以采取動態(tài)性能更好的滯環(huán)方式去控制電路，即滯環(huán)比較PFC整流電路。滯環(huán)比較PFC整流電流如圖4所示。

圖4 滯環(huán)PFC整流電路

滯環(huán)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(huán)PFC電路中電流與電壓的變化

滯環(huán)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(huán)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(shù)，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(huán)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(huán)控制，并且設(shè)計了滯環(huán)比較器，即能實現(xiàn)電壓環(huán)的控制和電流環(huán)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(shè)置了輸出電流采樣，對電流實時監(jiān)控，并輸入閉環(huán)控制電路中，使得電流能與電壓同步工作。改進后的閉環(huán)控制電路的工作過程如下：（1）輸出采樣后的電壓信號經(jīng)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(jīng)過減法器，兩者進行相減，而后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進行比例調(diào)節(jié)。（3）比例調(diào)節(jié)后的信號與電壓源采樣的電壓經(jīng)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(jīng)過減法器，而后經(jīng)過PI比例調(diào)節(jié)器，將信號輸入滯環(huán)比較器。（4）從滯環(huán)比較器輸出的信號經(jīng)過與非門分別輸出給IGBT開關(guān)管，控制開關(guān)管的導(dǎo)通。改進后的單相PWM整流電路的輸出結(jié)果如圖7所示。

圖7 輸出結(jié)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(jié)束語

本文針對UPS中蓄電池的充放電進行仿真設(shè)計，對AC－DC變換電路展開研究，分別對不控整流、滯環(huán)比較PFC整流電路、改進型單相PWM整流進行研究，通過仿真結(jié)果，驗證了本文所設(shè)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(chǔ)［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(shù)，2009，43（7）：13－15.