王志飛

?

艦用不間斷電源改進(jìn)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(xiàn)輸入端整流、增加充放電轉(zhuǎn)換模塊實施充放電調(diào)控的改進(jìn)方案，并對改進(jìn)后的不間斷電源電氣性能進(jìn)行了仿真驗證。

艦艇 不間斷電源 改進(jìn)研究

0 引言

不間斷電源（即UPS電源）是確保艦艇導(dǎo)航、通信等電子設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵設(shè)備，受系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用等因素影響，總體、系統(tǒng)、弱電設(shè)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(jìn)研究，確保相關(guān)設(shè)備穩(wěn)定運行。

1 艦用不間斷電源現(xiàn)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(dāng)電網(wǎng)正常工作時，發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)整流器調(diào)整為直流電后，一部分通過逆變器（或斬波器，下文相同）向負(fù)載供電，一部分直接供給蓄電池儲存。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障斷電后,蓄電池儲能通過逆變器變換后向負(fù)載供電。經(jīng)過長期改進(jìn)提高，雙變換式UPS的相關(guān)技術(shù)已較為成熟，其輸出的電壓、頻率等參數(shù)都較為穩(wěn)定，且品質(zhì)較好，能夠有效解決尖峰、浪涌、頻率漂移等電能質(zhì)量問題[1]。但由于整流器中仍采用晶閘管作為開關(guān)器件、蓄電池輸入輸出端沒有電壓調(diào)節(jié)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(shè)備整體的體積較大，電網(wǎng)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(tài)，使用率低，沒有充放電功能設(shè)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(tǒng)的模擬PID調(diào)節(jié)作為控制手段，電源生產(chǎn)的一致性差，設(shè)計周期長，調(diào)試復(fù)雜，難實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。

隨著功率器件的不斷發(fā)展進(jìn)步，蓄電池在線充放電技術(shù)的不斷成熟完善，先進(jìn)控制技術(shù)的不斷開發(fā)應(yīng)用，上述問題已能通過調(diào)整設(shè)備組成得到改善。

2 改進(jìn)方案

為進(jìn)一步改善雙變換式UPS現(xiàn)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(zhuǎn)換模塊，改進(jìn)后的設(shè)備組成如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的UPS電源原理圖

2.1 采用PWM電路進(jìn)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(diào)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(jìn)一步提高電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，進(jìn)一步降低注入不間斷電源的諧波含量，提升設(shè)備整體效率。

2.2增加充放電轉(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)后的UPS電源仿真模型如圖5所示。

圖5 改進(jìn)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(wǎng)正常運行時的仿真結(jié)果

設(shè)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(biāo)選定模型中的其他參數(shù)[4]。通過仿真得到電網(wǎng)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(jié)果看出，電網(wǎng)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(xiàn)短時波動，之后一直維持在穩(wěn)定值，且品質(zhì)較好。蓄電池電量在電網(wǎng)加電初期出現(xiàn)波動后，一直穩(wěn)定增長，處于充電狀態(tài)。

3.3電網(wǎng)故障斷電后的仿真結(jié)果

設(shè)定蓄電池初始電量為80%，負(fù)載功率為3 kW。以輸出三相220 V電壓、直流27 V電壓為目標(biāo)選定模型中的其他參數(shù)。通過仿真得到電網(wǎng)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(jié)果看出，電網(wǎng)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(xiàn)短時波動，之后一直維持在穩(wěn)定值，且品質(zhì)較好。蓄電池電量在電網(wǎng)失電初期出現(xiàn)波動后，持續(xù)降低，進(jìn)入放電狀態(tài)。

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(jié)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(zhuǎn)換模塊后，無論是正常運行過程中，還是電網(wǎng)故障斷電后，UPS電源均能保持較好的電源品質(zhì)輸出，可以較好地滿足艦用UPS電源的使用需求。同時，設(shè)備增加了蓄電池充放電電路用于蓄電池的日常維護(hù)，設(shè)備壽命得到進(jìn)一步提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于瑋. UPS并聯(lián)系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題研究[D]. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)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(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2008, 21(6): 86-91.

[3] 李學(xué)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(shù)[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。