徐峰 萬(wàn)祥云

(1.河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 鄭州 450001；2.河南城建學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院 河南平頂山 467036)

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煤礦大功率UPS電源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)建模和仿真*

徐峰1萬(wàn)祥云2

(1.河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 鄭州 450001；2.河南城建學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院 河南平頂山 467036)

利用Saber仿真技術(shù)建立了一個(gè)功率10 kW的UPS系統(tǒng)模型，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Saber環(huán)境下UPS模型建立的有效性，為煤礦大功率UPS電源開(kāi)發(fā)提供了理論和技術(shù)參考。

Saber UPS 建模 仿真

0 引言

在煤礦安全保障中有一個(gè)很重要的部分就是煤礦用電設(shè)備的可靠安全運(yùn)行，為了使用電設(shè)備可靠的運(yùn)行，除了在一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)使用雙回路或多回路供電外，也在局部使用了UPS電源，確保設(shè)備供電保持不間斷，因此有必要進(jìn)一步了解UPS電源。大功率UPS電源開(kāi)發(fā)的技術(shù)相較于中小功率都要高，主要包括功率變換拓?fù)浜透髯缘目刂品椒ā?/p>

本文介紹了目前功能強(qiáng)大的電源和混合仿真技術(shù)軟件Saber，通過(guò)它建立了UPS的Saber模型，對(duì)它的功率變化拓?fù)潆娐泛涂刂品椒ㄟM(jìn)行了仿真和研究，驗(yàn)證了相關(guān)仿真模型的有效性，為UPS的開(kāi)發(fā)提供了很好的理論和技術(shù)支持。

1 Saber仿真技術(shù)

Saber仿真軟件是1986年被開(kāi)發(fā)推出的一款EDA軟件，現(xiàn)由美國(guó)Synopsys公司經(jīng)營(yíng)，是唯一的多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真軟件，現(xiàn)已成為混合信號(hào)、混合技術(shù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，可用于不同類(lèi)型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真，為復(fù)雜的混合信號(hào)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的混合信號(hào)仿真器，兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真，可以解決從系統(tǒng)開(kāi)發(fā)到詳細(xì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證等一系列問(wèn)題[1]。

2 UPS工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

UPS電源又可稱為不間斷電源，它的工作原理可以分成兩個(gè)部分[2-3]：①AC/DC變換：將交流電源變成直流電，當(dāng)有外部供電的時(shí)候它的作用是給電池充電和提供外部直流工作電源；②DC/AC逆變電路：將直流電逆變成交流電，當(dāng)外部停電時(shí)，由電池供電，采用大功率IGBT模塊全橋逆變電路，輸出正弦波交流電給設(shè)備供電。

主電路主要有整流、濾波、全橋變換、電流環(huán)控制、電壓環(huán)控制、全橋逆變電路，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

從圖1中可看出在電路變換中的控制部分使用了電流環(huán)和電壓環(huán)達(dá)到控制的目的。本文就AC/DC和DC/AC兩種變換電路進(jìn)行建模和仿真研究。

3 仿真模型的建立

3.1 AC/DC模型的建立

AC/DC電路變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有反激式、正激式、半橋式、推挽式、全橋[4]，每一種對(duì)應(yīng)的功率范圍不同，由于使用的電源功率為10 kW，所以在本電路中采用全橋式電路，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 全橋變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在給鋰電池充電時(shí)需要對(duì)電流和電壓同時(shí)控制，引入了電壓環(huán)和電流環(huán)，具體電路如圖3所示。

圖3 電流和電壓環(huán)控制電路圖

3.2 DC/AC模型的建立

當(dāng)外部供電停止時(shí)，需要設(shè)備進(jìn)行不間斷工作，所以要用電池作為儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行DC/AC變換，把直流電變換成正弦波交流電。整個(gè)逆變器可以分為DC/DC升壓變換和全橋逆變，通常使用SPWM變換[5]，主要工作原理就是通過(guò)調(diào)制一系列寬窄不等的脈沖，來(lái)等效正弦波形(幅值、相位和頻率)，需要重點(diǎn)關(guān)注諧波、直流電壓利用率、開(kāi)關(guān)損耗、跟蹤(響應(yīng))速度、不同應(yīng)用場(chǎng)合的特殊問(wèn)題[6]。

正弦波逆變器LC濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)，可以由下式計(jì)算。

L=(Udc-Uo)×Uo/(1.4Io×Udc×fsw)

(1)

式中，Udc為輸入逆變H橋的電壓，320～420 V；Uo為輸出電壓，0～311 V，有效值為220 V；fsw為SPWM的開(kāi)關(guān)頻率，本文以20 kHz為例；Io為輸出電流，電感的峰值電流約為1.4Io；L為L(zhǎng)C濾波器所需的電感量。

通過(guò)調(diào)用Saber軟件中的各個(gè)模塊，搭建SPWM控制電路，見(jiàn)圖4所示。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各個(gè)仿真模型的建立，搭建起了系統(tǒng)的整個(gè)模型，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并顯示整個(gè)電路的實(shí)際狀態(tài)。

圖4 SPWM逆變電路結(jié)構(gòu)圖

首先，進(jìn)行AC/DC仿真。輸出電容的大小對(duì)電壓紋波有很大的影響，電容值越大，輸出電壓值的波動(dòng)越小，但是隨著電容的值變得越大，輸出電壓值變穩(wěn)定所需時(shí)間就越長(zhǎng)。為了便于仿真和觀察，取輸出電容的值為[600 μF，1 000 μF]，觀察電路的響應(yīng)曲線，見(jiàn)圖5所示。

從圖5可以觀察到電容對(duì)應(yīng)600 μF時(shí)，電壓穩(wěn)定時(shí)間在50 ms左右，只是紋波系數(shù)比較大，電容對(duì)應(yīng)1 000 μF時(shí)，電壓穩(wěn)定時(shí)間在80 ms左右，但是電壓波動(dòng)小。隨著負(fù)載的變動(dòng)，要適當(dāng)?shù)卦黾虞敵鲭娙莸闹担３州敵鲭妷旱姆€(wěn)定。

圖5 電壓輸出圖

為便于觀察電流的控制曲線圖，設(shè)置取樣電阻值為0.1 Ω，取輸出的電流電壓設(shè)定值為0.5 V，觀察負(fù)載變化時(shí)電流取樣輸出曲線圖，見(jiàn)圖6所示。

圖6 電流取樣電壓圖

從圖6中可以觀察到初始時(shí)電流控制環(huán)不起作用，電壓控制環(huán)在工作，但當(dāng)負(fù)載電阻的值陡然變小時(shí)，電流控制環(huán)發(fā)生了作用，很快就把電流穩(wěn)定在最大值范圍內(nèi)。

DC/AC仿真，通過(guò)模擬SPWM變換對(duì)全橋電路進(jìn)行逆變仿真，可以觀察輸出的正弦波形，見(jiàn)圖7所示。如果要使輸出波形更精細(xì)，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整SPWM變換的載波頻率。

圖7 輸出正弦波形圖

5 結(jié)論

本文建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的UPS電源控制系統(tǒng)仿真模型，利用Saber軟件強(qiáng)大的電力電子和混合仿真能力搭建了該系統(tǒng)的各個(gè)模塊并進(jìn)行了仿真。模擬結(jié)果表明該系統(tǒng)在AC/DC變換中通過(guò)電壓環(huán)和電流環(huán)雙控制電路能夠很好的對(duì)外界負(fù)載參數(shù)的變化做出及時(shí)的反應(yīng)，對(duì)電壓和電流進(jìn)行控制；在DC/AC變換中，采用了SPWM方法進(jìn)行了逆變，能夠很好的輸出正弦波形，并給出了輸出濾波器件LC參數(shù)的計(jì)算方法。通過(guò)前期的系統(tǒng)驗(yàn)證后，可以把系統(tǒng)電路模型轉(zhuǎn)換成實(shí)際電路，從而節(jié)約大量時(shí)間和成本，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

[1]楊進(jìn),楊向宇,余輝.基于逆變器多重化的串聯(lián)混合型有源濾波器的仿真研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2004,19(10):24-27.

[2]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

[3]耿強(qiáng),夏長(zhǎng)亮,閆彥,等.電網(wǎng)電壓不平衡情況下PWM整流器恒頻直接功率控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(36):79-85.

[4]唐欣,羅安,涂春鳴.基于遞推積分PI的混合型有源電力濾波器電流控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(10):38-41.

[5]岳怡.數(shù)字電路與數(shù)字電子技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[6]趙清林,郭小強(qiáng),鄔偉揚(yáng).單相逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(16):60-64.

Research of Modeling and Simulation of High Power UPS Power System in Coal Mine

XU Feng1WAN Xiangyun2

(1.SchoolofElectricalEngineering,HenanUniversityofTechnologyZhengzhou450001)

A power 10 kW UPS Saber system model is built by Saber simulation technology. The validity of the UPS model is verified by the experiment. It provides a theoretical and technical reference for the development of high power UPS power supply.

Saber UPS modeling simulation

河南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(142102310537)。

徐峰，男，1976年生，博士，講師，主要研究方向?yàn)榧芍圃炫c信息化工程管理技術(shù)、控制和電源建模與仿真。

2015-11-10)