UPS系统中PWM整流器的研究

刘岫岭

摘要：针对传统UPS电源系统在低压时电压利用率低、谐波大的缺点，提出一种双闭环参数整定的方法，该方法将传统单相电压型PWMUPS系统改进为双闭环系统的参数整定方案，采用电流内环、电压外环相结合的双闭环控制方式，再通过理论分析、建模和仿真，最终达到系统功率因数接近于1的目的；仿真结果与理论分析的结果基本相同，验证了此方法的正确性和可行性。

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.

关键词：PWM整流器；UPS；谐波污染；正弦波脉宽调制

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

中图分类号：TM461 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）06-0146-03

0 引言

近年来，电网质量逐渐下降，电涌、电线噪声、电压下陷、市电中断等现象时有发生，严重影响了关键设备的正常运转及安全[1，2]。如何能为这些重要的设备提供高品质的电源供应，并且能够有效地屏蔽对电网的损害，减少对电网的危害，成为了现代电源设计者的一个急需探讨的课题。

UPS从结构上可分为三种，分别是后备式、在线互动式、在线式。在线式UPS结构可以输出高质量正弦波并不受电网电压的影响，一边是充电电路，一边式逆变器，中间是电池，根本不需要微处理器电路侦测和切换，零切换时间。但存在效率低、功率因数低以及总谐波失真高等缺点。本文现针对这些缺点，设计了基于双闭环电源系统的参数整定方案，将单相PWM整流器应用于UPS系统，最后再进行仿真验证。

1 新型UPS系统拓扑结构

新型UPS系统结构设计如图1。

新型UPS系统是由滤波、整流器、充电器、电池、逆变器、开关、旁路等部分组成。相比传统的UPS系统，它采用PWM整流模块代替传统的不可控整流或APFC电路，减少谐波含量，提升功率因数，为直流环节向后端逆变提供了基础。

本文主要研究前端PWM整流器。图2（a）为单相PWM整流器的主电路，图2（b）分别为交流侧矢量图。从图可以看出，PWM整流器的控制方法：首先适当调节电网侧电压uab的大小，控制输入电流的相位，来控制系统功率因数。其次再调节uab的相位，通过控制输入电流，来间接控制输入功率，这样也就控制了直流侧输出电压。所以，本文采用电流内环、电压外环相结合的双闭环控制方式。

其等值电路电压平衡方程为：

3 Saber-Simulink联合仿真

众所周知，在MATLAB/SIMULINK软件中进行仿真的时候，通常要以能够在仿真结果上与电压、电流、功率等外部需求量进行等效替换的数学模型为基础，但是与Simulink相比，Saber在仿真建模的时候有着自己独特的电器元器件库，所以在元件级方面有着更大的优势，这样就很好的可以与Simulink软件形成互补，达到单一仿真软件无法达到的良好效果。将Simulink与Saber软件在建模仿真的时候，综合两者的优势，进行设计中的软件联合仿真。进行联合仿真能够将Simulink在软件方面的优势运用到Saber软件中，使Saber软件的功能更加强大，并且有效的把建立起来的模型进行有效的简单化。更进一步的说，在对UPS的系统进行分析的时候更加的游刃有余。本文对于UPS系统的仿真，Simulink软件主要完成双闭环系统控制算法的仿真实现，Saber主要实现PWM整流器模块性能的实现，所有操作结束之后，运行已经搭建好的模型并记录仿真结果。

仿真时以Saber为主机，Simulink仿真模型作为Saber的一个实体模型，与Saber仿真模型在Saber中一起运行，两软件以固定时间步长交换数据。运用Saber和Simulink进行联合仿真的关键在于接口定义，需要在两个软件环境中分别进行合理的定义，才能实现联合仿真。基本步骤如下：

①在Simulink中定义已建立好的Simulink仿真模型与Saber模型的输入输出接口。首先将SaberCosim图标放入simulink模型中，并保存为PowerController.mdl，其中的DutyController模块即为第1部分中建立好的PWM整流器控制系统仿真模型。

②在Saber中定义输入输出接口以便进行联合仿真。将Simulink模型PowerController. mdl文件建立为Saber符号，并添加到Saber原理图中完成连线。

③在Saber Sketch环境中进行Saber-Simulink联合。对上述模型执行Design /Netlist命令之后，运行Design /Simulate 命令，MATLAB自动启动，并打开相应的Simulink文件PowerController. mdl。

④进行DC分析、AC分析以及TR分析，输出波形会在Saber的CosmosScope中显示。

图6为Saber中电路结构的仿真图，图7为MATLAB中的算法仿真图。

4 仿真结果分析

本文设计的仿真参数具体如表1所示。

图8是交流侧电感电流与电网电压波形比较，从图中可以看出，输入端的电流与电压同相位、大小成正比。

图9为交流侧电流的谐波含量分析，从图中可以看出，整流器启动速度很快，谐波含量THD=0.40%，功率因数接近于1。

图10（a）（b）所示为直流母线电压波形，从图中可以看出，直流侧电压响应速度快，稳定后电压维持在500V，从上下浮动不超过5V，效果良好。

5 结论

由仿真试验可知，整流器的启动速度变快，谐波含量是0.40%，功率因数接近1，这就说明将PWM整流器应用于在线式UPS系统，不仅可以较大的提高功率因数，减少谐波含量，而且当电流内环和电压外环采用文中所述的整定方法时，单相PWM整流器双闭环控制系统具有较好的电流跟踪性能，能够得到较好的系统响应曲线。因此文中对于将单相PWM整流器应用于UPS系统的方法是简单可行的、有效的，非常便于工程上的设计需要。

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