舰用不间断电源改进研究

王志飞



舰用不间断电源改进研究

王志飞

（海军装备部武汉军事代表局，武汉 430060）

针对舰用双变换式不间断电源存在的体积大、蓄电池利用率低等问题，提出了采用PWM电路实现输入端整流、增加充放电转换模块实施充放电调控的改进方案，并对改进后的不间断电源电气性能进行了仿真验证。

舰艇 不间断电源 改进研究

0 引言

不间断电源（即UPS电源）是确保舰艇导航、通信等电子设备连续稳定运行的关键设备，受系统设备可靠性要求的不断提升、电力电子器件等敏感元件广泛应用等因素影响，总体、系统、弱电设备等对舰用不间断电源自身的抗干扰能力、蓄电池利用率等的要求越来越高。因此，有必要针对上述需求开展改进研究，确保相关设备稳定运行。

1 舰用不间断电源现状

目前，我国舰用不间断电源多为在线式，即双变换式，由整流器、蓄电池、逆变器组成，如图1所示。

图1 双变换式UPS电源原理图

当电网正常工作时，发电机发出的交流电经整流器调整为直流电后，一部分通过逆变器（或斩波器，下文相同）向负载供电，一部分直接供给蓄电池储存。当电网发生故障断电后,蓄电池储能通过逆变器变换后向负载供电。经过长期改进提高，双变换式UPS的相关技术已较为成熟，其输出的电压、频率等参数都较为稳定，且品质较好，能够有效解决尖峰、浪涌、频率漂移等电能质量问题[1]。但由于整流器中仍采用晶闸管作为开关器件、蓄电池输入输出端没有电压调节模块等因素，该型不间断电源依然存在如下不足：

1）由于整流器中晶闸管自身存在的体积大，工频低等不足，造成设备整体的体积较大，电网波形畸变率高，效率低，运行噪声高；

2）蓄电池始终处于浮充状态，使用率低，没有充放电功能设置，蓄电池性能衰变较快，长期使用后会，蓄电池寿命会大幅降低；

3）仍采用传统的模拟PID调节作为控制手段，电源生产的一致性差，设计周期长，调试复杂，难实现网络化管理。

随着功率器件的不断发展进步，蓄电池在线充放电技术的不断成熟完善，先进控制技术的不断开发应用，上述问题已能通过调整设备组成得到改善。

2 改进方案

为进一步改善双变换式UPS现存问题，将其输入端的整流模块改为PWM电路，在蓄电池输出端增加充放电转换模块，改进后的设备组成如图2所示。

图2 改进后的UPS电源原理图

2.1 采用PWM电路进行输入端整流

将双变换式UPS输入端的晶闸管相控整流器改为PWM调制的IGBT整流器，不但能够克服前者存在的体积大、电流谐波畸变率高等缺点，还能进一步提高电网侧的功率因数，进一步降低注入不间断电源的谐波含量，提升设备整体效率。

2.2增加充放电转换模块

在蓄电池输入输出端增加的充放电电路，通过控制蓄电池充电电流，提高了充电效率和蓄电池寿命，通过控制输出端电压，可以进一步提高蓄电池利用率，从整体上提升不间断电源的效率。

3 仿真研究

3.1仿真模型

利用PSCAD软件[3]，制作出PWM整流器、充放电电路的仿真模型如图3、图4所示。

图3 PWM整流器仿真模型

图4 充放电电路仿真模型

将PWM整流器、充放电电路封装后制作出改进后的UPS电源仿真模型如图5所示。

图5 改进后的UPS电源仿真模型

图5中的DC_DC模块为封装后的斩波器模块，即直流电输出端，DC_AC模块为逆变器模块，即交流电输出端。

3.2电网正常运行时的仿真结果

设定蓄电池初始电量为30%，输入功率为3 kW。以输出三相220 V电压、直流27 V电压为目标选定模型中的其他参数[4]。通过仿真得到电网正常工作时的直流母线电压、交流输出端电压波形畸变率、直流输出端电压、蓄电池电量变化情况。

图6 直流母线电压

从仿真结果看出，电网加电后，直流母线电压、交流输出端电压、直流输出端电压均出现短时波动，之后一直维持在稳定值，且品质较好。蓄电池电量在电网加电初期出现波动后，一直稳定增长，处于充电状态。

3.3电网故障断电后的仿真结果

设定蓄电池初始电量为80%，负载功率为3 kW。以输出三相220 V电压、直流27 V电压为目标选定模型中的其他参数。通过仿真得到电网断电后蓄电池电压、直流母线电压、交流输出端电压波形畸变率、直流输出端电压、蓄电池电量变化情况。

图7 交流输出端电压波形畸变率

图8 直流输出端电压

图10 蓄电池及直流母线电压（Uo为蓄电池端电压，Ui为直流母线电压）

从仿真结果看出，电网断电后，直流母线电压、交流输出端电压、直流输出端电压均出现短时波动，之后一直维持在稳定值，且品质较好。蓄电池电量在电网失电初期出现波动后，持续降低，进入放电状态。

图11 交流输出端电压波形畸变率

图12 直流输出端电压

图13 蓄电池电量变化情况

4 结论

通过分析研究不难得出，在采用PWM整流电路、增加充放电转换模块后，无论是正常运行过程中，还是电网故障断电后，UPS电源均能保持较好的电源品质输出，可以较好地满足舰用UPS电源的使用需求。同时，设备增加了蓄电池充放电电路用于蓄电池的日常维护，设备寿命得到进一步提升。

参考文献：

[1] 于玮. UPS并联系统若干关键问题研究[D]. 浙江大学电气工程学院, 2009.

[2] 曹明明, 刘莉, 唐静, 徐世杰. UPS电源供电方案的探讨[J]. 机电产品开发与创新, 2008, 21(6): 86-91.

[3] 李学生. PSCAD建模与仿真[M]. 北京: 中国电力出版社, 2013.

[4] 王鲁杨, 王禾兴. 电力电子技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 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

王志飞（1975-），男，工程师。研究方向：舰船消磁工程。