基于UPS的船用供电系统

史玉芳，邓世建

(1.徐州机电工程学校，江苏 徐州221131;2.中国矿业大学，江苏 徐州221116)

0 引 言

船舶是一种重要的交通运输工具，在交通运输领域扮演着重要的角色。船舶不同于其他交通工具，船舶的航行条件比较复杂，会遇到很多风险，经常会发生各种突发事故，导致供电系统崩溃，带来不可估量的经济损失或人员伤害。所以一般船舶的供电系统都要引入不间断电源UPS 作为临时应急电源，在船舶正常供电系统遇到故障时，为船上重要的设备进行短时供电。

随着现代化、自动化技术的不断发展，船舶上的新型电子设备越来越多、越来越复杂，这为船舶的电力供应带来了新的挑战。而这些高精度的电子设备内置大量的半导体集成模块导致设备对电力供应的质量十分敏感。这也是为什么能提供纯净的、持续不间断供电的UPS 供电系统成为船舶上一种基本设备的一个最重要原因。我国在《钢质海船建造与入级规范》中也明确规定:一般情况下，客船以及500 t 以上的货船都应该配有应急电源。

船用不间断电源(Uninterruptible Power System，UPS)是将蓄电池(多为铅酸免维护蓄电池)与船舶系统主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成船舶用电标准的用电系统设备。船用UPS 电源的出现是为了满足船舶电力保障要求的专用UPS，主要负责为船舶导航系统、紧急照明系统、救生系统、通讯系统等用电设备供电。

当船舶正常供电系统中断 (事故停电)时，UPS 立即将蓄电池中存储的直流电能，通过逆变零切换转换的方法向负载继续供应船用的交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。同时UPS 供电系统通常对电压过高或电压过低都能提供保护。

1 船舶UPS 供电系统分析

按照UPS 与主电源的连接方式的不同以及UPS所起作用的不同，船舶供电系统一般可以分为在线式UPS和非在线式(又称后备式)UPS 两种。

第1 种在线式的UPS 供电系统，如图1所示。主要的工作流程是:

1)船舶柴油发电机发出的交流电一路直接为船舶上的各类负载进行供电，即实现船舶的正常供电功能。

2)船舶柴油发电机发出的交流电另一路需要经过整流、充电和逆变3个环节为负载供电。具体工作工程是首先经过AC/DC 整流器进行整流，将三相交流电整流为直流;然后直流电向储能蓄电池充电;同时蓄电池输出的直流电再经过DC/AC 逆变器，将直流电逆变为交流电，向各类负载供电［1］。

图1 在线式UPS 供电系统结构框图Fig.1 Block diagram of online UPS power supply system

第2 种是非在线式的UPS 供电系统，如图2所示。船舶柴油发电机发出的交流电分为两路，两路之间通过控制开关进行切换，正常供电时控制开关关断，船舶柴油发电机发出的交流电直接给船上的负载进行供电。正常供电异常时，打开控制开关，UPS 供电系统工作，船舶柴油发电机发出的交流电经过整流、充电和逆变3个环节为负载供电。与在线式的UPS 供电系统不同，不参与正常供电的功能，只是作为一种备用供电电源。

图2 非在线式UPS 供电系统结构框图Fig.1 Block diagram of off-line UPS power supply system

2 种UPS 供电系统的主要区别在于:在线式的正常发电机供电系统和蓄电池供电系统同时为船用负载供电;非在线的只有在正常发电机供电系统停止工作的时候，蓄电池供电系统才行使供电功能，平时只是储能备用能量［2］。

2 UPS 供电系统主电路设计

2.1 系统框图

上一节对常用的2 种UPS 供电系统进行了分析，本文采用第2 种非在线式的UPS 供电系统进行设计。系统主要包括:船舶柴油发电机、AC/DC 整流器、控制开关、蓄电池、DC/AC 逆变器、控制系统、辅助电源和各类负载。核心部分是整流器、逆变器、控制器和辅助电源。其中AC/DC 整流器采用三相全桥整流电路结构，DC/AC 逆变器采用三相全桥逆变电路结构，控制开关采用Mosfet 开关管。电路中所有的控制部分都由控制系统完成，控制系统采用纯数字的DSP控制技术，系统选用TI 公司生产的DSP28035 进行控制电路部分的设计。系统的辅助供电部分采用反激式变换器，通过副边多路绕组输出为系统提供不同电压等级的辅助用电。整个系统的设计框图如图3所示。

2.2 AC/DC 整流器设计

本系统中整流器的主要功能是将船舶柴油发电机组输出的三相交流电整流为直流电，为蓄电池进行充电储能。

由于UPS 供电系统要经过AC/DC和DC/AC 两级变换，整个系统的工作效率很难提高，所以要尽量提高每一级的工作效率。本系统采用的是三相全桥整流电路，并采用同步整流技术实现较高的转化效率。

图3 基于UPS的船用供电系统框图Fig.3 Diagram of ships＇ power supply system based on UPS

同步整流技术是指采用导通电阻极低的功率MOSFET 开关管来取代普通的整流二极管，大大降低开关管上的损耗，提高整个变换器的效率。普通的整流二极管都有较高的导通压降，即使是采用低导通压降的肖特基二极管，也有0.7 V 左右，所以当流过较大电流时，会产生较大的损耗，导致效率降低。同步整流技术采用的MOSFET，导通阻抗，Rds (on)一般都比较低，可以低到几十毫欧，这样即使流过较大的电流也不会产生比较大的损耗，可以在很大程度上减小整流损耗，提高整流效率，同时还可以优化系统的热性能。

如图3所示，整流电路由6 只MOSFET 开关管组成3个桥臂，由DSP 产生驱动脉冲经过驱动电路之后去控制MOSFET 开关管的开通与关段，同一桥臂的上下开关管要设置一定的死区防止直通。与二极管的不控整流或是晶闸管的全控整流相比，同步整流可以通过DPS28035 产生的驱动脉冲的逻辑关系，方便的设置不同桥臂开关管之间的移相角，可以实现比较灵活的控制方式，通过不同策略取得最佳的输出效果。将输出的直流电经过滤波送给蓄电池，对蓄电池进行充电［3］。

2.3 DC/AC 逆变器设计

DC/AC 逆变电路采用三相桥式逆变电路结构，将蓄电池输出的直流电进行逆变，逆变为船用的三相交流电，在船舶正常供电遇到故障时，向船舶上的负载进行短时供电。

逆变电路分为电压型逆变电路和电流型逆变电路，区别仅在于中间直流环节滤波器的形式不同。电压型逆变电路直流侧由支撑电容进行稳压滤波，而电流型逆变电路采用电感进行滤波。本系统采用电压型逆变电路，在蓄电池两端并联支撑电容，进行滤波和稳压。电压型逆变电路的主要特点是，同一桥臂上下要留一定的死区防止贯通将电源短路，同一相内上下桥臂间纵向换流，最后的输出电压为方波，电流为近视正弦。

图3所示的右侧部分是电压型三相桥式逆变电路结构，其中蓄电池两端的直流电压为输入电压，蓄电池两端并有支撑电容CD，起到储能的作用，同时也作为前级AC/DC 整流电路的输出滤波电容。主电路由6 只主功率开关管Mosfet 组成上下3个桥臂，每个桥臂的中点分别经过滤波电感与负载相连。控制部分采用先进的DSP 数字控制，通过DSP28035发出的PWM控制信号来驱动6 只开关管的开通和关段，控制桥臂中点电压［4］。

3 控制系统设计

本系统中控制部分采用先进的数字控制技术，采用TMS320F28035 (以下简称DSP28035)作为主控芯片，该主控芯片是TI 新推出的Piccolo 系列DSP之一，其具有体积小、价格便宜、速度快、性价比高和出色的DSP控制性能等优点，被越来越多的用在电源系统的应用中。

DSP28035 具有增强型eCAN、SPI，SCI 等通信接口，增强型eQEP 正交编码接口、增强型eCAP 接口等，最突出的特点是其独特的PWM 波形产生技术，可以产生6 路互补PWM 信号，可以很方便通过移相技术和死区设置来本系统中整流器和逆变器共6个桥臂上的开关管的开通与关段。DSP28035 可对数据进行高速处理，其运算与处理能力是普通的单片机相的几十倍，确保系统具有更优越的控制性能。该控制芯片适合应用于开关管的驱动控制、信号实时采集与处理等方面，于是将该控制芯片作为UPS 供电系统的主控芯片，可以很好地改善系统的整体性能。

图4 是DSP28035控制系统的功能框图，系统主要包括:脉冲驱动模块，电压、电流、温度信号的检测及保护模块，系统工作状态逻辑控制模块和CAN通信及上位机显示模块等。

图4 DSP28035控制系统功能框图Fig.4 Function block diagram of DSP28035 control system

DSP28035控制系统主要实现以下功能:

1)脉冲驱动功能:实现整流器和逆变器6个桥臂12 只Mosfet 开关管的驱动，通过对输出脉冲信号的逻辑控制开关管的开通关断顺序，实现良好的系统性能。

2)逻辑控制功能:主要负责UPS 供电系统的运行逻辑控制，即通过采集船舶上的电压电流等信号判断船舶的供电系统的工作状态，然后通过逻辑控制模块，切换UPS 系统工作模式。

3)故障检测与保护功能:通过各类传感器，检测系统电压、电流、温度等各种参数，然后判断各种故障条件，并根据故障等级及时作出相应处理，以达到保护UPS 供电系统和负载的目的。

4)CAN通信功能，通过CAN通信模块实现与上位机的连接，主要负责接收、处理和发送与上位机之间的各种数据，以实现与用户之间的实时交互。

本系统采用脉宽调制技术，来控制系统中开关管的开通与关断。采用母线电压外环控制、并网电流内环控制的典型的双闭环控制方式。其中电压外环采用PI 调节器进行调节控制，电流内环采用基于无差拍电流控制理论，整个系统的控制器只有一个PI 调节器，比较简单，方便参数设定和调整。外环电压控制主要作用是使蓄电池两端的电压Un为恒定值;内环电流控制的主要作用是使输出电流呈正弦变化，格跟踪电网的标准的正弦信号的规律变化，极大的提高功率因素，保证输出电能质量［5］。

4 辅助电源设计

前两节对UPS 供电系统的主电路的整流器和逆变器部分和控制部分做了设计与分析，本节主要对系统的辅助电源部分进行设计。

UPS 供电系统控制部分采用的各种芯片都离不开3.3 V，5 V 或12 V 等低压供电，即辅助电源。系统一般可以通过2 种途径来解决辅助供电的问题:

1)可以通过另外购置辅助电源，与系统进行连接供电;

2)可以通过自行设计辅助电源，为整个系统中的辅助用电部分进行供电。

为了节约成本，本系统采用第2 种途径，自定设计辅助电源。

本系统的辅助供电部分采用反激式变换器，它是一种适合于中小功率场合的经典电路，被普遍用于笔记本适配器、手机充电器等应用场合，是系统辅助电源的理想的电路拓扑。它具有所用元件较少，电路简单、输入与输出电气隔离、电压升/降范围宽、易于多路输出等一系列优点。

传统的反激式变换器的基本工作原理是:原边开关管开通时，副边二极管不会导通，变压器存储能量;原边开关管关断时，副边二极管导通，变压器中存储的能量向副边传递。

输出电压的公式如式(1)，可以看出反激式变换器是一种升降压变换器，变换器可以通过调节开关管的占空比，灵活的调节输出电压。

一般实际的应用电路一般都采用一些集成的电源管理芯片进行设计，以精简电路，减少EMI 电磁干扰和提高工作效率。本系统采用安森美公司推出的带准谐振开关能力的脉宽调制电流模式控制器NCP1207。图5 给出了基于NCP1207的反激变换器的电路参考图。

图5 基于NCP1207的反激变换器电路图Fig.5 Circuit of Flyback conveter based on NCP1207

NCP1207 电源管理芯片集成了一个真正的电流型调节器和一个退磁检测器，以保证在任何负载和漏极电压最小值时(准谐振工作)开通开关管，很大程度上减小EMI 干扰，以及开关损耗，提高效率。同时该电源芯片具有过压保护、过载及短路保护等功能。具体的电路设计可以参考图5所示电路，然后根据系统需求灵活设置副边绕组的多路输出。

5 结 语

本文对基于UPS的船用供电系统进行介绍，对在线式和非在线式的两种系统的结构进行分析，最后采用离线式(后备式)的UPS 船用供电系统结构进行设计。整个系统采用纯数字DSP28035 芯片进行控制，由于整个系统是个多级结构，所以采用整流器部分采用了三相全桥同步整理技术来提高转换效率，辅助电源部分也采用了先进的绿色准谐振模式的电源管理芯片NCP1207 来提高工作效率。

［1］李凤武.呼和二枢纽UPS 供电系统设计与研究［D］.呼和浩特:内蒙古大学2009.

［2］Delta 型数字化UPS 系统的研究［D］.株洲:湖南工业大学，2007.

［3］郝振宇，王洪庆.基于DSP的移相全桥变换器的研究［J］.电气传动，2007，37(1):26-29.

［4］刘小虎，张天浩，吴岿华.一种基于DSP 组合式中频逆变电源的设计［J］.舰船科学技术，2011，33(12):79-81.LIU Xiao-hu，ZHANG Tian-hao，WU Kui-hua.Design of combined medium frequency power inverter supply based on DSP［J］.Ship Science and Technology，2011，33(12):79-81.

［5］聂振宇，刘国平，胡即明，等.基于SVPWM控制的三相逆变电源装置的研制［J］.电力电子技术，2010，44(11):54-56.NIE Zhen-yu，LIU Guo-ping，HU Ji-ming，et al.Development of three-phase inverter power supply device based on SVPWM control method［J］.Power Electronics，2010，44(11):54-56.