煤矿大功率UPS电源系统开发建模和仿真*

徐峰 万祥云

(1.河南工业大学电气工程学院 郑州 450001；2.河南城建学院市政与环境工程学院 河南平顶山 467036)



煤矿大功率UPS电源系统开发建模和仿真*

徐峰1万祥云2

(1.河南工业大学电气工程学院 郑州 450001；2.河南城建学院市政与环境工程学院 河南平顶山 467036)

利用Saber仿真技术建立了一个功率10 kW的UPS系统模型，实验验证了Saber环境下UPS模型建立的有效性，为煤矿大功率UPS电源开发提供了理论和技术参考。

Saber UPS 建模 仿真

0 引言

在煤矿安全保障中有一个很重要的部分就是煤矿用电设备的可靠安全运行，为了使用电设备可靠的运行，除了在一些关键节点使用双回路或多回路供电外，也在局部使用了UPS电源，确保设备供电保持不间断，因此有必要进一步了解UPS电源。大功率UPS电源开发的技术相较于中小功率都要高，主要包括功率变换拓扑和各自的控制方法。

本文介绍了目前功能强大的电源和混合仿真技术软件Saber，通过它建立了UPS的Saber模型，对它的功率变化拓扑电路和控制方法进行了仿真和研究，验证了相关仿真模型的有效性，为UPS的开发提供了很好的理论和技术支持。

1 Saber仿真技术

Saber仿真软件是1986年被开发推出的一款EDA软件，现由美国Synopsys公司经营，是唯一的多技术、多领域的系统仿真软件，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于不同类型系统构成的混合系统仿真，为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合信号仿真器，兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，可以解决从系统开发到详细设计验证等一系列问题[1]。

2 UPS工作原理和系统结构框图

UPS电源又可称为不间断电源，它的工作原理可以分成两个部分[2-3]：①AC/DC变换：将交流电源变成直流电，当有外部供电的时候它的作用是给电池充电和提供外部直流工作电源；②DC/AC逆变电路：将直流电逆变成交流电，当外部停电时，由电池供电，采用大功率IGBT模块全桥逆变电路，输出正弦波交流电给设备供电。

主电路主要有整流、滤波、全桥变换、电流环控制、电压环控制、全桥逆变电路，具体结构如图1所示。

图1 控制系统框图

从图1中可看出在电路变换中的控制部分使用了电流环和电压环达到控制的目的。本文就AC/DC和DC/AC两种变换电路进行建模和仿真研究。

3 仿真模型的建立

3.1 AC/DC模型的建立

AC/DC电路变换的拓扑结构有反激式、正激式、半桥式、推挽式、全桥[4]，每一种对应的功率范围不同，由于使用的电源功率为10 kW，所以在本电路中采用全桥式电路，具体结构如图2所示。

图2 全桥变换拓扑结构

在给锂电池充电时需要对电流和电压同时控制，引入了电压环和电流环，具体电路如图3所示。

图3 电流和电压环控制电路图

3.2 DC/AC模型的建立

当外部供电停止时，需要设备进行不间断工作，所以要用电池作为储能设备进行DC/AC变换，把直流电变换成正弦波交流电。整个逆变器可以分为DC/DC升压变换和全桥逆变，通常使用SPWM变换[5]，主要工作原理就是通过调制一系列宽窄不等的脉冲，来等效正弦波形(幅值、相位和频率)，需要重点关注谐波、直流电压利用率、开关损耗、跟踪(响应)速度、不同应用场合的特殊问题[6]。

正弦波逆变器LC滤波器参数的设计，可以由下式计算。

L=(Udc-Uo)×Uo/(1.4Io×Udc×fsw)

(1)

式中，Udc为输入逆变H桥的电压，320～420 V；Uo为输出电压，0～311 V，有效值为220 V；fsw为SPWM的开关频率，本文以20 kHz为例；Io为输出电流，电感的峰值电流约为1.4Io；L为LC滤波器所需的电感量。

通过调用Saber软件中的各个模块，搭建SPWM控制电路，见图4所示。

4 仿真实验及结果分析

通过对系统各个仿真模型的建立，搭建起了系统的整个模型，可以对整个系统进行仿真，并显示整个电路的实际状态。

图4 SPWM逆变电路结构图

首先，进行AC/DC仿真。输出电容的大小对电压纹波有很大的影响，电容值越大，输出电压值的波动越小，但是随着电容的值变得越大，输出电压值变稳定所需时间就越长。为了便于仿真和观察，取输出电容的值为[600 μF，1 000 μF]，观察电路的响应曲线，见图5所示。

从图5可以观察到电容对应600 μF时，电压稳定时间在50 ms左右，只是纹波系数比较大，电容对应1 000 μF时，电压稳定时间在80 ms左右，但是电压波动小。随着负载的变动，要适当地增加输出电容的值，保持输出电压的稳定。

图5 电压输出图

为便于观察电流的控制曲线图，设置取样电阻值为0.1 Ω，取输出的电流电压设定值为0.5 V，观察负载变化时电流取样输出曲线图，见图6所示。

图6 电流取样电压图

从图6中可以观察到初始时电流控制环不起作用，电压控制环在工作，但当负载电阻的值陡然变小时，电流控制环发生了作用，很快就把电流稳定在最大值范围内。

DC/AC仿真，通过模拟SPWM变换对全桥电路进行逆变仿真，可以观察输出的正弦波形，见图7所示。如果要使输出波形更精细，可以适当地调整SPWM变换的载波频率。

图7 输出正弦波形图

5 结论

本文建立了一个简单的UPS电源控制系统仿真模型，利用Saber软件强大的电力电子和混合仿真能力搭建了该系统的各个模块并进行了仿真。模拟结果表明该系统在AC/DC变换中通过电压环和电流环双控制电路能够很好的对外界负载参数的变化做出及时的反应，对电压和电流进行控制；在DC/AC变换中，采用了SPWM方法进行了逆变，能够很好的输出正弦波形，并给出了输出滤波器件LC参数的计算方法。通过前期的系统验证后，可以把系统电路模型转换成实际电路，从而节约大量时间和成本，提高了设计质量。

[1]杨进,杨向宇,余辉.基于逆变器多重化的串联混合型有源滤波器的仿真研究[J].电工技术学报,2004,19(10):24-27.

[2]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

[3]耿强,夏长亮,闫彦,等.电网电压不平衡情况下PWM整流器恒频直接功率控制[J].中国电机工程学报,2010,30(36):79-85.

[4]唐欣,罗安,涂春鸣.基于递推积分PI的混合型有源电力滤波器电流控制[J].中国电机工程学报,2003,23(10):38-41.

[5]岳怡.数字电路与数字电子技术[M].西安:西北工业大学出版社,2001.

[6]赵清林,郭小强,邬伟扬.单相逆变器并网控制技术研究[J].中国电机工程学报,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

河南省科技计划项目(142102310537)。

徐峰，男，1976年生，博士，讲师，主要研究方向为集成制造与信息化工程管理技术、控制和电源建模与仿真。

2015-11-10)