交流电网幅值检测系统的MATLAB建模与仿真

王爱花，谢海良

（河南工业大学 漯河工学院，河南 漯河 462000）

进入21世纪，计算机、量子通信、高档医疗器械、虚拟仪器、数控机床等精密仪器设备在人民生活和工农业生产中得到广泛应用，对经济社会发展起到了巨大的推动作用。这些高端的精密仪器设备对工作环境和供电电网的稳定性要求较严格，供电电网电压的波动会直接影响其正常工作。如电网中某些较大负载设备的投切所造成的电压浪涌和瞬变等，尽管持续时间很短，但仍有可能对这类精密设备带来致命伤害。利用UPS（不间断电源）可以为精密仪器设备提供可靠的供电保障。因此，本文针对交流电网幅值检测系统及UPS进行研究。

1 UPS电网检测系统原理及检测方法

UPS由电池组、控制电路和逆变器构成，能实时检测电网的运行情况，当用户交流电网发生故障，如过压、欠压或者停电时，UPS立即将负载与电网切断，并同时使用自身的化学能电池经控制器、逆变器向负载供电，而且转换时间必须能保证负载供电的不间断性（如时间小于10ms）。实时检测、及时切换，这都给UPS内部用于检测电网电压的测控系统提出了一个很高的要求。

UPS测控系统一般采用数字电路控制（图1），经过对电网检测量与参考量的比较，求其差值的绝对值并进行放大积分，最后根据积分器的输出量来对电网电压情况进行判断。测控系统工作时，先取电网电压检测量的绝对值，然后乘上常数K，反馈量是正弦参考量与输出量y的乘积，如果系数K2选择合适，就能保证输出量y在稳态时很好地跟踪K1，电网故障与否就可表示为

式中，δ是表示电网正常与否的判断值。

2 交流电网幅值检测系统的MTALAB建模与仿真

对于图1中的输出信号y来说，其幅值的变化规律为由小变大→再由大变小→再由小变大，其原因是积分器对误差的不断积累作用。如果PI调节系数一定，则检测速度在正弦波的幅值处最快，在零点最慢，即便是电源断电，也需要较长时间才能检测到。如果改变PI调节系数的积分，让正弦波零点处检测速度也加快，就可以同时达到快速准确的要求。如果采用增量式数字PI算法，PI环两个系数分别为A与B，则积分式为

式中，u（k）和u（k-1）分别表示系统在k和k-1时刻电网电压的检测值；e（k）和 e（k-1）分别表示系统在 k 和 k-1 时刻检测的误差值。

在每一个采样周期，上述运算过程都在进行。因此，当电网出现故障时，经过采样对比，很快就可以得出结论。如果采样周期为100μs，从电网故障到被系统检测到的时间应小于1ms。因此，控制器有充分的时间控制开关器件进行切换，以实现保护功能。但在实际应用中，并不是UPS检测到电网故障后立即接通逆变器。在UPS的逆变侧有一个SCR静态开关，当给它一个关断信号时，它并不能立即关断，而是要等到电流过零时才能关断，因此系统还需要一个通道用于不断判断和检测电网电流是否过零。

基于以上分析，根据UPS的交流电网幅值检测系统原理，在MTALAB中建立幅值检测仿真模型如图2所示。对照图1的原理框图，K取为500，K2取为1/50，PI环系数固定，取PI环系数的最小值，即A=5，B=2，给误差量乘1/50的系数，正弦参考电压和电网电压均用有效值为500V、频率为50Hz的正弦波代替，电网电压可以随时改变大小，以此来模拟电网故障时测控系统的工作特性。

图2 交流电网幅值检测系统的MTALAB仿真模型

2.1 SineWave模块调用设置

在simulink模块库中的Sources中调用出Sine Wave模块，并对其主要参数进行设置。其参数Amplitude的值为500*sqrt（2），Frequency/（rad/sec）栏为100*pi，其他参数为默认值。

2.2 Abs模块调用设置

打开simulink library，选中菜单中的mathopra⁃tions选项，选中第一个模块Abs，把其参数设置为1。

2.3 Unit Delay模块调用设置

在simulink模块库中的Discrete模块库中调用出Unit Delay模块，通过Unit Delay模块将连续信号转换成离散信号。

2.4 Product和Sum模块调用设置

在simulink模块库中的Math Operations模块库中调用Product模块和Sum模块。Product模块和Sum模块相类似。它们可以接受多个输入信号的乘除、加减，其参数有两种形式：一是整数N，表示N个信号相乘或相加；二是符号列表，按照符号的数量确定输入个数，而输入对应的运算则由符号决定。例如，第2个“*/”表示第1个信号为乘，第2个信号为除。

2.5 Scope模块调用设置

在simulink模块库中的sinks模块库中调用Scope模块，并对其主要参数进行设置。Scope在模型中作为示波器使用，在仿真过程中产生时间序列，显示模型中的信号波形，方便观察和保存。Scope模块默认有一个输入，可以连接任何类型的实数信号线。根据系统仿真需要，分别把图2中Scope、Scope1、Scope2中的Number of axes数值分别修改为1、2、3，Scope2中的Number of axes参数设置如图3所示。图4中勾选Limit data points to last，设置其参数为5000，同时勾选Save data to workspace，将Scope中获取的数据点存储到设定的位置。

图3 Scope模块Number of axes参数设置

图4 Scope模块Limit data points to last和Save data to workspace参数设置

3 仿真结果分析

图5为误差信号、输出信号和参考信号的仿真波形，其横坐标表示时间，单位s；纵坐标表示电压，单位V。误差信号、输出信号、参考信号分别表示的是图1中的e信号、y信号和参考正弦信号。

图5 误差信号、输出信号和参考信号波形

设置仿真参数，Start time为 0，Stop time为50e-3，relative tolerance为le-6。选取算法器为“ode23tb”（Stiff/TR-BDF2），其他参数为系统默认值，进行仿真。

对图5所示的仿真波形进行分析不难看出，参考信号y为幅值正常的市电正弦波，而输出信号的波形已经发生了较为严重的畸变，这说明电网中有谐波产生，并且出现了基波与谐波多次叠加的情况。此时，说明电网已经出现了故障，需要尽快切断电网并切换为UPS电源供电。同时，从图中波形可知误差信号的变化规律与输出信号的变化规律一致，但误差信号幅值是输出信号幅值的10倍。因此，通过误差信号系统很容易就能检测到电网的异常状况，并对电源及时进行切换。

通过幅值检测系统的MTALAB仿真分析，准确掌握了电网电压波动时UPS幅值检测系统的工作特性，为UPS幅值检测系统的设计提供了可靠的理论依据，对交流电网幅值检测系统的实际设计应用起到很好的借鉴作用。