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舰用不间断电源研究范文

时间:2022-09-29 10:06:49

舰用不间断电源研究

《船电技术杂志》2016年第8期

摘要:

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。

关键词:

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。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。

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。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3kW。以输出三相220V电压、直流27V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。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3kW。以输出三相220V电压、直流27V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。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。

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.

作者:王志飞 单位:海军装备部武汉军事代表局

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