大功率在线UPS高频整流器充电控制策略分析

赵凯鹏

摘要：针对采用传统方法给电源进行不间断充电存在的不足，在传统方法的基础上借助UPS的整流和PFC电路上实施优化设计，取代并采用PWM整流器，经过控制PWM这一整流器来达到三电式充电。这种方式为了能在同一时间达到在所有阶段充电的平滑切换，在同步旋转坐标系的基础上将控制电流闭环滑模的方式。仿真的最终结果显示：控制性的方式具有较好的效果，具有比较好的直流侧电压跟踪的能力，而且响应性很平滑，性能较强。

关键词：蓄电池；充电的三段式；PWM型整流器；滑模的控制

现如今的UPS设计大多数采用恒压进行限流的充电方法，这种方法有着不足之处：如果恒压电流的转变值设置的太高，最终结果就是使蓄电池内部的水分会大量的损失，由此也会可能出现过热失控的可能，这是非常危险的；如果转化的数值设置太低，不仅仅是充电的效率会变得很低，还会使电量充入过低，长时间这样做，没有进行转变的具有活性的物质就会出现不可逆，由于存在过高的电阻性导致其钝化并且结成块状，直接导致蓄电池的电量永久性的下降。但是传统的UPS采取的整流方式全部采用不受控制的桥式整流，电流的谐波含有量非常高，不仅使得蓄电池两个极板的表面被氧化的很严重，从而出现充电不能充满的情况，会导致蓄电池的含电量降低，此外在放电的过程电池内的电能有很多的得不到有效利用，这是非常大的浪费。对于上述所述缺陷，可以采用一种比较先进的充电方法即三段式，引进高频率的整流，取代传统方式UPS不能得到控制的整流电路，在电路充电时，PFC电路中采用三相的电压PWM整流器，与此同时，在同步旋转坐标的基础上来控制VSR双方的闭合。通过最终的仿真结果表明，使用这种控制策略可以提升PWM整个单位的运行功率，也实现了快速的跟踪式直流电压充电，充电方式实现了由恒整电压转变为浮充，由于充电方法的转变，使得直流电压更加稳定，性能较强。。

1．普通三段式充电的特性

用三段式的充电方法来充电是应用了更为先进的电池监视技术，将测定技术和智能化充电技术结合到一起，电池的运行情况可以更加优越。举个例子，密封式松下铅酸电池的一个电池电压是12V，容电量是12AH，这种电池在作为备用电源时的充电电压是13.5～13.8V，重复使用它的电压是14.7V左右，刚开始充电的最大电流为2.25A。把电池的充电分成三段进行输出。在刚开始充电的时候，电流可能过大，为了避免这种情况产生的影响，充电时可以采用恒流的方法，稳定充电的电流，要基本上保持充电的电压呈线性上升趋势，可以阶段性的防止出现电流过大的情况。等蓄电池的电压到达14.6V后，达到了恒压转化数值，就进入到了电流恒压充电的阶段，在这一过程中，电压进行充电的数值不变，而充电的电流却以连续的方式发生降低，当其数值降低到0.2A的时候，充电的电路有自动化功能，可以自动转变，以浮充的模式进行充电，用13.6V的单个蓄电池充电，这种方式可以实现一组电池的恒定电压充电。因为引进了浮充的充电方法，恒压转化的数值要高于普通限定电流的设定值，保证了前期电量的充入能达到所需求的，也避免了后期充电过饱和现象不会出现。用浮充的充电方法能够让自动放电失去的电量得到补充，这样电池的电量就能够一直保持在饱和状态，使得蓄电池中的活性物质可以得到最有效的利用，很明显，这样的充电方式可以延长蓄电池的使用时间。

2．算法设计VSR双闭滑模

为了能够迅速有效的调节直流侧的电压和正弦化整流器的网测电流，保证单位功率因数，在一般情况下，都使用双闭环进行调节控制。直流侧的电压大小由电压的外侧环控制，电压环会输出电压指令，电流内侧环会根据指令去控制交流侧电流。

PWM整流器电流环的设计是采用滑模结构进行控制，会展现完全鲁棒性，主要是在滑动的模态区域有着不受参数对象控制的特性，不会由于外部的干扰而发生改变，所以可以提升电流的动态响应和稳态性。

PWM整流器的外环电压可以让PI调节器得以作用，可以让直流侧的电压一直处于稳定状态，所以，在进行设计时主要考虑的是电压的发生扰动时可以保持稳定。母线的电压是否处于稳定状态和负载被扰动有关，和电网的电压波动情况有关。为了增加整个系统的抗干扰能力，降低直流电压产生波动，最基本的控制策略就是要让PWM整流器的交流和直流侧之间的功率达到平衡状态，并将这种状态持续下来。

整流器原理图

3．高频大功率UPS电源整流分析

纵观高频大功率UPS电源问题，它属于升压整流模式，如果我们输入的直流电压高于输入线电压的最大值。分析电压整流模式，就可以发现它处于相对稳定的值，一般是800伏特，如果把电池与母线进行连接，至少需要67节电池，这种情况脱离了实际，所以在设置高频UPS时，会单独配置一个电池变换器，正常情况下，我们采用的是降压方式，把电池变换器降压，在出现故障时，把电池电压进行升压，达到800伏特。可以采取逆向变压的方法，将电压直接降低到220伏特，这个过程就不需要升压变压器了。

4.仿真的结果及其分析

三相电压型PWM整流器控制系统采用的策略是闭环式的滑模控制，在该系统中，传统UPS电路中的电流整合、充电和PFC三个电路模块已经被新型的整流器取代，通过三段式的充电方式控制新型整流器，为了实现所有充电阶段的平稳切换，新系统采用了电流闭环式滑模控制策略，使用了同步旋转坐标系。

通过三段式充电，充电过程中系统由恒压充电转变为浮充充电，模式的改变要考虑到电压输出指令值的改变，与此同时，负载也会突然发生变化，系统会出现波形状的动态响应。

把充电平台中运作的有关电池数据，在正式的开始前对获得数据进行标准显现，可知电池电压变动数值在14.85V，属于较为合理的变动范围，满足充电平台的运作需求。其容量SOC额定在12.5%，容量在占用上也对充电平台的运作提供了必要的空间支出，其有效的容量支持空间在87%％以上，不会对充电平台的运作产生较为不合理的阻碍情况。电池温度在22℃，其温度属于较为合理的范围，参考理论研究基础可知温度不会对充电平台的运作实验产生不稳定的影响，但需要对后续的正式运作中产生的温度差额状况及提升速率情况进行密切的判定和观察。电池端电压和温度通过与理论分析进行对比可得出是在正常范围内进行充电保障的，可以电池获得稳定充电系数。

相关的参数说明

5．总结

本文研究的内容是大功率在线UPS高频整流器充电控制策略，介绍了一种双向流动的控制方法，在实际的控制电路中起到了关键性的作用，输出电压采用了补偿的方法，实现对整个电路的控制。对于电流内部，通过采用滑膜的控制方法进行控制，可以通过输入和输出功率的作用，平衡电路各个部分的关系，对于电压外环的控制，需要运用负载电荷技术进行有效的控制。应用中要注意电压的反馈信息，从解决直流侧电压的干扰出发，提高直流点电压的工作效率，同时对于电流的内环控制，可以通过滑膜控制的方法，控制电流的动态响应能力，获取较高的电气性能，使设备可以实现高精度的工作，具有良好的跟踪性能。在不断的研究中，要注意方法和策略，增强系统的抗干扰能力，维持电器的动态与静态平衡，从而实现高功率的工作状态，最终实现能量的双向流动。

参考文献：

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