大功率UPS系統(tǒng)中寬增益DC/DC變換器的研究

劉禾雨，虞云翔，薛 軍，郭 濤

（國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）作為一種常用的電源設(shè)備，擁有多路電能輸入源，因其極高的供電穩(wěn)定性在多種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］，其中不乏有大功率需求的應(yīng)用場景，比如變電站、航空航天、通信等。以變電站為例，變電站中通常有很多重要負(fù)荷，這些負(fù)荷承擔(dān)了維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重責(zé)，一旦失電將會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［2］；另外這些負(fù)荷的功率需求很大，小功率電源難以承擔(dān)。作為后備電源的蓄電池組的容量大小關(guān)系到應(yīng)急狀態(tài)下UPS 系統(tǒng)可以維持使用的時(shí)間，而單一蓄電池的電壓和容量較小，往往需要多重的串并聯(lián)來匹配UPS 系統(tǒng)內(nèi)部直流母線的電壓和功率［3］，如圖1所示。這種數(shù)量巨大的電池串并聯(lián)結(jié)構(gòu)會帶來兩個(gè)問題：一是增大了系統(tǒng)整體的體積和成本；二是過多的串聯(lián)會降低系統(tǒng)供電的可靠性，一旦蓄電池組原有的保護(hù)機(jī)制因出現(xiàn)故障而不能可靠作用，此時(shí)組內(nèi)單一電池的癱瘓也將會使整個(gè)串聯(lián)支路失去作用［4-5］。

圖1 應(yīng)用于UPS系統(tǒng)的蓄電池組

1 UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

UPS 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示［6-7］。傳統(tǒng)的UPS 系統(tǒng)主要以主電輸入、旁路輸入和蓄電池組等作為電能來源［8］。其中，主電輸入作為主要的功率源，其特性不宜直接與用戶負(fù)載相連，需要經(jīng)過整流器和逆變器作用后得到與用戶負(fù)載相匹配的電特性，以便進(jìn)行連接［9］；旁路輸入雖然可直接用于供電，但其可提供的功率較小，一般只作為備用；蓄電池組由主電源進(jìn)行充電，放電時(shí)經(jīng)逆變器作用向負(fù)載供電［10-11］。為了解決蓄電池串并聯(lián)數(shù)量多引起的穩(wěn)定性和體積成本問題，在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將所提的寬增益DC/DC 變換器連接于蓄電池組與逆變器之間，用于提高直流電壓，減少蓄電池組的串聯(lián)數(shù)量；同時(shí)可以穩(wěn)定地調(diào)節(jié)蓄電池組的直流輸出電壓，改善電能質(zhì)量［12-15］。

圖2 UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所提出的拓?fù)渑c現(xiàn)有的幾種高增益類型直流變換器拓?fù)涞谋容^如表1 所示，其中，d為調(diào)制度，U0為輸出電壓。相比傳統(tǒng)直流變換器，所提拓?fù)湓谠黾訋讉€(gè)二極管數(shù)量的前提下，極大地提高了電壓增益，同時(shí)擴(kuò)展了電壓增益的實(shí)際可工作范圍，此外將功率器件的電壓應(yīng)力全部降至輸出電壓的1/3。傳統(tǒng)型直流變換器雖然使用的功率模塊數(shù)量較少，但在電壓增益和器件承受的電壓應(yīng)力方面存在劣勢［16］。文獻(xiàn)［17］中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)借助了變壓器線圈，雖然理論上可以實(shí)現(xiàn)極高的增益，但實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中會受到隔離型器件成本提及的限制；文獻(xiàn)［18］中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論上達(dá)到10 倍電壓增益需要工作在調(diào)制度d=0.8 的工況下，考慮到損耗實(shí)際需要的調(diào)制度會更高，屬于極端調(diào)制度的情況，不利于功率開關(guān)的穩(wěn)定工作。所提變換器拓?fù)湓?0 倍電壓增益時(shí)理想調(diào)制度僅為0.7，功率模塊的最大電壓應(yīng)力相比其他三種拓?fù)湟簿哂袃?yōu)勢，且試驗(yàn)效率較高，適用于對電壓增益有寬變化范圍要求的場合下。

表1 所提拓?fù)渑c幾種現(xiàn)有高增益變換器的比較

常見的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)DC/DC 變換器受制于自身結(jié)構(gòu)，在電壓應(yīng)力與電壓增益上都存在劣勢。此外，現(xiàn)實(shí)工況下的占空比可變范圍也會被寄生參數(shù)限制，因此不適于應(yīng)用在有寬增益需求的場景［19］。針對上述問題，所設(shè)計(jì)的寬增益DC/DC 變換器通過改善自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)具備了寬增益與低電壓應(yīng)力雙重特性，并以仿真和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其可行性［20］。

2 變換器工作原理

2.1 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)寬增益DC/DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中，Q1為有源功率開關(guān)，D1—D5均為功率二極管，L為變換器的儲能電感，C1—C5為變換器的儲能電容，同時(shí)起穩(wěn)壓的作用。模擬蓄電池組的輸入電源為Uin，輸出側(cè)Uo和R分別為輸出電壓和負(fù)載。

圖3 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 變換器工作狀態(tài)

根據(jù)變換器的控制策略周期性地將其工作狀態(tài)分為兩種，如圖4所示。

圖4 變換器工作狀態(tài)

1）圖4（a）所示為變換器的工作狀態(tài)1，在功率開關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí)，該狀態(tài)下共有3個(gè)電流回路：輸入電源Uin通過Q1向儲能電感L充電；電容C3通過Q1和功率二極管D5向電容C2充電；電容C4通過Q1和功率二極管D2向電容C5充電。

2）圖4（b）所示為變換器的工作狀態(tài)2，在功率開關(guān)Q1關(guān)斷時(shí)，該狀態(tài)下共有3個(gè)電流回路：輸入電源Uin和儲能電感L作為輸出源，經(jīng)功率二極管D1共同向電容C4充電；此外Uin和L又經(jīng)功率二極管D4向電容C3充電；Uin和L與電容C5串聯(lián)，經(jīng)功率二極管D3同時(shí)向電容C1充電。

2.3 電壓增益計(jì)算

將功率開關(guān)在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間長度分別表示為dT和（1－d）T，根據(jù)伏秒平衡法則將儲能電感L進(jìn)行分析計(jì)算，得到兩個(gè)時(shí)間段的電壓平衡關(guān)系為

式中：UC4為電容C4的電壓。

將變換器兩個(gè)工作狀態(tài)下的各個(gè)電容的電壓應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行分析可得：

式中：UC1為電容C1的電壓；UC2為電容C2的電壓；UC3為電容C3的電壓；UC5為電容C5的電壓。

結(jié)合伏秒平衡法則和電容電壓關(guān)系即可得到電壓增益為

2.4 功率器件電壓應(yīng)力計(jì)算

基于上述電壓增益的計(jì)算，結(jié)合各功率器件的電壓應(yīng)力分析，可以進(jìn)一步計(jì)算功率開關(guān)Q1的電壓應(yīng)力為

各功率二極管的電壓應(yīng)力為

變換器中各電容的耐壓應(yīng)力值為：

3 變換器樣機(jī)設(shè)計(jì)策略

3.1 電壓閉環(huán)控制策略

由于UPS 系統(tǒng)對內(nèi)部直流電壓準(zhǔn)確性有一定的要求，變換器采用了基于PI的電壓閉環(huán)控制策略，其控制原理如圖5 所示。參考電壓與經(jīng)過傳感器采樣得到的測量電壓作差，得到電壓偏差量，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作用，將信號傳遞給PWM 控制器，進(jìn)一步發(fā)出控制功率開關(guān)通斷的控制信號，最終得到理想的輸出電壓值，同時(shí)傳感器繼續(xù)對輸出電壓進(jìn)行采樣，作用于下一個(gè)循環(huán)過程。

圖5 PI電壓閉環(huán)控制原理

經(jīng)過對試驗(yàn)樣機(jī)的閉環(huán)功能調(diào)試，得出試驗(yàn)樣機(jī)的PI 參數(shù)為：比例系數(shù)Kp=0.004，積分系數(shù)Ki=0.000 3。

3.2 試驗(yàn)樣機(jī)器件選型及參數(shù)設(shè)計(jì)

樣機(jī)試驗(yàn)對于驗(yàn)證變換器理論分析的可行性十分重要，本次樣機(jī)試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)計(jì)為：輸入電壓Uin可變范圍20～50 V；輸出電壓Uo為200 V；開關(guān)頻率fs為20 kHz；樣機(jī)額定功率500 W；等效負(fù)載電阻為80 Ω。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，本次樣機(jī)設(shè)計(jì)所用的器件選型為：輸入電源為0～60 V 可調(diào)開關(guān)電源；控制器選用DSP，其型號為TMS320F28335；功率開關(guān)Q1型號為IRFP4568PBF；功率二極管D2—D5型號均為60CPQ150；電容C1為220 V/100 μF 的電解電容，電容C2—C4為160 V/150 μF 的電解電容；電感L 的電感值為200 μH。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

變換器的試驗(yàn)樣機(jī)如圖6 所示。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果分析所選取的試驗(yàn)條件為：Uin=30 V，Uo=200 V。

圖6 試驗(yàn)樣機(jī)

在該試驗(yàn)條件下電感電流iL和功率開關(guān)Q1的電壓應(yīng)力波形如圖7所示。Q1導(dǎo)通時(shí)電壓應(yīng)力為0，此時(shí)電感L處于蓄能狀態(tài)，通過其的電流逐漸增大；Q1關(guān)斷時(shí)加在其兩端的電壓應(yīng)力約為67 V，恰好是輸出電壓Uo的1/3，驗(yàn)證了上述關(guān)于Q1電壓應(yīng)力計(jì)算的正確性。

圖7 電感電流iL與功率開關(guān)Q1電壓應(yīng)力波形

為了驗(yàn)證PI 電壓閉環(huán)控制策略的有效性，模擬輸入電壓不斷變化的情況下變換器維持輸出電壓穩(wěn)定的能力。如圖8 所示，輸入電壓由50 V 連續(xù)降至20 V，此時(shí)輸出電壓維持200 V 不變，過程中電壓增益由4倍增大至10倍。由此可見該變換器可以承受輸入電壓帶來擾動的同時(shí)維持直流輸出的電特性，具備寬增益特性和較寬的變壓范圍。

圖8 輸入電壓由50 V變化到20 V條件下的動態(tài)試驗(yàn)波形

試驗(yàn)樣機(jī)的效率測量在Uin=30 V，U0=200 V 的試驗(yàn)條件下進(jìn)行，3 種不同輸出功率（P0=200 W/300 W/500 W）下的效率曲線如圖9 所示。由圖9 可知，樣機(jī)工作效率未隨輸入電壓Uin的改變而產(chǎn)生明顯的變化，而是隨輸出功率P0的上升而得到提高。由此可見影響樣機(jī)效率的損耗主要為固定損耗，隨功率的升高而較小，因此適當(dāng)提升功率有利于獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率。試驗(yàn)測量得到的最高效率為94.8%，最低為92.6%。

圖9 不同輸入電壓下的變換器效率

5 結(jié)語

基于變換器工作原理、樣機(jī)策略和試驗(yàn)結(jié)果的分析計(jì)算，提出并設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于大功率UPS 系統(tǒng)中的寬增益DC/DC 變換器。試驗(yàn)驗(yàn)證了所提變換器具有至少4～10 倍的較寬變壓范圍，在電壓閉環(huán)控制策略的作用下，變換器可以在輸入電壓發(fā)生波動時(shí)提供穩(wěn)定的輸出電壓，同時(shí)維持了較高的能量轉(zhuǎn)換效率。后續(xù)的工作將圍繞如何進(jìn)一步改善變換器的控制效果進(jìn)行，例如引入預(yù)測控制和前饋控制等，提高UPS系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。