大功率UPS的Saber仿真及研究

刘焱海 哈尔滨工业大学深圳研究生院

1.引言

大功率UPS是电力电子行业的高端产品，他拥有很高的技术含量，随着功率器件和微电子技术的发展，数字控制技术和现代控制理论等大量的新技术在大功率UPS中得到应用，UPS已经从简单的后备电源发展成为高可靠性配电系统的核心。

大功率UPS开发的技术复杂性和难度较中小功率都要高。目前只有一些世界知名公司有设计和制造能力，成为衡量一个电气公司技术水平的重要标志，其关键技术主要包括整流器、逆变器的功率变换拓扑及各自的控制方法。

本文介绍了当今世界上功能强大的电力电子防真软件之一Saber仿真软件，通过它建立了大功率UPS的Saber模型，对大功率UPS的功率变换拓扑及控制方法等关键技术进行了仿真，实验结果验证了仿真模型的有效性，对UPS的开发具有理论指导意义。

2.系统的Saber模型描述

Saber仿真软件是电力电子领域功能强大的仿真工具之一，它由模块化构建，模块之间可以灵活地结合在一起成为适合特定用户的一组工具，称为Saberdesigner。Saber拥有极其丰富的通用器件模型库，通过这些模型来描述目标系统，仿真器进而将由模型建立的系统转变为一系列的微分方程，并使用梯形法来解这一系列变系数非线性时变微分方程。如果器件库中没有包含需要的特定模型，Saber也提供了方便的解决途径，一般地有两种方法。

(1)等级建模法(Hierarchical Model)。当模型不存在或者已有模型的特性描述不精确时，可考虑用其他多个模型来搭建该模型，该方法即为等级建模。典型的例子如变压器的建模，用户可以通过调用磁芯(core)、绕组(winding)等器件，实现者如DY、DZ 等各种绕接方式和内部磁路，并对器件配置特定的参数而建立较为完备的变压器模型。这种方法不需要使用建模语言，建模简单快速，物理意义清晰明确。缺点是可能导致仿真效率低，仿真运算不收敛。

(2)MAST(MAST Modeling Language)。MAST语言是一种模拟硬件描述语言(AHDL)它从数字的角度，通过编写代码的手段，描述器件的行为和结构，并将其转化为仿真模型，如DSP控制器。MAST语言提供了两种风格的描述方法：结构化(structured)和非结构化(unstructured)。结构化方法略去分而描述的步骤，将模型简化，只描述模型表现的外在特性。MAST语言描述法可以建立更为精确的模型表达，满足特性。MAST语言描述可以建立更为精确的模型表达，满足特定的仿真需要，但代码量大，建立行为模型的难度较高。

本文将主要利用Saber的通用模型，并综合使用等级建筑方法，MAST语言描述方法，以及Ssber强大的数据混合仿真功能建立大功率UPS的控制模型。

3.整流器的建模

大功率UPS一般采用品闸管整流技术，功率在200KVA以下，一般采用6脉冲整流。其优点在于控制方法成熟，效率高。因此，本文建立的UPS整流器模型是三相全控桥6脉冲整流器。整流器前级带有输入隔离变压器。该变压器利用Ssber通用模型库中的Linear2-Winding Transformer搭建，绕接方式为△/Y11型，同时将UPS的输入电感折算到变压器的原方。如图1所示。再根据等级建模方法，将该变压器封装成器件模型(Symbol)添加到器件库(Parts Library)里，封装之后如图2所示。

由国际大电网会议CIGRE推荐的包括晶闸管触发延时的三相全控整流桥的模型为 ，对

其进行线性化近似，将整流器简化为一个惯性环节 。其中KS取48，TS取1.67ms。整流器的控制环节采用单环比例积分调节器，由模拟器组成。反馈电压通过压控压源(VCVS)按反馈系数取自直流母线。晶闸管的触发方式采用正弦波同步触发，触发器trigger同样由等级建模实现，过程从略。开关管并联RC吸收电路，整流器仿真模型如图3所示。

4.逆变器的建模

本文建立的UPS逆变器为单相全桥拓扑，其闭环控制存在多种控制策略，其中瞬时值反馈控制是目前研究的热点，本文采用滤波电容电流内环和输出电压外环的双环瞬时值反馈控制策略，控制框图如图4所示。

其中，电压调节和电流调节均使用PI调节器，分别为GU(s)和G1(s)；逆变器对于基波和低次谐波而言等效为一个比例环节，近似增益为KPWM；变压器同样等效为比例环节K；电流检测和电压检测分别代表的反馈通道的增益为K1和KV；负载为RO。则系统的控制模型如图5所示。

根据控制模型，在saber里建立其仿真模型，主回路中的开关管使用理想开关来代替，这对UPS的动态和静态特性影响不大，而且可以节省仿真运行的时间。输出的单向变压器使用saber器件库中既有的Linear2-Winding Transformei模型。因为要考虑输出的动态特性，负载采用器件库中的时变电阻(PWLR)来达到突加载和突卸载的目的。滤波电容电流和输出电压的采样分别使用流控压源(CCVS)和压控压源(VCVS)来实现，在其中分别设定好K1和KV，并将反馈值送入控制器DSP的Ifd和Ufd端口。逆变器的控制器采用DSP，它由saber得数模混合仿真功能支持，DSP的模型通过MAST语言编程实现，它的输入是滤波电容电流和输出电压检测，输出控制逆变器开关管的通断，时钟频率由外置的Logic Clock设定。逆变器仿真模型如图6所示。

5.仿真和实验结果

UPS整机的仿真模型如图7所示。对其进行瞬态分析，初始步长10ns,迭代算法选择Newton-Raphason算法，由于仿真电路较为复杂，对迭代算法进行处理，将Method设为Trap,使具有更快的积分收敛速度。

系统仿真和实验的输出波形图8所示。图8a示出输出电压良好的静态特性，图8b和图8c分别为突加和突卸阻性满载时的波形，从图中可见系统动态性能好。依据仿真结果，设计一台三进单出输出功率为80KVA的数字化UPS，输出电压有效值为220V，输出频率为50HZ,逆变器的滤波电感通过在输出变压器原边绕组内插入副铁心来实现，大小为0.15mH,滤波器电容为2000μF。图8d示出满载输出电压的波形，图8e和图8f分别为突加和突卸阻性满载输出时电压电流的波形，图中示出UPS系统的动态响应速度快，调节时间短，输出电压稳定度高，幅值变化范围小。从实验和仿真波形的对比可以看出，二者能够很好的吻合。

6.结语

本文综合利用的saber系统建模法和MAST语言描述法，建立了大功率UPS系统的saber 仿真模型，仿真结果和实验结果的一致性，表明了仿真的有效性，着对于大功率UPS系统的功率变化拓扑及控制方法的研究有重要的指导价值，为UPS系统的开发提供了有效地预言手段。