基于光伏充电的UPS系统设计与仿真分析开题报告

全文总字数：8028字

1. 研究目的与意义（文献综述）

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

通过阅读文献，了解光伏充电装置与UPS各自工作原理、典型拓扑与控制方法，选择一种合适的应用于光伏充电的UPS系统的拓扑，构建它的仿真模型，并给出详细设计与仿真分析过程。本毕设需要建立一种基于光伏充电的UPS系统的仿真模型，并就所选择的控制策略进行建模与仿真分析，重点研究清楚典型工况时的控制策略及其影响特性。

2.2研究目标

通过实现基于光伏充电的UPS系统设计及仿真，了解本毕业设计相关专业知识的发展历史、现状及趋势，以及本毕业设计领域技术发展历史中的重大突破的背景和影响，并理解本毕业设计领域光伏并网和逆变器畸变问题的解决方案的设计开发背景和意义。掌握利用Matlab搭建基于光伏充电的UPS系统的仿真模型的方法，掌握利用Matlab仿真平台进行基于光伏充电的UPS系统控制策略的仿真研究，能够通过以上专业工具对本毕业设计要求的复杂工程问题进行预测与模拟，并能够理解其局限性。

论文的基本思路如下：首先通过查阅资料了解各种类型UPS的特点，对逆变器不同的控制策略进行对比分析，根据光伏充电的特点，选择合适的UPS拓扑结构及逆变器控制策略，并运用Matlab搭建电路模型，进行仿真分析。

2.3 各种类型的UPS拓扑

UPS经过长期的发展，现在主要有四种典型拓扑^[12,13]，下文将一一介绍。

2.3.1 后备式UPS

后备式UPS系统框图如图2-1所示。

图2-1 后备式UPS系统框图

后备式UPS首先经低通滤波器对电网高频干扰进行适当的衰减、抑制处理，然后分两路去控制后级电路正常工作。一路通过充电器对UPS内的蓄电池组进行充电，另一路到交流旁路通路上的简单稳压电路，经过转换开关向负载供电。市电故障时，转换开关切断交流旁路，将负载和逆变器连接，蓄电池经逆变器对负载供电。通过逆变器能迅速给负载继续提供电能，但之间会有10ms的转换时间。

2.3.2 双变换在线式UPS

双变换式主要由一个整流器和逆变器构成，如图2-2所示。

图2-2 双变换在线式UPS系统框图

无论电网电压正常与否，均通过逆变器给负载供电。只有当变流器出现故障或需要进行检修时，才切换到旁路供电给负载。市电正常时，由市电经AC/DC、DC/AC两次变换后供电给负载，故称为双变换在线式UPS。当市电异常时，由蓄电池经过DC/AC变换供电给负载。逆变器发生故障时，转换开关切换，市电直接旁路给负载供电。是一种以逆变器供电为主的工作方式。

2.3.3 在线互动式UPS

在线互动式UPS系统框图如图2-3所示。

图2-3 在线互动式UPS系统框图

市电输入正常时，它由继电器控制电路通路，向负载供电，继电器的接通点不同，变压器的变比也不同，可以做到对输出基本稳压。同时双向变换器处于整流工作状态，给蓄电池充电。当市电异常时，双向变换器处于逆变工作状态，蓄电池经过DC/AC逆变变换，再通过变压器继电器阵将电池电能转换为正弦交流电输出。

2.3.4 Delta变换式UPS

Delta变换式UPS系统框图如图2-4所示。

图2-4 Delta变换式UPS系统框图

Delta是增量的意思，Delta变换式UPS只对输出电压的差值进行调整和补偿。市电正常时，直接由市电经Delta变压器向负载供电，当市电波动时，市电经Delta变压器和主变换器对波动电压进行补偿，既抵消电源中的谐波电压，又补偿基波电压，使负载得到稳定的正弦波电压，同时电源仅仅输出基波有功电流。其中Delta变换器和主变换器都是双向 AC→DC SPWM变换器，两个变换器的直流侧接蓄电池。一旦市电停电，主变换器从蓄电池获取电能继续不间断的对负载供电。

2.4 UPS拓扑结构选择

不同类型的UPS各有其优缺点^[14]，表2-1对各典型UPS拓扑的优缺点进行比对。

表2-1 UPS典型拓扑优缺点分析

经过表2-1分析可知，后备式UPS和在线互动式UPS的输出电能质量不高，而双变换在线式UPS和Delta变换式UPS供电质量较高，所以，对于本论文所考虑的数据中心UPS的应用场景，后两种是更好的选择，由于Delta变换式UPS电路结构复杂，稳定性不高，所以对于稳定性要求较高的数据中心，应考虑双变换在线式UPS。事实证明，现在UPS的绝大部分新能源接入研究选择的拓扑结构均为双变换在线式UPS。

然而对于双变换式传统结构的主要缺点是会向电网注入大量的谐波和无功，这是由于常规整流环节广泛釆用了二极管不控整流电路或晶闹管相控整流电路，对电网造成了严重的污染。新型的双变换式通过釆用全控整流技术，不但可以实现单位功率因数的输入电流控制，而且具有体积小、重量轻、效率高、输出稳定性高、电流响应速度快等优点，已经成为目前研究热点课题之一^[4]。

2.5 逆变器控制策略

逆变器是UPS的核心部分，负责把整流滤波后得到的直流电或蓄电池储存的直流电转化为用户所需的稳压稳频的交流电。在UPS系统接入光伏电池后，逆变器还需负责把光伏系统产生的不稳定的直流电转化为用户所需的交流电，因此，合理设计逆变器是UPS系统设计的重点和难点。

根据文献^[15,16]，现将逆变器设计器的控制策略对比如表2-2所示。

表2-2 逆变器控制策略

在表2-2所示的各种控制策略中。预测控制和神经网络控制是未来控制器发展的方向，但基于目前的计算水平和芯片成本，这两种方法暂时还不适用，多变量状态反馈控制涉及多个传感器，虽然系统动态响应速度快，输出电压波形好，但结构较为复杂，电压瞬时值PID控制过于简单，畸变率大，显然不合条件。而电压电流双闭环控制结构简单，调节能力好，且适用范围广泛，所以本设计将采用电压电流双闭环控制的结构设计DC/DC和DC/AC控制器。

2.6 matlab仿真分析

使用Matlab搭建电路模型，首先需要搭建双变换在线式UPS系统的基本构架，然后再在UPS系统的基础上加入光伏太阳能充电系统为电池充电或直接与外接电网配合一起给负载供电，从而实现节能环保。

2.6.1 UPS系统构建

首先设计给蓄电池充电的充电电路^[17]，如图2-5所示。

图2-5 基于PID的直流充电器

再设计整流逆变电路，如图2-6所示。

图2-6 整流器逆变器模型

运用这两个电路合并设计就能组成一个完整的UPS系统。

2.6.2 光伏充电系统构建

利用Matlab中的PV Array模块，结合直流充电器，可以得到光伏充电系统。PV Array模块及其输出特性^[18]，如图2-7所示。

图2-7 光伏模块

3. 研究计划与安排

本毕设的时间安排如表3-1所示：

表3-1 本毕设时间安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1] guilherme keiel,jeferson v. flores,charles lorenzini,luís f.a. pereira,aurélio t. salton. affine discretization methods for the digital resonant control of uninterruptible power supplies[j]. journal of the franklin institute,2019,356(15).

[2] 刘立.旋转式ups[j].电世界,2000,41(06):23.

[3] 帅业明.高频机与工频机的ups优劣分析[j].通信电源技术,2019,36(05):198-199.