基于新型逆變器的UPS電源系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

趙鶴群

(91550部隊，遼寧 大連 116023)

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，其對計算機系統(tǒng)電源可靠性要求也隨之增加，位于電網(wǎng)與設(shè)備間的USP(Uninterruptible Power System)對提高供電質(zhì)量，保證設(shè)備正常運行具有重要意義[1]。但傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)存在體積大、效率與可靠性低的問題，且會因電磁干擾與失誤控制而引起短路，以致燒毀器件[2]。因此，針對該類問題，本文提出一種基于新型逆變器的UPS電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Z源網(wǎng)絡(luò)逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓源型逆變器，基于Z源升降壓機制，將直通零矢量引入零電壓狀態(tài)矢量中，使電壓輸出波形理想，提高了UPS的性能。

1 UPS 的基本結(jié)構(gòu)與性能

UPS根據(jù)不同的分類準(zhǔn)則，可分為多種形式，目前常用的形式有后備式、在線式與變換式[3]。

(1)后背式，應(yīng)用最早且較為成熟的一種靜止式UPS，能夠?qū)崿F(xiàn)自動穩(wěn)壓的功能，但不能解決波形畸變問題，供電狀態(tài)為后備式，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但輸出電壓穩(wěn)定性差；

(2)在線互動式，無論市電工作狀態(tài)是否正常，皆提供負(fù)載優(yōu)質(zhì)電流電壓，即不停止電源開關(guān)，調(diào)整方式為并聯(lián)式全功率，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但輸出電壓穩(wěn)定性差；

(3)雙變換在線式，通過逆變器輸電以實現(xiàn)持續(xù)性供電，其輸出的電壓、相位與市電保持一致，負(fù)載端“電隔離”市電輸入端，輸出波形質(zhì)量好，但成本高、效率低；

(4)雙變換電壓補償式，在UPS中融合了電壓與無功功率補償技術(shù)，結(jié)構(gòu)為串-并聯(lián)，轉(zhuǎn)換時間少，實現(xiàn)了真正的不間斷供電，輸出電能質(zhì)量高；

(5)三端口式，不同于之前在運行過程中需要經(jīng)過轉(zhuǎn)化的USP系統(tǒng)，三端口式USP系統(tǒng)采用三繞組變壓器，具有效率與可靠性高的優(yōu)點，但體積大、價格高、噪聲大。

2 逆變器

傳統(tǒng)逆變器主要包括電壓源型與電流源型兩者，且已在電力并網(wǎng)、拖動與變頻器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[4]，但其存在功能單一、橋臂在開路與短路狀態(tài)會導(dǎo)致變壓器設(shè)備損壞，造成可靠性下降、儲能與電壓渡越力不足等缺點。

電壓源逆變器輸入電壓恒定，輸出為交流電壓，且其幅值與頻率可隨應(yīng)用場合的不同而變化，可為方波、PWM波與正弦波等[5]。輸出交流電壓波形不受負(fù)載變化影響是電壓源逆變器的主要特性。

電流源逆變器與電壓源逆變器相反，其輸入端電流恒定不變，可看做電壓源逆變器的對偶電路。電流源逆變器能夠有效控制電機轉(zhuǎn)速，使得繞線磁極式與電動機的變頻啟動同步[6]，廣泛適用于補償器與濾波電路中。

3 基于Z 源網(wǎng)絡(luò)逆變器的UPS電源系統(tǒng)

3.1 Z 源網(wǎng)絡(luò)逆變器工作原理

Z源網(wǎng)絡(luò)逆變器升降壓的實現(xiàn)依賴于Z源儲能網(wǎng)格，其等效電路拓?fù)鋱D如圖1所示，其中三相逆變橋可看做電流源Iin[7]。

圖1 直流電源的三相 Z 源逆變器

不同于傳統(tǒng)三相電壓源逆變器，圖1中具有9個開關(guān)狀態(tài)矢量，當(dāng)輸入直流電壓作用在負(fù)載上時有6個有效矢量，當(dāng)負(fù)載被短路時，有2個零電壓矢量，除此之外，還存在傳統(tǒng)三相電壓源逆變器禁止的導(dǎo)通短路零矢量，此零矢量的存在使得Z 源逆變器具有升降壓特性。圖2為產(chǎn)生短路零矢量的時序圖。

圖2 短路零矢量控制時序圖

3.2 Z 源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計

(1)電容設(shè)計。選擇的電容為直流狀態(tài)，直流電壓經(jīng)過電容器、逆變橋升高，因而電容的選擇影響著最終交流輸出電壓，進(jìn)而影響逆變器開關(guān)電壓應(yīng)力。電容值大可使其抗干擾性強，而實際使用中須使電容值小，可設(shè)計電容值為式(1)，式中，IL為電感電流平均值。

(1)

(2)電感設(shè)計。Z源網(wǎng)絡(luò)采用直流電感。電感在直通與非直通時作用分別為儲存與釋放電能。電感太小會導(dǎo)致儲能不夠，則影響原始連續(xù)狀態(tài)方程，且會導(dǎo)致零矢量狀態(tài)下開關(guān)管電流上升速度過快[8]，損壞開關(guān)管。電感過大會增加設(shè)備體積與重量，增大損耗，因而要設(shè)計合理的大小，并且有效控制電感電流紋波。

(3)輸入功率二極管設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓為直流電壓，非直通與直通零矢量狀態(tài)下分別會正向?qū)ㄅc阻隔輸入功率二極管，也即電流大小分別為式(2)與零。

ID=IL+iC=2IL-ii

(2)

(4)輸入整流器設(shè)計。輸入整流器的作用與二極管相似，但不同于二極管，其是輪流導(dǎo)通，最大電流應(yīng)力是電感電流的2倍。直通零矢量時，整流器中二極管處于關(guān)斷狀態(tài)，輸入電容器的作用為續(xù)流，因而減少了電感所產(chǎn)生的電壓浪涌[9-10]。

系統(tǒng)的輸入電流為濾波電容器提供，在設(shè)計過程中要一同分析輸入電感，具體設(shè)計如圖3所示。

圖3 輸入電流濾波器設(shè)計

4 計算機仿真及模型測試z

在Matlab中對Z 源逆變器模型進(jìn)行搭建[11-15]，并從多個角度進(jìn)行分析，從仿真波形以及與傳統(tǒng)UPS電源系統(tǒng)比較中驗證本文所開發(fā)與設(shè)計的基于新型逆變器的UPS電源系統(tǒng)的有效性。

圖4為在正常市電情況下對單相 Z 源逆變器所做的仿真。其中，頻率為50 Hz，Z源電感與電容分別為L1=L2=3 mH,C1=C2=3 300 μF，線電壓為380 V，Z 源電容器電壓為400 V，負(fù)載電阻為15 Ω，輸出濾波電容與電感為CS=15 μF,LS=1 000 μH，載波頻率設(shè)置為13.5 kHz。由圖4可推出式(3)所表示的逆變器輸出電壓到電感電流的傳遞函數(shù)，以及式(4)所表示的單項輸出電感電流IL到電壓UO的傳遞函數(shù)。

圖4 市電正常供電時 Z 源 UPS 系統(tǒng)仿真

(3)

(4)

Udc=BUc

(5)

式(6)為調(diào)制信號Ug到逆變橋輸出電壓UO的傳遞函數(shù)，式中，Utri為三角載波值。

(6)

圖5和圖6分別為蓄電池供電時Z 源 UPS 系統(tǒng)與傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)圖，圖7和圖8分別為其在電池電壓降落 20%時輸出的交流電壓波形。

圖5 Z源 UPS 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)圖

圖6 傳統(tǒng) UPS 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)圖

圖7 Z源 UPS 輸出的交流電壓波形

圖8 傳統(tǒng) UPS 輸出的交流電壓波形

從仿真圖中可看出，本文所提出的基于新型逆變器的UPS電源系統(tǒng)比傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)電壓輸出穩(wěn)定性高、畸變小、抗干擾性能強、動態(tài)響應(yīng)速度快。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)體積大、效率與可靠性低的不足，本文深入分析UPS系統(tǒng)工作原理，提出了一種基于Z源逆變器的UPS電源系統(tǒng)，將直通零矢量引入零電壓狀態(tài)矢量中，使得電壓輸出波形理想，提高了UPS的性能。

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