基于新型逆变器的UPS电源系统的开发与设计

赵鹤群

(91550部队，辽宁 大连 116023)

随着电子信息技术的发展，其对计算机系统电源可靠性要求也随之增加，位于电网与设备间的USP(Uninterruptible Power System)对提高供电质量，保证设备正常运行具有重要意义[1]。但传统的UPS系统存在体积大、效率与可靠性低的问题，且会因电磁干扰与失误控制而引起短路，以致烧毁器件[2]。因此，针对该类问题，本文提出一种基于新型逆变器的UPS电源系统，该系统采用Z源网络逆变器代替传统的电压源型逆变器，基于Z源升降压机制，将直通零矢量引入零电压状态矢量中，使电压输出波形理想，提高了UPS的性能。

1 UPS 的基本结构与性能

UPS根据不同的分类准则，可分为多种形式，目前常用的形式有后备式、在线式与变换式[3]。

(1)后背式，应用最早且较为成熟的一种静止式UPS，能够实现自动稳压的功能，但不能解决波形畸变问题，供电状态为后备式，结构简单、成本低，但输出电压稳定性差；

(2)在线互动式，无论市电工作状态是否正常，皆提供负载优质电流电压，即不停止电源开关，调整方式为并联式全功率，结构简单、成本低，但输出电压稳定性差；

(3)双变换在线式，通过逆变器输电以实现持续性供电，其输出的电压、相位与市电保持一致，负载端“电隔离”市电输入端，输出波形质量好，但成本高、效率低；

(4)双变换电压补偿式，在UPS中融合了电压与无功功率补偿技术，结构为串-并联，转换时间少，实现了真正的不间断供电，输出电能质量高；

(5)三端口式，不同于之前在运行过程中需要经过转化的USP系统，三端口式USP系统采用三绕组变压器，具有效率与可靠性高的优点，但体积大、价格高、噪声大。

2 逆变器

传统逆变器主要包括电压源型与电流源型两者，且已在电力并网、拖动与变频器等领域得到广泛的应用[4]，但其存在功能单一、桥臂在开路与短路状态会导致变压器设备损坏，造成可靠性下降、储能与电压渡越力不足等缺点。

电压源逆变器输入电压恒定，输出为交流电压，且其幅值与频率可随应用场合的不同而变化，可为方波、PWM波与正弦波等[5]。输出交流电压波形不受负载变化影响是电压源逆变器的主要特性。

电流源逆变器与电压源逆变器相反，其输入端电流恒定不变，可看做电压源逆变器的对偶电路。电流源逆变器能够有效控制电机转速，使得绕线磁极式与电动机的变频启动同步[6]，广泛适用于补偿器与滤波电路中。

3 基于Z 源网络逆变器的UPS电源系统

3.1 Z 源网络逆变器工作原理

Z源网络逆变器升降压的实现依赖于Z源储能网格，其等效电路拓扑图如图1所示，其中三相逆变桥可看做电流源Iin[7]。

图1 直流电源的三相 Z 源逆变器

不同于传统三相电压源逆变器，图1中具有9个开关状态矢量，当输入直流电压作用在负载上时有6个有效矢量，当负载被短路时，有2个零电压矢量，除此之外，还存在传统三相电压源逆变器禁止的导通短路零矢量，此零矢量的存在使得Z 源逆变器具有升降压特性。图2为产生短路零矢量的时序图。

图2 短路零矢量控制时序图

3.2 Z 源网络参数设计

(1)电容设计。选择的电容为直流状态，直流电压经过电容器、逆变桥升高，因而电容的选择影响着最终交流输出电压，进而影响逆变器开关电压应力。电容值大可使其抗干扰性强，而实际使用中须使电容值小，可设计电容值为式(1)，式中，IL为电感电流平均值。

(1)

(2)电感设计。Z源网络采用直流电感。电感在直通与非直通时作用分别为储存与释放电能。电感太小会导致储能不够，则影响原始连续状态方程，且会导致零矢量状态下开关管电流上升速度过快[8]，损坏开关管。电感过大会增加设备体积与重量，增大损耗，因而要设计合理的大小，并且有效控制电感电流纹波。

(3)输入功率二极管设计。网络的输入电压为直流电压，非直通与直通零矢量状态下分别会正向导通与阻隔输入功率二极管，也即电流大小分别为式(2)与零。

ID=IL+iC=2IL-ii

(2)

(4)输入整流器设计。输入整流器的作用与二极管相似，但不同于二极管，其是轮流导通，最大电流应力是电感电流的2倍。直通零矢量时，整流器中二极管处于关断状态，输入电容器的作用为续流，因而减少了电感所产生的电压浪涌[9-10]。

系统的输入电流为滤波电容器提供，在设计过程中要一同分析输入电感，具体设计如图3所示。

图3 输入电流滤波器设计

4 计算机仿真及模型测试z

在Matlab中对Z 源逆变器模型进行搭建[11-15]，并从多个角度进行分析，从仿真波形以及与传统UPS电源系统比较中验证本文所开发与设计的基于新型逆变器的UPS电源系统的有效性。

图4为在正常市电情况下对单相 Z 源逆变器所做的仿真。其中，频率为50 Hz，Z源电感与电容分别为L1=L2=3 mH,C1=C2=3 300 μF，线电压为380 V，Z 源电容器电压为400 V，负载电阻为15 Ω，输出滤波电容与电感为CS=15 μF,LS=1 000 μH，载波频率设置为13.5 kHz。由图4可推出式(3)所表示的逆变器输出电压到电感电流的传递函数，以及式(4)所表示的单项输出电感电流IL到电压UO的传递函数。

图4 市电正常供电时 Z 源 UPS 系统仿真

(3)

(4)

Udc=BUc

(5)

式(6)为调制信号Ug到逆变桥输出电压UO的传递函数，式中，Utri为三角载波值。

(6)

图5和图6分别为蓄电池供电时Z 源 UPS 系统与传统UPS 系统仿真系统图，图7和图8分别为其在电池电压降落 20%时输出的交流电压波形。

图5 Z源 UPS 系统仿真系统图

图6 传统 UPS 系统仿真系统图

图7 Z源 UPS 输出的交流电压波形

图8 传统 UPS 输出的交流电压波形

从仿真图中可看出，本文所提出的基于新型逆变器的UPS电源系统比传统UPS系统电压输出稳定性高、畸变小、抗干扰性能强、动态响应速度快。

5 结束语

针对传统UPS系统体积大、效率与可靠性低的不足，本文深入分析UPS系统工作原理，提出了一种基于Z源逆变器的UPS电源系统，将直通零矢量引入零电压状态矢量中，使得电压输出波形理想，提高了UPS的性能。

参考文献

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