王　劍　孫松松　王傳輝　劉曉東

（青島大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266071）

基于Z源網(wǎng)絡(luò)的UPS逆變器的研究

王劍孫松松王傳輝劉曉東

（青島大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266071）

本文將電壓型Z源逆變器應(yīng)用到UPS系統(tǒng)中，使逆變電路可以工作在直通狀態(tài)，并通過控制直通零矢量來實(shí)現(xiàn)升降壓的功能。分析了Z源逆變器的工作原理和控制方式，并建立了電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，使輸出電壓保持恒定，具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。最后，應(yīng)用Matlab/Simulink軟件對(duì)UPS系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性。

UPS；Z源逆變器；直通零矢量；SPWM控制

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電源技術(shù)逐漸成熟，為保證重要部門電力供應(yīng)的連續(xù)性和可靠性，便產(chǎn)生了不間斷電源（UPS）。作為不間斷電源的核心技術(shù)—逆變器控制技術(shù)，它直接影響著不間斷電源電壓輸出的性能。但是傳統(tǒng)的電壓源逆變器原理上固有的缺陷限制了UPS的性能。傳統(tǒng)的電壓源逆變器只有降壓的功能，而且當(dāng)逆變橋發(fā)生直通時(shí)，會(huì)損環(huán)電力電子器件，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損環(huán)整個(gè)系統(tǒng)。

基于此，2003年浙江大學(xué)彭方正教授提出了Z源逆變器，在傳統(tǒng)的DC/AC前加入有兩個(gè)相等的電容電感組成的Z網(wǎng)絡(luò)的裝置。利用其獨(dú)特的無源網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)節(jié)逆變器的直通狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)其升降壓的功能，省去了傳統(tǒng)在線式UPS拓?fù)渲械墓ゎl變壓器，減小了電源體積和成本。同時(shí)，由于Z源逆變器的引入，UPS的輸出端可接感性或較大的容性負(fù)載，提高了負(fù)載的適用范圍。

1　基于Z源逆變器的UPS拓?fù)?/h2>

圖1所示是基于電壓型Z源逆變器的UPS結(jié)構(gòu)圖。圖中DC/AC逆變器為單相全橋結(jié)構(gòu)，無論市電是否是正常供電，負(fù)載都是由逆變器供電。當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，一路電網(wǎng)電能通過AC/DC整流器整流，再經(jīng)過Z源逆變器轉(zhuǎn)變成所需交流電壓；另一路電網(wǎng)電能通過AC/DC整流器、充電器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；當(dāng)市電不正常時(shí)，蓄電池輸出的直流電經(jīng)Z源逆變器轉(zhuǎn)變成交流電輸出，從而實(shí)現(xiàn)UPS不間斷供電。

圖1　基于Z源逆變器的UPS結(jié)構(gòu)圖

新型UPS利用Z源逆變器來提高系統(tǒng)的升壓能力，省去了傳統(tǒng)在線式UPS拓?fù)渲械墓ゎl變壓器，因此極大的減小了電源的體積和成本。除此之外，還解決了傳統(tǒng)在線式UPS諧波污染大，帶負(fù)載能力有限的問題。

2　Z源逆變器

2.1工作原理

如圖2所示，新型的Z源逆變器是在傳統(tǒng)的電壓源逆變器中引入了一個(gè)Z源網(wǎng)絡(luò)。

圖2　電壓型Z源逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了便于分析，取電感L1、L2和電容C1、C2滿足

使Z源網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱。根據(jù)對(duì)稱原理，可以得到：

圖3是從直流環(huán)節(jié)看進(jìn)去的Z源逆變器等效電路。根據(jù)是否處于直通狀態(tài)下可以將電路工作分為兩種情況：

1）當(dāng)Z源逆變器工作在直通狀態(tài)下，其等效電路圖為圖4。有

2）當(dāng)Z源逆變器工作在非直通狀態(tài)時(shí)，其等效電路圖為圖5。有

在一個(gè)開關(guān)周期（T=T0+T1）中，假設(shè)逆變器工作于直通零電壓狀態(tài)的時(shí)間為T0，工作在非直通狀態(tài)的時(shí)間為T1。由文獻(xiàn)［1］可知，Z源儲(chǔ)能電容電壓可表示為

式中，D0為直通矢量占空比；Vi為輸入直流電壓。

根據(jù)式（4）和式（5）可得，加在逆變橋輸入端峰值直流母線電壓為

式中，M≤1為逆變器調(diào)制因子，G=MB∈（0～∞）為升/降壓因子。逆變器輸出電壓由G決定，控制G的大小可以實(shí)現(xiàn)任意的升/降壓功能。升/降壓因子G是由調(diào)制因數(shù)和升壓因子B共同決定的，調(diào)節(jié)直通占空比可以得到期望的升壓因子。

圖3　從直流環(huán)節(jié)看進(jìn)去的Z源逆變器等效電路

圖4　直通狀態(tài)下等效電路

圖5　非直通狀態(tài)下等效電路

2.2 升壓控制原理

基于Z源逆變器的UPS是通過引入Z源逆變器的直通特性來達(dá)到升降壓的目的，為了保持傳統(tǒng)有效狀態(tài)時(shí)間不變，需要在開關(guān)控制中把直通零電壓狀態(tài)加到傳統(tǒng)零狀態(tài)中。圖6為新型在線式UPS簡單升壓控制原理圖，在傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制中，用正、負(fù)兩個(gè)恒定電壓UP和-UP跟三角波進(jìn)行比較，當(dāng)三角波幅值高于UP或低于-UP時(shí)，逆變器進(jìn)入直通零狀態(tài)。逆變器的直通占空比D為

式中，t為逆變器橋臂直通時(shí)間；TS為開關(guān)周期；Utri為三角載波電壓幅值。通過設(shè)置UP和Utri來調(diào)節(jié)直通占空比D的大小，從而改變了升壓因子B。從式（7）中可以看出，當(dāng)逆變器的調(diào)制因數(shù)M不變時(shí)，控制升壓因子B的大小可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的升降壓功能。

圖6　基于SPWM的簡單升壓控制方式原理圖

2.3Z源逆變器升降壓功能的仿真驗(yàn)證

采用Matlab仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。主電路仿真圖中，UDC=200V，Z源網(wǎng)絡(luò)電容C1=C2= 2200μF，電感L1=L2=3mH，LC濾波器中電感LS=4mH，電容CS=6.9μF。控制電路采用基于SPWM控制的簡單升壓控制。

圖7　單相電壓源型Z源逆變器主電路仿真仿真圖

圖8　單相電壓源型Z源逆變器的控制電路仿真圖

控制電路中UP=0.8，-UP=-0.8時(shí)，直通占空比D0=0.2，由式（6）可以算出升壓因子B=1.67。正弦波電壓幅值為0.7，三角載波電壓幅值設(shè)為1V時(shí)，調(diào)制因數(shù)設(shè)為M=0.7。負(fù)載電壓波形如圖9所示，從圖中可以看出輸出電壓基本滿足式（7）。

圖9　M=0.7，直通占空比D0=0.2時(shí)的負(fù)載電壓波形圖

控制電路中正弦波電壓幅值為0.7，三角載波電壓幅值設(shè)為1V時(shí)，調(diào)制因數(shù)設(shè)為M=0.7不變。電壓UP=0.75，-UP=-0.75時(shí)，直通占空比D0=0.25，由式（6）可以算出升壓因子B=2。負(fù)載電壓波形如圖10所示，從圖中可以看出輸出電壓基本滿足式（7），由于調(diào)節(jié)了直通占空比使得升壓因子B增大，實(shí)現(xiàn)了使出電壓的增大。

圖10　M=0.7，直通占空比D0=0.25時(shí)的負(fù)載電壓波形圖

綜上所述，當(dāng)保持調(diào)制因數(shù)不變時(shí)，通過調(diào)節(jié)直通占空比的大小可以實(shí)現(xiàn)升/降壓的功能。同樣改變調(diào)制因數(shù)也能達(dá)到升/降壓的效果，因此驗(yàn)證了單相電壓型Z源逆變器具有很好的升/降壓功能。

3　基于Z源逆變器的UPS仿真

3.1電壓電流雙閉環(huán)環(huán)控制方案

雙閉環(huán)控制方案的系統(tǒng)框圖如圖11所示。內(nèi)環(huán)采用電容電流作為控制量，外環(huán)采用輸出電壓作為控制量，其中給定電壓基準(zhǔn)信號(hào)Ur=2202sin（100πt），實(shí)現(xiàn)市電的穩(wěn)定輸出。

圖11　電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制框圖

基本原理：①輸出反饋電壓Uo和給定電壓基準(zhǔn)信號(hào)Ur比較，產(chǎn)生的瞬時(shí)誤差信號(hào)經(jīng)過電壓PI調(diào)節(jié)器后作為電流給定基準(zhǔn)值；②與電流反饋信號(hào)ic比較后形成瞬時(shí)誤差信號(hào)，經(jīng)電流P調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電流誤差控制信號(hào)；③該信號(hào)與三角載波比較產(chǎn)生SPWM開關(guān)控制信號(hào)。

3.2UPS系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證基于Z源逆變器的UPS拓?fù)涞目尚行?，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建了市電正常工作時(shí)的仿真電路，如圖12所示。

圖12　UPS系統(tǒng)仿真電路

具體參數(shù)設(shè)置如下：三相交流電源電壓線電壓為220V，頻率為50Hz；兩交流側(cè)電感值為3mH；直流側(cè)電容值為3300μF；C3=2200μF；C1=C2= 2200μF，L1=L2=3mH；LS=4mH，CS=6.9μF；三角波載波頻率為12kHz，電壓幅值Utri=1V，恒定電壓UP=0.8。圖13～圖15分別所示為穩(wěn)態(tài)情況下Z源UPS在純阻性、感性、容性負(fù)載下的輸出電壓電流波形。經(jīng)過諧波分析，在額定負(fù)載下輸出電壓諧波畸變率（THD）為小于1.5%，在感性負(fù)載下輸出電壓畸變率（THD）為小于2%，在容性負(fù)載下輸出電壓畸變率（THD）為小于2%。仿真結(jié)果證明Z源UPS在電壓電流雙閉環(huán)控制下具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。

圖13　在純阻性負(fù)載（R=10Ω）下的仿真波形

圖14　在感性負(fù)載（R=10Ω，L=10mH）下的仿真波形

圖15　在容性負(fù)載（R=10Ω，C=330μF）下的仿真波形

4　結(jié)論

本文在傳統(tǒng)在線式UPS的基礎(chǔ)上引入了Z源逆變器，并對(duì)基于Z源逆變器的新型在線式UPS拓?fù)溥M(jìn)行了研究。分析了單相電壓型Z源逆變器的工作原理和控制方式，并采用仿真軟件驗(yàn)證了其升降壓功能。然后在Simulink環(huán)境下建立基于Z源逆變器的UPS系統(tǒng)仿真模型，并采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略，使整個(gè)系統(tǒng)的性能較為穩(wěn)定。仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于Z源逆變器的UPS拓?fù)涞目尚行浴?/p>

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The Research on UPS Inverter based on Z-source Network

Wang Jian Sun Songsong Wang Chuanhui Liu Xiaodong
（College of Automation Engineering， Qingdao University， Qingdao， Shangdong 266071）

The voltage-fed Z-source inverter will be applied to UPS system to make the inverter circuit can operate in shoot-through state and achieve the buck-boost function through controlling the shoot-through vector. The thesis introduces and analyzes the topology、operating principle、control method of Z-source inverter and establishes voltage and current double closed-loop control system to keep the output voltage constant， has a good dynamic performance and steady-state performance. Finally，Matlab/Simulink software is applied to the simulation of UPS system and the validity of the theoretical analysis is proved by simulation results.

UPS； Z-source inverter； shoot-through vector； SPWM control

王 劍（1990-），男，河南省商丘市人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮印㈦娏π履茉础?/p>