基于Z源網絡的UPS逆變器的研究

王　劍　孫松松　王傳輝　劉曉東

（青島大學自動化工程學院，山東 青島 266071）

基于Z源網絡的UPS逆變器的研究

王劍孫松松王傳輝劉曉東

（青島大學自動化工程學院，山東 青島 266071）

本文將電壓型Z源逆變器應用到UPS系統中，使逆變電路可以工作在直通狀態，并通過控制直通零矢量來實現升降壓的功能。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控制系統，使輸出電壓保持恒定，具有良好的動態性能和穩態性能。最后，應用Matlab/Simulink軟件對UPS系統進行仿真驗證，仿真結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，隨著科學技術的不斷發展，電源技術逐漸成熟，為保證重要部門電力供應的連續性和可靠性，便產生了不間斷電源（UPS）。作為不間斷電源的核心技術—逆變器控制技術，它直接影響著不間斷電源電壓輸出的性能。但是傳統的電壓源逆變器原理上固有的缺陷限制了UPS的性能。傳統的電壓源逆變器只有降壓的功能，而且當逆變橋發生直通時，會損環電力電子器件，嚴重時會損環整個系統。

基于此，2003年浙江大學彭方正教授提出了Z源逆變器，在傳統的DC/AC前加入有兩個相等的電容電感組成的Z網絡的裝置。利用其獨特的無源網絡，通過調節逆變器的直通狀態來實現其升降壓的功能，省去了傳統在線式UPS拓撲中的工頻變壓器，減小了電源體積和成本。同時，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載，提高了負載的適用范圍。

1　基于Z源逆變器的UPS拓撲

圖1所示是基于電壓型Z源逆變器的UPS結構圖。圖中DC/AC逆變器為單相全橋結構，無論市電是否是正常供電，負載都是由逆變器供電。當電網正常工作時，一路電網電能通過AC/DC整流器整流，再經過Z源逆變器轉變成所需交流電壓；另一路電網電能通過AC/DC整流器、充電器對蓄電池進行充電；當市電不正常時，蓄電池輸出的直流電經Z源逆變器轉變成交流電輸出，從而實現UPS不間斷供電。

圖1　基于Z源逆變器的UPS結構圖

新型UPS利用Z源逆變器來提高系統的升壓能力，省去了傳統在線式UPS拓撲中的工頻變壓器，因此極大的減小了電源的體積和成本。除此之外，還解決了傳統在線式UPS諧波污染大，帶負載能力有限的問題。

2　Z源逆變器

2.1工作原理

如圖2所示，新型的Z源逆變器是在傳統的電壓源逆變器中引入了一個Z源網絡。

圖2　電壓型Z源逆變器主電路拓撲結構

為了便于分析，取電感L1、L2和電容C1、C2滿足

使Z源網絡對稱。根據對稱原理，可以得到：

圖3是從直流環節看進去的Z源逆變器等效電路。根據是否處于直通狀態下可以將電路工作分為兩種情況：

1）當Z源逆變器工作在直通狀態下，其等效電路圖為圖4。有

2）當Z源逆變器工作在非直通狀態時，其等效電路圖為圖5。有

在一個開關周期（T=T0+T1）中，假設逆變器工作于直通零電壓狀態的時間為T0，工作在非直通狀態的時間為T1。由文獻［1］可知，Z源儲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的大小可以實現任意的升/降壓功能。升/降壓因子G是由調制因數和升壓因子B共同決定的，調節直通占空比可以得到期望的升壓因子。

圖3　從直流環節看進去的Z源逆變器等效電路

圖4　直通狀態下等效電路

圖5　非直通狀態下等效電路

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到升降壓的目的，為了保持傳統有效狀態時間不變，需要在開關控制中把直通零電壓狀態加到傳統零狀態中。圖6為新型在線式UPS簡單升壓控制原理圖，在傳統的SPWM調制中，用正、負兩個恒定電壓UP和-UP跟三角波進行比較，當三角波幅值高于UP或低于-UP時，逆變器進入直通零狀態。逆變器的直通占空比D為

式中，t為逆變器橋臂直通時間；TS為開關周期；Utri為三角載波電壓幅值。通過設置UP和Utri來調節直通占空比D的大小，從而改變了升壓因子B。從式（7）中可以看出，當逆變器的調制因數M不變時，控制升壓因子B的大小可以實現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證

采用Matlab仿真軟件對電路進行仿真驗證。主電路仿真圖中，UDC=200V，Z源網絡電容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，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為1V時，調制因數設為M=0.7。負載電壓波形如圖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時的負載電壓波形圖

控制電路中正弦波電壓幅值為0.7，三角載波電壓幅值設為1V時，調制因數設為M=0.7不變。電壓UP=0.75，-UP=-0.75時，直通占空比D0=0.25，由式（6）可以算出升壓因子B=2。負載電壓波形如圖10所示，從圖中可以看出輸出電壓基本滿足式（7），由于調節了直通占空比使得升壓因子B增大，實現了使出電壓的增大。

圖10　M=0.7，直通占空比D0=0.25時的負載電壓波形圖

綜上所述，當保持調制因數不變時，通過調節直通占空比的大小可以實現升/降壓的功能。同樣改變調制因數也能達到升/降壓的效果，因此驗證了單相電壓型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電壓電流雙閉環環控制方案

雙閉環控制方案的系統框圖如圖11所示。內環采用電容電流作為控制量，外環采用輸出電壓作為控制量，其中給定電壓基準信號Ur=2202sin（100πt），實現市電的穩定輸出。

圖11　電容電流內環電壓外環控制框圖

基本原理：①輸出反饋電壓Uo和給定電壓基準信號Ur比較，產生的瞬時誤差信號經過電壓PI調節器后作為電流給定基準值；②與電流反饋信號ic比較后形成瞬時誤差信號，經電流P調節器產生電流誤差控制信號；③該信號與三角載波比較產生SPWM開關控制信號。

3.2UPS系統仿真

為了驗證基于Z源逆變器的UPS拓撲的可行性，在Matlab/Simulink仿真環境下搭建了市電正常工作時的仿真電路，如圖12所示。

圖12　UPS系統仿真電路

具體參數設置如下：三相交流電源電壓線電壓為220V，頻率為50Hz；兩交流側電感值為3mH；直流側電容值為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分別所示為穩態情況下Z源UPS在純阻性、感性、容性負載下的輸出電壓電流波形。經過諧波分析，在額定負載下輸出電壓諧波畸變率（THD）為小于1.5%，在感性負載下輸出電壓畸變率（THD）為小于2%，在容性負載下輸出電壓畸變率（THD）為小于2%。仿真結果證明Z源UPS在電壓電流雙閉環控制下具有良好的動、靜態特性。

圖13　在純阻性負載（R=10Ω）下的仿真波形

圖14　在感性負載（R=10Ω，L=10mH）下的仿真波形

圖15　在容性負載（R=10Ω，C=330μF）下的仿真波形

4　結論

本文在傳統在線式UPS的基礎上引入了Z源逆變器，并對基于Z源逆變器的新型在線式UPS拓撲進行了研究。分析了單相電壓型Z源逆變器的工作原理和控制方式，并采用仿真軟件驗證了其升降壓功能。然后在Simulink環境下建立基于Z源逆變器的UPS系統仿真模型，并采用電壓電流雙閉環控制策略，使整個系統的性能較為穩定。仿真結果驗證了基于Z源逆變器的UPS拓撲的可行性。

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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，研究方向為電力電子、電力新能源。