基于新型逆變器的UPS電源系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

文/邢紅偉 周倩 李曉生，許繼電源有限公司；大盛微電科技股份有限公司；大盛微電科技股份有限公司

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。

1.1 后備式，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；

1.2 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；

1.3 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；

1.4 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；

1.5 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，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，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。

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。

3.2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計

3.2.1 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。

3.2.2 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，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。

3.2.3 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。

3.2.4 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。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。

4 計算機仿真及模型測試

基于新型逆變器的UPS電源系統(tǒng)常采用的升壓控制為直通零矢量，即是將直通零矢量加入傳統(tǒng)零電壓矢量中。圖8從仿真圖中可看出，本文所提出的基于新型逆變數(shù)。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。總而言之，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

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U PS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。