基于Z源网络的UPS逆变器的研究

王　剑　孙松松　王传辉　刘晓东

（青岛大学自动化工程学院，山东 青岛 266071）

基于Z源网络的UPS逆变器的研究

王剑孙松松王传辉刘晓东

（青岛大学自动化工程学院，山东 青岛 266071）

本文将电压型Z源逆变器应用到UPS系统中，使逆变电路可以工作在直通状态，并通过控制直通零矢量来实现升降压的功能。分析了Z源逆变器的工作原理和控制方式，并建立了电压电流双闭环控制系统，使输出电压保持恒定，具有良好的动态性能和稳态性能。最后，应用Matlab/Simulink软件对UPS系统进行仿真验证，仿真结果证明了理论分析的正确性。

UPS；Z源逆变器；直通零矢量；SPWM控制

近年来，随着科学技术的不断发展，电源技术逐渐成熟，为保证重要部门电力供应的连续性和可靠性，便产生了不间断电源（UPS）。作为不间断电源的核心技术—逆变器控制技术，它直接影响着不间断电源电压输出的性能。但是传统的电压源逆变器原理上固有的缺陷限制了UPS的性能。传统的电压源逆变器只有降压的功能，而且当逆变桥发生直通时，会损环电力电子器件，严重时会损环整个系统。

基于此，2003年浙江大学彭方正教授提出了Z源逆变器，在传统的DC/AC前加入有两个相等的电容电感组成的Z网络的装置。利用其独特的无源网络，通过调节逆变器的直通状态来实现其升降压的功能，省去了传统在线式UPS拓扑中的工频变压器，减小了电源体积和成本。同时，由于Z源逆变器的引入，UPS的输出端可接感性或较大的容性负载，提高了负载的适用范围。

1　基于Z源逆变器的UPS拓扑

图1所示是基于电压型Z源逆变器的UPS结构图。图中DC/AC逆变器为单相全桥结构，无论市电是否是正常供电，负载都是由逆变器供电。当电网正常工作时，一路电网电能通过AC/DC整流器整流，再经过Z源逆变器转变成所需交流电压；另一路电网电能通过AC/DC整流器、充电器对蓄电池进行充电；当市电不正常时，蓄电池输出的直流电经Z源逆变器转变成交流电输出，从而实现UPS不间断供电。

图1　基于Z源逆变器的UPS结构图

新型UPS利用Z源逆变器来提高系统的升压能力，省去了传统在线式UPS拓扑中的工频变压器，因此极大的减小了电源的体积和成本。除此之外，还解决了传统在线式UPS谐波污染大，带负载能力有限的问题。

2　Z源逆变器

2.1工作原理

如图2所示，新型的Z源逆变器是在传统的电压源逆变器中引入了一个Z源网络。

图2　电压型Z源逆变器主电路拓扑结构

为了便于分析，取电感L1、L2和电容C1、C2满足

使Z源网络对称。根据对称原理，可以得到：

图3是从直流环节看进去的Z源逆变器等效电路。根据是否处于直通状态下可以将电路工作分为两种情况：

1）当Z源逆变器工作在直通状态下，其等效电路图为图4。有

2）当Z源逆变器工作在非直通状态时，其等效电路图为图5。有

在一个开关周期（T=T0+T1）中，假设逆变器工作于直通零电压状态的时间为T0，工作在非直通状态的时间为T1。由文献［1］可知，Z源储能电容电压可表示为

式中，D0为直通矢量占空比；Vi为输入直流电压。

根据式（4）和式（5）可得，加在逆变桥输入端峰值直流母线电压为

式中，M≤1为逆变器调制因子，G=MB∈（0～∞）为升/降压因子。逆变器输出电压由G决定，控制G的大小可以实现任意的升/降压功能。升/降压因子G是由调制因数和升压因子B共同决定的，调节直通占空比可以得到期望的升压因子。

图3　从直流环节看进去的Z源逆变器等效电路

图4　直通状态下等效电路

图5　非直通状态下等效电路

2.2 升压控制原理

基于Z源逆变器的UPS是通过引入Z源逆变器的直通特性来达到升降压的目的，为了保持传统有效状态时间不变，需要在开关控制中把直通零电压状态加到传统零状态中。图6为新型在线式UPS简单升压控制原理图，在传统的SPWM调制中，用正、负两个恒定电压UP和-UP跟三角波进行比较，当三角波幅值高于UP或低于-UP时，逆变器进入直通零状态。逆变器的直通占空比D为

式中，t为逆变器桥臂直通时间；TS为开关周期；Utri为三角载波电压幅值。通过设置UP和Utri来调节直通占空比D的大小，从而改变了升压因子B。从式（7）中可以看出，当逆变器的调制因数M不变时，控制升压因子B的大小可以实现输出电压的升降压功能。

图6　基于SPWM的简单升压控制方式原理图

2.3Z源逆变器升降压功能的仿真验证

采用Matlab仿真软件对电路进行仿真验证。主电路仿真图中，UDC=200V，Z源网络电容C1=C2= 2200μF，电感L1=L2=3mH，LC滤波器中电感LS=4mH，电容CS=6.9μF。控制电路采用基于SPWM控制的简单升压控制。

图7　单相电压源型Z源逆变器主电路仿真仿真图

图8　单相电压源型Z源逆变器的控制电路仿真图

控制电路中UP=0.8，-UP=-0.8时，直通占空比D0=0.2，由式（6）可以算出升压因子B=1.67。正弦波电压幅值为0.7，三角载波电压幅值设为1V时，调制因数设为M=0.7。负载电压波形如图9所示，从图中可以看出输出电压基本满足式（7）。

图9　M=0.7，直通占空比D0=0.2时的负载电压波形图

控制电路中正弦波电压幅值为0.7，三角载波电压幅值设为1V时，调制因数设为M=0.7不变。电压UP=0.75，-UP=-0.75时，直通占空比D0=0.25，由式（6）可以算出升压因子B=2。负载电压波形如图10所示，从图中可以看出输出电压基本满足式（7），由于调节了直通占空比使得升压因子B增大，实现了使出电压的增大。

图10　M=0.7，直通占空比D0=0.25时的负载电压波形图

综上所述，当保持调制因数不变时，通过调节直通占空比的大小可以实现升/降压的功能。同样改变调制因数也能达到升/降压的效果，因此验证了单相电压型Z源逆变器具有很好的升/降压功能。

3　基于Z源逆变器的UPS仿真

3.1电压电流双闭环环控制方案

双闭环控制方案的系统框图如图11所示。内环采用电容电流作为控制量，外环采用输出电压作为控制量，其中给定电压基准信号Ur=2202sin（100πt），实现市电的稳定输出。

图11　电容电流内环电压外环控制框图

基本原理：①输出反馈电压Uo和给定电压基准信号Ur比较，产生的瞬时误差信号经过电压PI调节器后作为电流给定基准值；②与电流反馈信号ic比较后形成瞬时误差信号，经电流P调节器产生电流误差控制信号；③该信号与三角载波比较产生SPWM开关控制信号。

3.2UPS系统仿真

为了验证基于Z源逆变器的UPS拓扑的可行性，在Matlab/Simulink仿真环境下搭建了市电正常工作时的仿真电路，如图12所示。

图12　UPS系统仿真电路

具体参数设置如下：三相交流电源电压线电压为220V，频率为50Hz；两交流侧电感值为3mH；直流侧电容值为3300μF；C3=2200μF；C1=C2= 2200μF，L1=L2=3mH；LS=4mH，CS=6.9μF；三角波载波频率为12kHz，电压幅值Utri=1V，恒定电压UP=0.8。图13～图15分别所示为稳态情况下Z源UPS在纯阻性、感性、容性负载下的输出电压电流波形。经过谐波分析，在额定负载下输出电压谐波畸变率（THD）为小于1.5%，在感性负载下输出电压畸变率（THD）为小于2%，在容性负载下输出电压畸变率（THD）为小于2%。仿真结果证明Z源UPS在电压电流双闭环控制下具有良好的动、静态特性。

图13　在纯阻性负载（R=10Ω）下的仿真波形

图14　在感性负载（R=10Ω，L=10mH）下的仿真波形

图15　在容性负载（R=10Ω，C=330μF）下的仿真波形

4　结论

本文在传统在线式UPS的基础上引入了Z源逆变器，并对基于Z源逆变器的新型在线式UPS拓扑进行了研究。分析了单相电压型Z源逆变器的工作原理和控制方式，并采用仿真软件验证了其升降压功能。然后在Simulink环境下建立基于Z源逆变器的UPS系统仿真模型，并采用电压电流双闭环控制策略，使整个系统的性能较为稳定。仿真结果验证了基于Z源逆变器的UPS拓扑的可行性。

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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 剑（1990-），男，河南省商丘市人，硕士研究生，研究方向为电力电子、电力新能源。