基于新型逆变器的UPS电源系统的开发与设计

时间：2024-04-25

文/邢红伟周倩李晓生，许继电源有限公司；大盛微电科技股份有限公司；大盛微电科技股份有限公司

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。

1.1 后备式，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；

1.2 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；

1.3 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；

1.4 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；

1.5 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，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，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。

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。

3.2 网络参数设计

3.2.1 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。

3.2.2 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，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。

3.2.3 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。

3.2.4 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。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。

4 计算机仿真及模型测试

基于新型逆变器的UPS电源系统常采用的升压控制为直通零矢量，即是将直通零矢量加入传统零电压矢量中。图8从仿真图中可看出，本文所提出的基于新型逆变数。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。总而言之，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。