侯世英，陳劍飛，孫 韜，張文玉

（重慶大學 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400044）

不間斷供電電源（UPS）具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抗干擾、防止浪涌等功能，更為重要的是當電網(wǎng)停止供電時，UPS還可以對負載進行短時供電，以保證用電設(shè)備正常工作.因此，UPS日益成為重要負載設(shè)備必不可少的配套設(shè)施［1］.

傳統(tǒng)在線式UPS具有輸入電壓范圍大、輸出電壓可精確控制等優(yōu)點，也存在輸入功率因數(shù)低、電流總諧波畸變率高、蓄電池體積大等缺點，而且工頻變壓器的存在使得電源的體積大、成本高，且變壓器和電感容易產(chǎn)生可聞噪聲；另外，在傳統(tǒng)的橋式逆變器中，控制失誤或電磁干擾等會導致逆變器上下橋臂直通而損壞開關(guān)管，通常為了避免開關(guān)管直通而另外加入的死區(qū)時間又會影響輸出電能質(zhì)量［2］.

國內(nèi)外很多學者開展了對在線式UPS拓撲的研究工作，致力于優(yōu)化在線式 UPS的性能［3－9］.文獻［3］提出基于BIFRED變換器的在線式UPS拓撲，可實現(xiàn)功率因數(shù)校正和電氣隔離的功能，但當負載非線性變化時，輸出電流存在嚴重的畸變現(xiàn)象；文獻［4］提出高性能無變壓器的在線式UPS拓撲，減小了電源體積，降低了成本；文獻［5］在減少開關(guān)數(shù)量的前提下實現(xiàn)了理想市電的輸出；文獻［6－9］對UPS的控制策略和用途進行了大量實驗研究.

本文提出了一種新型在線式UPS拓撲，采用Z源逆變器［10－12］代替?zhèn)鹘y(tǒng)橋式逆變器，利用Z源逆變器特有的直通特性和前級Boost電路提高系統(tǒng)的升壓能力，這樣既可以省去傳統(tǒng)在線式UPS拓撲中的工頻變壓器，又能擴大UPS負載的適用范圍；增加了一個Buck／Boost充放電電路，采用額定電壓較低的蓄電池，從而進一步減小了電源體積，同時降低了充放電電路中開關(guān)管的電壓應(yīng)力；在整流側(cè)和Z源逆變器之間增加一個電感和開關(guān)管，與Z源逆變器中的二極管一起，構(gòu)成Boost型有源功率因數(shù)校正（APFC）電路［13－15］，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的單相APFC雙閉環(huán)控制策略，減小了輸入端電流總諧波畸變率，提高了功率因數(shù).文中詳細分析了該拓撲的工作原理，并進行了仿真實驗，結(jié)果驗證了該拓撲的可行性和優(yōu)越性.

1 傳統(tǒng)在線式UPS

傳統(tǒng)在線式UPS的結(jié)構(gòu)如圖1所示.無論市電供電是否正常，負載都是由逆變器供電.在市電正常情況下，市電經(jīng)濾波整流后，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，一部分直流電給蓄電池充電，使蓄電池保持電量，另一部分直流電通過逆變器再轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，而這種交流電較市電來說，其電壓的波形、頻率和電壓的穩(wěn)定度都得到了明顯改善，且動態(tài)特性也有顯著提高；當市電不正常時，負載的供電完全由蓄電池存儲的電量通過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娸敵?，從而真正地達到了外電不正常時，負載供電不間斷的效果.

圖1 傳統(tǒng)在線式UPS結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of conventional on－line UPS

但是傳統(tǒng)在線式UPS在市電正常情況下，其輸入側(cè)的交流輸入電壓經(jīng)整流濾波后得到的是300V左右的直流母線電壓.如果逆變器要想在各種負載條件下均能輸出220V正弦交流電，其直流母線電壓一般要達到400V左右，而300V左右的直流母線電壓不能逆變出220V交流電，因此必須在逆變器的輸出端加裝一個工頻變壓器，以提高交流輸出電壓.然而，這樣極大地增加了電源的體積和成本.

另外，傳統(tǒng)在線式UPS還存在如下不足：

1）輸入端的電流畸變率高，功率因數(shù)低，對電網(wǎng)的諧波污染大；2）帶負載能力有限；3）蓄電池額定電壓高，體積大.

2 新型在線式UPS拓撲

2.1 工作原理

針對傳統(tǒng)在線式UPS的不足，本文提出了一種新型在線式UPS拓撲，如圖2所示.

圖2 新型在線式UPS結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of novel on－line UPS

該拓撲是在Z源逆變器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，具體電路拓撲如圖3所示.

采用Z源逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的橋式逆變器，同時在整流側(cè)和Z源逆變器之間增加一個電感和開關(guān)管，與Z源逆變器中的二極管一起，構(gòu)成Boost型有源功率因數(shù)校正（APFC）電路，輸出端采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略，實現(xiàn)電壓電流穩(wěn)定輸出.在市電模式下，220V交流輸入電壓經(jīng)整流濾波后得到的300V左右直流電壓，經(jīng)Boost電路和Z源網(wǎng)絡(luò)升壓后得到400V左右的直流母線電壓，再經(jīng)過逆變器實現(xiàn)理想市電輸出；另外，增加了一個雙向Buck／Boost充放電電路，能實現(xiàn)電源主電路與蓄電池之間能量的雙向流動.

2.2 逆變電路拓撲分析

新型在線式UPS逆變電路的等效電路如圖4所示.當Z源逆變器處于直通零電壓狀態(tài)時，橋臂直通，如圖4（a）所示；當Z源逆變器處于非直通零電壓狀態(tài)時，逆變橋等效為一個電流源，如圖4（b）所示.

圖3 基于Z源逆變器的新型在線式UPS拓撲Fig.3 The novel on－line UPS based on Z－source inverter

圖4 新型在線式UPS逆變電路的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of the inverter circuit of novel on－line UPS

若Z源網(wǎng)絡(luò)的電感L1，L2和電容C1，C2分別具有相同的電感量L和電容量C，則Z源網(wǎng)絡(luò)對稱：

當開關(guān)管S0導通、二極管D0截止時，逆變器處于直通零電壓狀態(tài)，如圖4（a），此時Z源網(wǎng)絡(luò)的電感L1及前級Boost電路的電感L0上的電壓分別為

當開關(guān)管S0截止、二極管D0導通時，逆變器處于非直通零電壓狀態(tài)，如圖4（b），此時Z源網(wǎng)絡(luò)的電感L1及前級Boost電路的電感L0上的電壓分別為

將式（6）代入式（5）得：

在一個開關(guān)周期內(nèi)，根據(jù)電感伏秒平衡，結(jié)合式（1）～（7）可得：

即

式中：D為Z源逆變器的直通占空比；B為其直流升壓因子，其大小為1／［（1－D）（1－2D）］，將式（11）代入式（10）得：

為了保證輸出電能質(zhì)量，直通零電壓狀態(tài)和有效狀態(tài)不能同時存在，因此逆變器調(diào)制比m不能超過1－D，即：

結(jié)合式（11）～（14）可得輸出電壓峰值U0max與電容電壓UC之間的大小關(guān)系，如式（15）所示：

式（15）對于合理選擇APFC控制電路中的電容電壓參考值UC＊，具有一定的理論指導意義.

Z源逆變器開關(guān)管的電壓應(yīng)力US為BUin，其中升壓因子B與直通占空比D（0＜D＜0.5）之間的關(guān)系如圖5所示.從圖5中可以看出，開關(guān)管的電壓應(yīng)力隨著直通占空比增大而增大，所以為了降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，應(yīng)選擇較小的直通占空比.

圖5 直流升壓因子B與直通占空比D之間的關(guān)系Fig.5 The curve of DC boost factor B and direct connection duty cycle D

另外，當Z源逆變器處于直通零電壓狀態(tài)時，電感L0為輸入電流提供了續(xù)流回路，有效阻止了電壓、電流瞬變，提高了電源的工作可靠性；同時，Z源逆變器的引入，使得該拓撲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.

2.3 充放電電路拓撲分析

該充放電電路拓撲為一個Buck／Boost型的雙向DC／DC變換器，如圖6所示.當市電正常供電時，D1，S6截止，S5，D2和L3構(gòu)成 Buck型降壓電路，對額定電壓為48V的蓄電池充電，此時為充電模式；當市電供電不正常時，輸入端開路，此時S5，D2截止，L3，S6和D1構(gòu)成Boost型升壓電路，蓄電池放電，此時為放電模式，對整流側(cè)提供150V直流電壓，再經(jīng)Boost型APFC電路和Z源逆變器實現(xiàn)穩(wěn)定、純凈的市電輸出.

圖6 充放電電路拓撲Fig.6 The topolopy of charge and discharge circuit

與傳統(tǒng)拓撲中的蓄電池相比，新型拓撲中蓄電池的額定電壓（48V）明顯小于傳統(tǒng)拓撲中蓄電池的額定電壓（300V），這樣極大減小了蓄電池的體積和成本，同時降低了充放電電路中開關(guān)管的電壓應(yīng)力，從而提高了整個電源系統(tǒng)的可靠性和安全性.

3 控制策略

3.1 升壓控制原理

新型在線式UPS拓撲是通過引入Z源逆變器的直通特性和前級Boost電路來達到提高直流升壓因子B的目的，由式（11）可知.由于逆變器輸出電壓只與有效狀態(tài)有關(guān)，為了使Z源逆變器的直通零電壓狀態(tài)不影響輸出電壓，需要在開關(guān)控制中把直通零電壓狀態(tài)加在傳統(tǒng)零狀態(tài)中.圖7為新型在線式UPS拓撲的升壓控制原理圖，采用雙極性PWM控制方式，用正、負2個恒定電壓UP和－UP跟三角載波比較.需要注意的是，當載波信號大于UP或小于－UP時，逆變器的橋臂直通.

由圖7可知，逆變器的直通占空比D為

式中：t為橋臂直通時間；Ts為開關(guān)周期；Utri為三角載波電壓幅值.

圖7 升壓控制原理示意圖Fig.7 The principle diagram of booster control

3.2 APFC控制原理和輸出閉環(huán)控制原理

該拓撲中的APFC電路，是基于傳統(tǒng)的三角波載波控制方式，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的單相APFC雙閉環(huán)控制策略實現(xiàn)的，即電壓外環(huán)采用電壓瞬時值控制、電流內(nèi)環(huán)采用跟蹤實時電流的三角波比較方式，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中U＊C＝350V，Uin＝300V.采用該控制方法的優(yōu)點是電路實現(xiàn)簡單，開關(guān)頻率固定，易于控制.

圖8 單相APFC雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The structure diagram of double closed loop control system based on single phrase APFC

輸出端采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略，如圖9所示，其中Uref＝ 220sin（100πt），實現(xiàn)純凈市電的穩(wěn)定輸出.

圖9 輸出電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 The structure diagram of double closed loop control system of output voltage and current

4 電路仿真分析與驗證

為了驗證新型在線式UPS拓撲的可行性，本文基于Matlab／Simulink平臺，對該拓撲在純阻性、感性和容性負載3種情況下以相同的電路參數(shù)進行了仿真分析，具體參數(shù)如下：輸入為市電，電感L0＝5 mH；Z源網(wǎng)絡(luò)中，電感L1＝L2＝1mH，電容C1＝C2＝470μF；充放電電路中，電感L3＝2mH，電容C3＝50μF，蓄電池額定電壓Ubat＝48V；輸出濾波電感Lf＝25mH，濾波電容Cf＝400μF；三角波載波頻率fc＝12kHz，電壓幅值Utri＝1V，恒定電壓Up＝1V.圖10～圖12分別為新型在線式UPS在純阻性、感性和容性負載下的輸入電壓電流波形和輸出電壓電流波形，其中，在0～0.2s時間段由市電正常供電，此時輸入端實現(xiàn)了功率因數(shù)校正作用，在0.2～0.3s時間段由蓄電池供電，此時輸入端開路.不同負載情況下的輸入輸出參數(shù)見表1.

圖10 在純阻性負載（R＝10Ω）下的仿真波形Fig.10 The simulation waveforms under pure resistance loads（R＝10Ω）

圖11 在感性負載（R＝10Ω，L＝10mH）下的仿真波形Fig.11 The simulation waveforms under inductive loads（R＝10Ω，L＝10mH）

圖12 在容性負載（R＝10Ω，C＝330μF）下的仿真波形Fig.12 The simulation waveform under capactive loads（R＝10Ω，C＝330μF）

表1 新型在線式UPS在3種不同負載情況下的輸入?yún)?shù)Tab.1 The input parameters of the novel UPS under three different kinds of loads

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)在線式UPS的不足，提出了基于Z源逆變器的新型在線式UPS拓撲，分析了其工作原理.與傳統(tǒng)拓撲相比，新型在線式UPS省去了工頻變壓器，極大地減小了電源體積，降低了成本；同時，減小了輸入端電流總諧波畸變率，提高了功率因數(shù)，增強了帶負載能力；另外，充放電電路中，蓄電池額定電壓小，進一步減小了電源體積，降低了成本，同時減小了該電路中開關(guān)管的電壓應(yīng)力.理論分析與仿真研究驗證了上述結(jié)論.

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