鄭凱 曹茂永 王毅 仲崇旭

摘 ?要： 針對(duì)UPS系統(tǒng)中由傳統(tǒng)逆變器缺陷引起的升壓難、控制復(fù)雜、抗干擾差的問(wèn)題，基于Trans?Z源逆變電路提出一種新的UPS系統(tǒng)拓?fù)?。研究Trans?Z源逆變電路基本結(jié)構(gòu)、工作原理;采用正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）對(duì)電路進(jìn)行總體控制并改變輸出電壓;在理論分析的基礎(chǔ)上給出Saber下的仿真結(jié)果;最后，以DSP芯片作為逆變主控芯片，搭建應(yīng)用于UPS的Trans?Z源逆變電路。實(shí)際結(jié)果表明，該電路克服了傳統(tǒng)逆變器的缺點(diǎn)，移除了死區(qū)控制時(shí)間，具有更好的升壓能力，且提升了UPS帶載能力，更適合應(yīng)用于UPS充放電控制中。

關(guān)鍵詞： UPS; Trans?Z源逆變電路; DSP; SPWM; Saber; 充放電控制

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）10?0117?06

Abstract： In allusion to the problems of difficult voltage raising， complex control， and poor anti?interference of the UPS system caused by the defects of the traditional inverter， a new UPS system topology based on Trans?Z source inverter circuit is proposed. The basic structure and working principle of Trans?Z source inverter circuit are studied. Sinusoidal pulse width modulation （SPWM） is used to wholly control the circuit and change the output voltage. On the basis of theoretical analysis， the ?results of Saber simulation are given. The Trans?Z source inverter circuit for UPS application is built taking the DSP chip as the inverter main control chip. The practical results show that the circuit can remove the control time of dead zone to have a better voltage raising capability， and enhance the UPS load capability to be more suitably applied in UPS charge and discharge control， which overcomes the shortcomings of the traditional inverter.

Keywords： UPS; Trans?Z source inverter circuit; DSP; SPWM; Saber; charge and discharge control

0 ?引 ?言

UPS（Uninterruptible Power System），即不間斷電源，是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要元件，穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備[1?2]。因此逆變器性能直接影響到UPS的性能。目前UPS系統(tǒng)中的逆變器大部分為傳統(tǒng)的電壓源逆變器，在實(shí)際應(yīng)用中存在眾多缺陷和不足。單一的升壓或降壓功能和復(fù)雜的控制方案，致使其裝置造價(jià)高、效率低，加之對(duì)負(fù)載性質(zhì)要求極高，致使UPS的應(yīng)用范圍受到了嚴(yán)重的限制。

2002年，彭方正教授提出一種新型的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：Z源逆變器[3]。該逆變器利用直通狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入直流電壓的升壓功能，增加了抗干擾能力，并且可避免由死區(qū)引起的輸出波形的畸變[4?6]，提高電路效率，克服了傳統(tǒng)電壓源逆變器的不足。

在Z源逆變器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上以仿真的形式搭建UPS系統(tǒng)[7?8]，驗(yàn)證Z源逆變網(wǎng)絡(luò)在UPS系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，提升了UPS的性能，使其在母線(xiàn)電壓降落時(shí)，能夠穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出。但是控制方式單一，在母線(xiàn)電壓變化較大時(shí)難以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比達(dá)到準(zhǔn)確穩(wěn)定的輸出。

2011年，基于變壓器的Z源（Trans?Z）逆變網(wǎng)絡(luò)被提出[9?11]，相比于傳統(tǒng)Z源和準(zhǔn)Z源逆變器，在保留了優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，其具有更高的升降壓比，可以通過(guò)變壓器變比調(diào)節(jié)、占空比調(diào)節(jié)兩種方式，提高輸出電壓，對(duì)母線(xiàn)電壓要求更低。

本文從Trans?Z源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鋈胧郑O(shè)計(jì)UPS應(yīng)用的電壓源逆變器，搭建基于DSP芯片的實(shí)際電路，采用新型SPWM控制算法得到所需的正弦波。

1 ?Trans?Z電路分析

Trans?Z源電路拓?fù)淙鐖D1所示，該電路由一個(gè)變壓器、一個(gè)電容器C和一個(gè)二極管D組成。其具有以下3個(gè)主要特點(diǎn)：

1） 加入互耦電感能夠單級(jí)實(shí)現(xiàn)升降壓;

2） 不需要加入死區(qū)控制時(shí)間，能夠消除傳統(tǒng)逆變器死區(qū)時(shí)間帶來(lái)的輸出噪聲;

3） 同橋臂直通成為常態(tài)，增加了逆變器的抗干擾能力。

該逆變拓?fù)渲蓖ǖ臓顟B(tài)如圖2所示，此時(shí)二極管D處于關(guān)斷狀態(tài)，則有：

2 ?Trans?Z SPWM算法設(shè)計(jì)

采用雙極性SPWM作為UPS逆變的控制信號(hào)，從信號(hào)采樣入手，選用規(guī)則采樣法求得DPS開(kāi)通時(shí)長(zhǎng)，并在此基礎(chǔ)上提出一種新的加入直通序列的SPWM調(diào)制法。同時(shí)給出在DSP中的配置方案，通過(guò)此調(diào)制法，保證了直通時(shí)長(zhǎng)，減少了開(kāi)關(guān)次數(shù)，降低了開(kāi)關(guān)管的損耗。

2.1 ?雙極性信號(hào)采樣法

雙極性控制如圖4所示。區(qū)別于單極性控制方式，該方法消除了過(guò)零點(diǎn)振蕩，有著較低的諧波含量[12]。通過(guò)正弦基波與若干個(gè)等幅的雙極性三角載波的交點(diǎn)，得出在半個(gè)周期內(nèi)有正有負(fù)的SPWM波。

本文采用對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法，該采樣法是一種基于面積等效理念的能量轉(zhuǎn)換形式。如圖5所示，規(guī)則采樣法在三角波的負(fù)峰時(shí)刻[tP]對(duì)正弦信號(hào)波采樣得到點(diǎn)P，過(guò)點(diǎn)P做平行于x軸的直線(xiàn)交三角波與A點(diǎn)和B點(diǎn)，則此時(shí)[tA]到[tB]間的脈沖寬度為[δ]的方波脈沖即為規(guī)則采樣法在時(shí)刻[tP]的等效波形。

2.2 ?基于規(guī)則采樣法的帶有直通序列的SPWM算法

加入直通序列的SPWM算法是在規(guī)則采樣法的基礎(chǔ)上做出的進(jìn)一步的改進(jìn)。該算法原理如圖6所示。圖中S1和S2為同橋臂的上、下管，S3和S4為另一橋臂的上、下管。在該SPWM調(diào)制策略中，上橋臂S1與S3仍按照規(guī)則采樣法所采的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行導(dǎo)通，下管S2與S4相應(yīng)增加了導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)，來(lái)產(chǎn)生直通序列。這樣直通序列被等量加入到了同一周期的正負(fù)時(shí)刻中，從而保證序列有效面積不變。由圖6知，設(shè)在某一時(shí)刻[Tb]采用規(guī)則采樣法所采集的電壓為[Ud]，取與該電壓相差[±Uδ]的上下平行線(xiàn)作為直通序列采集電壓。由圖中關(guān)系可得：

通過(guò)分析比較可知，帶有直通序列的調(diào)制方法將直通矢量分為四等份加在了開(kāi)關(guān)切換的時(shí)刻，使得系統(tǒng)獲得了直通時(shí)間，不改變?cè)虚_(kāi)關(guān)次數(shù)，有效降低了諧波。

圖7為變壓器變比[n=1，1.5，2]時(shí)，G與D的關(guān)系圖。從關(guān)系圖可以看出，當(dāng)耦合電感匝數(shù)比n確定后可以控制直通占空比D來(lái)提升并穩(wěn)定母線(xiàn)電壓，直通占空比越大，電壓增益G越大，當(dāng)直通占空比不變時(shí)，提高耦合電感的匝數(shù)比n，同樣可以提高電壓增益G。當(dāng)升壓比一定時(shí)，提高耦合電感匝數(shù)比n，可以在一定程度上降低直通占空比D。相比于準(zhǔn)Z源與傳統(tǒng)Z源逆變器，可以有效地減小輸出電壓諧波，增加變換效率，使原邊繞組電流脈動(dòng)減小。

3 ?仿真及電路實(shí)現(xiàn)

3.1 ?基于Saber仿真建立及結(jié)果分析

本文采用Saber軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真電路如圖8所示。采用12 V直流電源作為輸入，經(jīng)過(guò)整流橋接入變壓器，[L1，L2]變比分別采用1∶1，2∶1，一、二次側(cè)電感量分別為2 mH，2 mH與4 mH，2 mH。而后接入逆變，控制所用的SPWM波形采用mast語(yǔ)言設(shè)計(jì)。

SPWM波形如圖9所示，該載波頻率采用10 kHz并加入了占空比為0.2的直通序列。自上而下分別為同橋臂的上下管，即S1，S2，S3，S4。上管保證正常導(dǎo)通序列，下管保證直通。

直流鏈電壓波形如圖10所示，直流鏈電壓較12 V輸入電壓有明顯提高。輸出波形如圖11所示。圖11a）中波形峰值由小到大分別為保證變比不變，加入0.1，0.2與0.3直通占空比的逆變輸出波形，經(jīng)對(duì)比得出，增加直通占空比確實(shí)有效地提升了輸出電壓。圖11b）是波形峰值，由小到大分別為保證直通不變，變比1∶1和變比2∶1的逆變輸出波形。經(jīng)對(duì)比得出，增加變壓器變比同樣可以提升輸出電壓。由仿真結(jié)果得知，該電路切實(shí)有效地起到了升壓功能，其直通時(shí)序成為升壓過(guò)程中不可或缺的環(huán)節(jié)，改變直通占空比和變壓器變比能有效地提升并穩(wěn)定輸出電壓。

3.2 ?實(shí)際電路建立與結(jié)果分析

本文搭建了Trans?Z源原理樣機(jī)，其實(shí)物圖如圖12所示，采用12 V鋰電池作為輸入。接入Trans?Z電路，該電路中變壓器磁環(huán)采用H33.19.11?ZP40，變比分別采用1∶1與2∶1，變壓器一二次側(cè)電感L1，L2的值分別為2 mH，2 mH與4 mH，2 mH，繞線(xiàn)方式采用三明治繞法。電容C1=820 μF，而后接入逆變橋電路，該逆變橋驅(qū)動(dòng)模塊選用TX?PD203?？刂破鬟x用TMS320F28335，直通占空比為D=0.1。最后經(jīng)LC濾波電路濾波后接入電阻負(fù)載。

圖13所示為接入逆變橋驅(qū)動(dòng)模塊TX?PD203的控制波形，圖14為直流鏈電壓波形，相比于12 V的輸入，直流鏈母線(xiàn)被抬升至15 V。圖15為不同變比下輸出波形對(duì)比圖，當(dāng)變比為1∶1時(shí)，輸出電壓峰值為13.5 V，輸出電壓得到明顯提升，將變比提高為2∶1時(shí)，在輸入電壓占空比不變的情況下，提高變比確實(shí)能達(dá)到提高輸出電壓的效果。該逆變器電路轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了90.2%，優(yōu)于傳統(tǒng)電壓型逆變器的轉(zhuǎn)換效率，證明Trans?Z源電路有著出色的升壓功能和良好的運(yùn)行特性。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

將新型Trans?Z源逆變器應(yīng)用到UPS系統(tǒng)中的逆變環(huán)節(jié)，達(dá)到了穩(wěn)定電壓，改善輸出的目的。在理論分析和仿真以及實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，可以得出以下結(jié)論：

1） 相對(duì)于傳統(tǒng)、Z源和準(zhǔn)Z源逆變器，Trans?Z變換器能實(shí)現(xiàn)在較小的直通占空比D時(shí)，得到較高的升壓功能，且可以有效地減小輸出電壓諧波，增加變換效率，提高UPS的續(xù)航時(shí)間。

2） 通過(guò)增大減小直通序列占空比D和變壓器的變比n，可以有效地提升或降低輸出電壓，方便UPS電壓的穩(wěn)壓控制。提高輸出側(cè)的輸出及抗擾動(dòng)能力，對(duì)于UPS長(zhǎng)時(shí)間的作業(yè)情況下，能夠更好地穩(wěn)定輸出電壓，以達(dá)到保護(hù)負(fù)載的目的。

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