| 标题 | 基于Trans-Z源逆变电路的UPS系统的研究 |
| 范文 | 郑凯 曹茂永 王毅 仲崇旭 摘 ?要： 针对UPS系统中由传统逆变器缺陷引起的升压难、控制复杂、抗干扰差的问题，基于Trans?Z源逆变电路提出一种新的UPS系统拓扑。研究Trans?Z源逆变电路基本结构、工作原理;采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）对电路进行总体控制并改变输出电压;在理论分析的基础上给出Saber下的仿真结果;最后，以DSP芯片作为逆变主控芯片，搭建应用于UPS的Trans?Z源逆变电路。实际结果表明，该电路克服了传统逆变器的缺点，移除了死区控制时间，具有更好的升压能力，且提升了UPS带载能力，更适合应用于UPS充放电控制中。 关键词： UPS; Trans?Z源逆变电路; DSP; SPWM; Saber; 充放电控制 中图分类号： TN710?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号： 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 control0 ?引 ?言 UPS（Uninterruptible Power System），即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护设备[1?2]。因此逆变器性能直接影响到UPS的性能。目前UPS系统中的逆变器大部分为传统的电压源逆变器，在实际应用中存在众多缺陷和不足。单一的升压或降压功能和复杂的控制方案，致使其装置造价高、效率低，加之对负载性质要求极高，致使UPS的应用范围受到了严重的限制。 2002年，彭方正教授提出一种新型的逆变器拓扑结构：Z源逆变器[3]。该逆变器利用直通状态来实现对输入直流电压的升压功能，增加了抗干扰能力，并且可避免由死区引起的输出波形的畸变[4?6]，提高电路效率，克服了传统电压源逆变器的不足。 在Z源逆变器网络的基础上以仿真的形式搭建UPS系统[7?8]，验证Z源逆变网络在UPS系统中应用的可行性，提升了UPS的性能，使其在母线电压降落时，能够稳压稳频输出。但是控制方式单一，在母线电压变化较大时难以通过调节占空比达到准确稳定的输出。 2011年，基于变压器的Z源（Trans?Z）逆变网络被提出[9?11]，相比于传统Z源和准Z源逆变器，在保留了优点的同时，其具有更高的升降压比，可以通过变压器变比调节、占空比调节两种方式，提高输出电压，对母线电压要求更低。 本文从Trans?Z源网络拓扑分析入手，设计UPS应用的电压源逆变器，搭建基于DSP芯片的实际电路，采用新型SPWM控制算法得到所需的正弦波。1 ?Trans?Z电路分析 Trans?Z源电路拓扑如图1所示，该电路由一个变压器、一个电容器C和一个二极管D组成。其具有以下3个主要特点： 1） 加入互耦电感能够单级实现升降压; 2） 不需要加入死区控制时间，能够消除传统逆变器死区时间带来的输出噪声; 3） 同桥臂直通成为常态，增加了逆变器的抗干扰能力。 該逆变拓扑直通的状态如图2所示，此时二极管D处于关断状态，则有： 2 ?Trans?Z SPWM算法设计 采用双极性SPWM作为UPS逆变的控制信号，从信号采样入手，选用规则采样法求得DPS开通时长，并在此基础上提出一种新的加入直通序列的SPWM调制法。同时给出在DSP中的配置方案，通过此调制法，保证了直通时长，减少了开关次数，降低了开关管的损耗。 2.1 ?双极性信号采样法 双极性控制如图4所示。区别于单极性控制方式，该方法消除了过零点振荡，有着较低的谐波含量[12]。通过正弦基波与若干个等幅的双极性三角载波的交点，得出在半个周期内有正有负的SPWM波。 本文采用对称规则采样法，该采样法是一种基于面积等效理念的能量转换形式。如图5所示，规则采样法在三角波的负峰时刻[tP]对正弦信号波采样得到点P，过点P做平行于x轴的直线交三角波与A点和B点，则此时[tA]到[tB]间的脉冲宽度为[δ]的方波脉冲即为规则采样法在时刻[tP]的等效波形。 2.2 ?基于规则采样法的带有直通序列的SPWM算法 加入直通序列的SPWM算法是在规则采样法的基础上做出的进一步的改进。该算法原理如图6所示。图中S1和S2为同桥臂的上、下管，S3和S4为另一桥臂的上、下管。在该SPWM调制策略中，上桥臂S1与S3仍按照规则采样法所采的时长进行导通，下管S2与S4相应增加了导通时长，来产生直通序列。这样直通序列被等量加入到了同一周期的正负时刻中，从而保证序列有效面积不变。由图6知，设在某一时刻[Tb]采用规则采样法所采集的电压为[Ud]，取与该电压相差[±Uδ]的上下平行线作为直通序列采集电压。由图中关系可得： 通过分析比较可知，带有直通序列的调制方法将直通矢量分为四等份加在了开关切换的时刻，使得系统获得了直通时间，不改变原有开关次数，有效降低了谐波。 图7为变压器变比[n=1，1.5，2]时，G与D的关系图。从关系图可以看出，当耦合电感匝数比n确定后可以控制直通占空比D来提升并稳定母线电压，直通占空比越大，电压增益G越大，当直通占空比不变时，提高耦合电感的匝数比n，同样可以提高电压增益G。当升压比一定时，提高耦合电感匝数比n，可以在一定程度上降低直通占空比D。相比于准Z源与传统Z源逆变器，可以有效地减小输出电压谐波，增加变换效率，使原边绕组电流脉动减小。3 ?仿真及电路实现 3.1 ?基于Saber仿真建立及结果分析 本文采用Saber软件对系统进行仿真，仿真电路如图8所示。采用12 V直流电源作为输入，经过整流桥接入变压器，[L1，L2]变比分别采用1∶1，2∶1，一、二次侧电感量分别为2 mH，2 mH与4 mH，2 mH。而后接入逆变，控制所用的SPWM波形采用mast语言设计。 SPWM波形如图9所示，该载波频率采用10 kHz并加入了占空比为0.2的直通序列。自上而下分别为同桥臂的上下管，即S1，S2，S3，S4。上管保证正常导通序列，下管保证直通。 直流链电压波形如图10所示，直流链电压较12 V输入电压有明显提高。输出波形如图11所示。图11a）中波形峰值由小到大分别为保证变比不变，加入0.1，0.2与0.3直通占空比的逆变输出波形，经对比得出，增加直通占空比确实有效地提升了输出电压。图11b）是波形峰值，由小到大分别为保证直通不变，变比1∶1和变比2∶1的逆变输出波形。经对比得出，增加变压器变比同样可以提升输出电压。由仿真结果得知，该电路切实有效地起到了升压功能，其直通时序成为升压过程中不可或缺的环节，改变直通占空比和变压器变比能有效地提升并稳定输出电压。 3.2 ?实际电路建立与结果分析 本文搭建了Trans?Z源原理样机，其实物图如图12所示，采用12 V锂电池作为输入。接入Trans?Z电路，该电路中变压器磁环采用H33.19.11?ZP40，变比分别采用1∶1与2∶1，变压器一二次侧电感L1，L2的值分别为2 mH，2 mH与4 mH，2 mH，绕线方式采用三明治绕法。电容C1=820 μF，而后接入逆变桥电路，该逆变桥驱动模块选用TX?PD203。控制器选用TMS320F28335，直通占空比为D=0.1。最后经LC滤波电路滤波后接入电阻负载。 图13所示为接入逆变桥驱动模块TX?PD203的控制波形，图14为直流链电压波形，相比于12 V的输入，直流链母线被抬升至15 V。图15为不同变比下输出波形对比图，当变比为1∶1时，输出电压峰值为13.5 V，输出电压得到明显提升，将变比提高为2∶1时，在输入电压占空比不变的情况下，提高变比确实能达到提高输出电压的效果。该逆变器电路转换效率达到了90.2%，优于传统电压型逆变器的转换效率，证明Trans?Z源电路有着出色的升压功能和良好的运行特性。 4 ?结 ?语 将新型Trans?Z源逆变器应用到UPS系统中的逆变环节，达到了稳定电压，改善输出的目的。在理论分析和仿真以及实验研究的基础上，可以得出以下结论： 1） 相對于传统、Z源和准Z源逆变器，Trans?Z变换器能实现在较小的直通占空比D时，得到较高的升压功能，且可以有效地减小输出电压谐波，增加变换效率，提高UPS的续航时间。 2） 通过增大减小直通序列占空比D和变压器的变比n，可以有效地提升或降低输出电压，方便UPS电压的稳压控制。提高输出侧的输出及抗扰动能力，对于UPS长时间的作业情况下，能够更好地稳定输出电压，以达到保护负载的目的。 参考文献 [1] 石磊.UPS电源技术及发展[J].电气开关，2009，47（1）：8?10. 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