基于DSP控制技術(shù)的逆變器諧波失真消除

1 引言

隨著數(shù)字處理系統(tǒng)應(yīng)用的快速發(fā)展，許多設(shè)備，如報警系統(tǒng)，健康護理設(shè)備和安全照明設(shè)備等對高品質(zhì)不間斷電源的需求也就隨之增加。而且隨著高頻靜態(tài)功率變換器的廣泛使用，包括臨界載荷在內(nèi)的許多電力負載都成為了非線性的，并將產(chǎn)生諧波。因此，必須應(yīng)用附加諧波濾波技術(shù)來保證UPS逆變器有高品質(zhì)的正弦輸出電壓。

一臺典型的在線式UPS系統(tǒng)框圖如圖1所示，它主要是由以下幾部分組成：整流濾波電路、充電器、逆變器、輸出變壓器及濾波路、靜態(tài)開關(guān)、充電電路、蓄電池組和控制監(jiān)測、顯示告警及保護電路。其中最主要的部分就是由整流器提供存儲能量的蓄電池組和把直流電壓轉(zhuǎn)換成正弦交流輸出的逆變器。由于與輸出相連接的非線性負載的影響，使得UPS的輸出電壓產(chǎn)生諧波失真，難以達到設(shè)備對高品質(zhì)正弦輸出電壓的要求。



圖1　典型在線式UPS的系統(tǒng)框圖

UPS轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制對減小輸出電壓諧波含量來說是至關(guān)重要的。而控制轉(zhuǎn)換開關(guān)的難點在于濾波器的輸出阻抗。因而人們想提供一個近似于零阻抗的轉(zhuǎn)換級，使它能在理論上產(chǎn)生接近于零失真的正弦輸出電壓，并且不受負載條件的影響。雖然通過高頻轉(zhuǎn)換開關(guān)可以實現(xiàn)極低的輸出濾波阻抗，然而在大功率應(yīng)用中（如功率大于20kVA），由于轉(zhuǎn)換頻率被限定在1-2kHz，它便不能降低濾波器輸出阻抗了。因此，現(xiàn)代UPS系統(tǒng)通過一種采用了復雜的大規(guī)模無源元件的濾波方案使逆變器輸出電壓的諧波含量達到最小。另外，許多PWM技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于補償濾波器的輸出阻抗和降低輸出電壓的失真。

本文介紹了UPS系統(tǒng)非線性負載的實時DSP控制 ，討論了采用DSP控制的優(yōu)點，并對DSP控制的UPS逆變器和諧波調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行了分析，最后通過一個1KVA系統(tǒng)驗證了該控制方案的正確性。

2 逆變系統(tǒng)的分析及模擬控制

現(xiàn)代UPS系統(tǒng)使用PWM逆變器來產(chǎn)生單相或三相交。整流器將單相或三相交流輸入轉(zhuǎn)化成直流輸入，這不僅向逆變器提供了能量，而且使蓄電池組保持滿載。當市電正常而直流-交流逆變器出現(xiàn)故障或輸出過載時，UPS工作在旁路狀態(tài)，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到市電端，由市電直接給負載供電。如果靜態(tài)開關(guān)的轉(zhuǎn)換是由于逆變器故障引起，UPS會發(fā)出報警信號；如果是由于過載引起，當過載消失后，靜態(tài)開關(guān)重新切換回逆變器端。

PWM使用模擬信號來調(diào)制脈沖的寬度，脈沖的持續(xù)時間與模擬信號在此時刻的調(diào)制幅度成正比。因為大多數(shù)的電力負載都是非線性的，并且還向UPS中注入諧波電流，因此必須采用附加諧波濾波技術(shù)，同時必須考慮到逆變器對它輸出交流波形的瞬時控制，從而把諧波失真降低到容許的程度。通過使用高速反饋環(huán)路可以實現(xiàn)對PWM逆變器的控制，在反饋回路中對實際的輸出波形與參考正弦波形進行比較，用兩者的誤差來修正雙極性晶體管產(chǎn)生的用PWM表示的正弦波。

采用模擬控制的UPS系統(tǒng)，對UPS的生產(chǎn)者和用戶來說都存在著許多潛在的缺陷。模擬控制需要大量的分離元件和電路板，從而導致元件數(shù)目多、硬件成本高。另外，因為這些元件必須一起共同工作，所以需要大量的連線來實現(xiàn)對這些模擬元件的控制。這些問題都易使元件磨損或發(fā)生間歇失效，而且一旦發(fā)生故障，其定位和維修都是相當困難的。另外有的模擬元件，例如電位計，必須用手工來校正，導致效率低、精度差。
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由于元件的老化和無補償熱飄移，模擬元件的長期穩(wěn)定性也存在著問題。若不進行每年專門的定期檢修和重新校正，這些問題將使UPS的元件參數(shù)和輸出達不到標準并最終導致系統(tǒng)性能下降。另外，還必須為每一個單獨的UPS模式進行固定的模擬控制設(shè)計，而每一個新的UPS模式又要求重新設(shè)計并重新生產(chǎn)控制系統(tǒng)。如果沒有硬件上的變化，UPS也同樣得不到升級。

為了提高用戶界面和通信能力，早在80年代UPS的設(shè)計者們就將目光轉(zhuǎn)向了微處理器。當通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把微處理器連接到模擬控制系統(tǒng)時，它便能夠采集操作數(shù)據(jù)并且將它們傳送到數(shù)字顯示屏上。另外，微處理器的機載存儲器存有監(jiān)測模擬控制系統(tǒng)和控制UPS功率級操作范圍的參考值。然而，由于微處理器缺乏高頻轉(zhuǎn)換控制時所要求的計算速度，這些由微處理器輔助的UPS系統(tǒng)仍然依靠模擬運放控制。

為了獲得對UPS系統(tǒng)的實時數(shù)字控制，設(shè)計者們又看中了高速的數(shù)字信號處理器（DSP），它能夠每秒鐘執(zhí)行大約3千萬條指令。在工作時，DSP把軟件提供的參考信號與逆變器的實際顯示值進行比較，然后通過高速計算來產(chǎn)生PWM轉(zhuǎn)換控制的輸出值。使用DSP來取代模擬線路有許多優(yōu)點，其中包括不受元件老化和溫度飄移的影響而具有穩(wěn)定的系統(tǒng)參數(shù)；另外，對控制系統(tǒng)的升級可以僅通過軟件而不對硬件進行任何改變。UPS的操作信息也能夠通過調(diào)制解調(diào)器進行遠程存取，再進行工作參數(shù)的調(diào)整以及基于軟件的維修；最后，由于DSP的自我校正和遠程服務(wù)特點，使得維修費用更加的低廉。

3 逆變系統(tǒng)的DSP控制及諧波校正算法

UPS系統(tǒng)的大多數(shù)電力負載都是非線性的，因此所產(chǎn)生的諧波電流必須在逆變器的輸出中進行濾波，從而把諧波失真降低到容許的程度。DSP控制的UPS系統(tǒng)采用了軟件控制的諧波調(diào)節(jié)器，它可以動態(tài)的適應(yīng)負載條件的變化，并且不用手動就可以對負載諧波進行自動補償。這樣，即使在非線性負載變化的條件下，對于使用了DSP的復雜信號處理的操作，也能夠提供正弦負載電壓，同時也避免了對大規(guī)模無緣濾波器的使用。

增強型平衡功率（BP）UPS系統(tǒng)采用了德州儀器公司的DSP TMS320C25。BP

逆變器的DSP控制采用了諧波校正算法。如圖2所示：先對UPS脈寬調(diào)制逆變器的輸出進行采樣，并在負反饋環(huán)路中將其轉(zhuǎn)換為有效電壓。對逆變器的實際輸出與軟件提供的有效參考值進行比較后產(chǎn)生一個誤差電壓，將該誤差電壓通過比例積分控制來消除穩(wěn)態(tài)誤差的引入，再將其結(jié)果為誤差補償信號，然后從該誤差補償信號中減去諧波失真信號，最后將所得的結(jié)果作為PWM逆變器的輸入信號。

上面所提到的諧波失真校正信號是在負反饋回路中產(chǎn)生的。DSP在輸出電壓波形中檢測諧波失真信號，并確定諧波元件實部和虛部的幅值。此過程是用來消除5次諧波的，但是如果諧波頻率低于采樣頻率的一半時，該諧波也會以同樣的過程被消除。



圖2　　DSP控制的UPS系統(tǒng)方框圖




然后在比例積分補償器中應(yīng)用振幅元件來產(chǎn)生諧波失真校正信號，它基本上消除了輸出波形的諧波失真。再從誤差補償信號中減去合成的諧波失真校正信號，將其結(jié)果輸入PWM逆變器，從而產(chǎn)生一個基本上沒有諧波失真的輸出電壓波形。DSP控制的逆變器和諧波調(diào)節(jié)器能夠在變化的非線性負載條件下工作以提供正弦負載電壓。
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4 實驗結(jié)果

UPS非線性負載的諧波消除實驗是在一臺1kVA系統(tǒng)上進行的，該實驗采用了德州儀器公司的DSP TMS320C25作為控制芯片，所使用的UPS系統(tǒng)是IPM公司的增強型平衡功率（BP）逆變器的原型。圖3 ~ 7表明了采用DSP TMS320C25后的UPS系統(tǒng)性能。各圖均為輸出電壓和電流的時域波形以及輸出電壓的頻譜。



圖3 無諧波調(diào)節(jié)器作用時的UPS工作情況 圖4　5次諧波調(diào)節(jié)器單獨作用時UPS工作情況



圖5　7次諧波調(diào)節(jié)器單獨作用時UPS工作情況圖6　5次和7次諧波調(diào)節(jié)器同時作用時UPS工作情況



圖7　5次諧波無緣濾波器作用時的UPS工作情況表1　　UPS工作條件

表1所列出的是UPS在每幅圖中不同的工作條件。圖3所示為UPS在沒有任何諧波調(diào)節(jié)器時的工作情況。由于諧波電流從非線性整流型負載注入，所以UPS輸出電壓波形產(chǎn)生畸變且主要包含5次和7次諧波。

圖4和圖5分別顯示了5次和7次諧波調(diào)節(jié)器單獨工作時的情況。表1給出了當每一諧波調(diào)節(jié)器分別工作時電壓THD的微小變化，這是因為在消除一個諧波的同時就會引起未補償諧波幅值的增加。圖4中電流THD的顯著增加是由于在現(xiàn)有負載工作條件下電流是不連續(xù)的。

圖6所示為5次和7次諧波調(diào)節(jié)器同時工作時的標準BP

UPS的工作情況。此時可以得到無諧波失真的正弦電壓波形，并且可以看到電壓THD的顯著降低。最后在圖7中給出了伴有5次諧波無緣濾波器的UPS工作情況。由于沒有諧波調(diào)節(jié)器，因此圖7中的正弦電壓波形的品質(zhì)比圖6中的明顯降低了。

5 結(jié)語

本文討論了UPS系統(tǒng)的控制方法，重點分析了DSP控制的UPS逆變器和諧波調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 DSP控制的UPS系統(tǒng)使用了軟件控制的諧波調(diào)節(jié)器，它能夠動態(tài)地適應(yīng)變化的負載條件，并對負載諧波進行自動補償。實驗結(jié)果表明，對于大功率UPS系統(tǒng)中非線性負載所產(chǎn)生的諧波失真，能夠通過基于DSP控制的諧波調(diào)節(jié)器有效地進行消除，從而得到無諧波失真的輸出電壓波形。