DSP控制的UPS逆變器的諧波調節系統失真的消除

2020-11-22 電子產品世界

UPS轉換開關的

控制

對減小輸出電壓

諧波

含量來說是至關重要的。而

控制

轉換開關的難點在於濾波器的輸出阻抗。因而人們想提供一個近似於零阻抗的轉換級，使它能在理論上產生接近於零失

真的

正弦輸出電壓，並且不受負載條件的影響。雖然通過高頻轉換開關可以實現極低的輸出濾波阻抗，然而在大功率應用中（如功率大於20kVA），由於轉換頻率被限定在1-2kHz，它便不能降低濾波器輸出阻抗了。因此，現代UPS

系統

通過一種採用了複雜的大規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技術已經成功地應用於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系統非線性負載的實時

DSP

控制，討論了採用

DSP

控制的優點，並對

DSP

控制的UPS逆變器和諧波

調節

系統進行了分析，最後通過一個1KVA系統驗證了該控制方案的正確性。

2 逆變系統的分析及模擬控制

現代UPS系統使用PWM逆變器來產生單相或三相交。整流器將單相或三相交流輸入轉化成直流輸入，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-交流逆變器出現故障或輸出過載時，UPS工作在旁路狀態，靜態轉換開關切換到市電端，由市電直接給負載供電。如果靜態開關的轉換是由於逆變器故障引起，UPS會發出報警信號；如果是由於過載引起，當過載消失後，靜態開關重新切換回逆變器端。

PWM使用模擬信號來調製脈衝的寬度，脈衝的持續時間與模擬信號在此時刻的調製幅度成正比。因為大多數的電力負載都是非線性的，並且還向UPS中注入諧波電流，因此必須採用附加諧波濾波技術，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路可以實現對PWM逆變器的控制，在反饋迴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電晶體產生的用PWM表示的正弦波。

採用模擬控制的UPS系統，對UPS的生產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，從而導致元件數目多、硬體成本高。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對這些模擬元件的控制。這些問題都易使元件磨損或發生間歇失效，而且一旦發生故障，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。

為了提高用戶界面和通信能力，早在80年代UPS的設計者們就將目光轉向了微處理器。當通過模/數轉換器把微處理器連接到模擬控制系統時，它便能夠採集操作數據並且將它們傳送到數字顯示屏上。另外，微處理器的機載存儲器存有監測模擬控制系統和控制UPS功率級操作範圍的參考值。然而，由於微處理器缺乏高頻轉換控制時所要求的計算速度，這些由微處理器輔助的UPS系統仍然依靠模擬運放控制。

為了獲得對UPS系統的實時數字控制，設計者們又看中了高速的數位訊號處理器（DSP），它能夠每秒鐘執行大約3千萬條指令。在工作時，DSP把軟體提供的參考信號與逆變器的實際顯示值進行比較，然後通過高速計算來產生PWM轉換控制的輸出值。使用DSP來取代模擬線路有許多優點，其中包括不受元件老化和溫度飄移的影響而具有穩定的系統參數；另外，對控制系統的升級可以僅通過軟體而不對硬體進行任何改變。UPS的操作信息也能夠通過數據機進行遠程存取，再進行工作參數的調整以及基於軟體的維修；最後，由於DSP的自我校正和遠程服務特點，使得維修費用更加的低廉。

3 逆變系統的DSP控制及諧波校正算法

UPS系統的大多數電力負載都是非線性的，因此所產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系統採用了軟體控制的諧波

調節

器，它可以動態的適應負載條件的變化，並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，對於使用了DSP的複雜信號處理的操作，也能夠提供正弦負載電壓，同時也避免了對大規模無緣濾波器的使用。

增強型平衡功率（BP）UPS系統採用了

德州儀器

公司的DSP TMS320C25。BP逆變器的DSP控制採用了諧波校正算法。如圖2所示：先對UPS脈寬調製逆變器的輸出進行採樣，並在負反饋環路中將其轉換為有效電壓。對逆變器的實際輸出與軟體提供的有效參考值進行比較後產生一個誤差電壓，將該誤差電壓通過比例積分控制來

消除

穩態誤差的引入，再將其結果為誤差補償信號，然後從該誤差補償信號中減去諧波失真信號，最後將所得的結果作為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迴路中產生的。DSP在輸出電壓波形中檢測諧波失真信號，並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於採樣頻率的一半時，該諧波也會以同樣的過程被

消除

。

圖2　　DSP控制的UPS系統方框圖


技術專區

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