DSP控制的UPS逆變器的諧波調(diào)節(jié)系統(tǒng)介紹
[導(dǎo)讀]DSP控制的UPS逆變器的諧波調(diào)節(jié)系統(tǒng)介紹
一臺(tái)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(hù)電路。其中最主要的部分就是由整流器提供存儲(chǔ)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(fù)載的影響，使得UPS的輸出電壓產(chǎn)生諧波失真，難以達(dá)到設(shè)備對(duì)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(duì)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(diǎn)在于濾波器的輸出阻抗。因而人們想提供一個(gè)近似于零阻抗的轉(zhuǎn)換級(jí)，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(fù)載條件的影響。雖然通過高頻轉(zhuǎn)換開關(guān)可以實(shí)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(fù)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(dá)到最小。另外，許多PWM技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于補(bǔ)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(fù)載的實(shí)時(shí)DSP控制，討論了采用DSP控制的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)DSP控制的UPS逆變器和諧波調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，最后通過一個(gè)1KVA系統(tǒng)驗(yàn)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(dāng)市電正常而直流-交流逆變器出現(xiàn)故障或輸出過載時(shí)，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(fù)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(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；如果是由于過載引起，當(dāng)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(hào)來調(diào)制脈沖的寬度，脈沖的持續(xù)時(shí)間與模擬信號(hào)在此時(shí)刻的調(diào)制幅度成正比。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的電力負(fù)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(shí)必須考慮到逆變器對(duì)它輸出交流波形的瞬時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)PWM逆變器的控制，在反饋回路中對(duì)實(shí)際的輸出波形與參考正弦波形進(jìn)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(duì)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(dǎo)致元件數(shù)目多、硬件成本高。另外，因?yàn)檫@些元件必須一起共同工作，所以需要大量的連線來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dāng)困難的。另外有的模擬元件，例如電位計(jì)，必須用手工來校正，導(dǎo)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(shè)計(jì)者們就將目光轉(zhuǎn)向了微處理器。當(dāng)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(shí)，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(jī)載存儲(chǔ)器存有監(jiān)測模擬控制系統(tǒng)和控制UPS功率級(jí)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(shí)所要求的計(jì)算速度，這些由微處理器輔助的UPS系統(tǒng)仍然依靠模擬運(yùn)放控制。
為了獲得對(duì)UPS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)字控制，設(shè)計(jì)者們又看中了高速的數(shù)字信號(hào)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(shí)，DSP把軟件提供的參考信號(hào)與逆變器的實(shí)際顯示值進(jìn)行比較，然后通過高速計(jì)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(diǎn)，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(duì)控制系統(tǒng)的升級(jí)可以僅通過軟件而不對(duì)硬件進(jìn)行任何改變。UPS的操作信息也能夠通過調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行遠(yuǎn)程存取，再進(jìn)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(yuǎn)程服務(wù)特點(diǎn)，使得維修費(fèi)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(fù)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(jìn)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(dòng)態(tài)的適應(yīng)負(fù)載條件的變化，并且不用手動(dòng)就可以對(duì)負(fù)載諧波進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。這樣，即使在非線性負(fù)載變化的條件下，對(duì)于使用了DSP的復(fù)雜信號(hào)處理的操作，也能夠提供正弦負(fù)載電壓，同時(shí)也避免了對(duì)大規(guī)模無緣濾波器的使用。
增強(qiáng)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(duì)UPS脈寬調(diào)制逆變器的輸出進(jìn)行采樣，并在負(fù)反饋環(huán)路中將其轉(zhuǎn)換為有效電壓。對(duì)逆變器的實(shí)際輸出與軟件提供的有效參考值進(jìn)行比較后產(chǎn)生一個(gè)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(bǔ)償信號(hào)，然后從該誤差補(bǔ)償信號(hào)中減去諧波失真信號(hào)，最后將所得的結(jié)果作為PWM逆變器的輸入信號(hào)。上面所提到的諧波失真校正信號(hào)是在負(fù)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(hào)，并確定諧波元件實(shí)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(shí)，該諧波也會(huì)以同樣的過程被消除。
圖2 DSP控制的UPS系統(tǒng)方框圖[!--empirenews.page--]
然后在比例積分補(bǔ)償器中應(yīng)用振幅元件來產(chǎn)生諧波失真校正信號(hào)，它基本上消除了輸出波形的諧波失真。再從誤差補(bǔ)償信號(hào)中減去合成的諧波失真校正信號(hào)，將其結(jié)果輸入PWM逆變器，從而產(chǎn)生一個(gè)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(fù)載條件下工作以提供正弦負(fù)載電壓。
UPS非線性負(fù)載的諧波消除實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)1kVA系統(tǒng)上進(jìn)行的，該實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)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(shí)的UPS工作情況 圖4 5次諧波調(diào)節(jié)器單獨(dú)作用時(shí)UPS工作情況
圖5 7次諧波調(diào)節(jié)器單獨(dú)作用時(shí)UPS工作情況 圖6 5次和7次諧波調(diào)節(jié)器同時(shí)作用時(shí)UPS工作情況
圖7 5次諧波無緣濾波器作用時(shí)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(shí)的工作情況。由于諧波電流從非線性整流型負(fù)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(dú)工作時(shí)的情況。表1給出了當(dāng)每一諧波調(diào)節(jié)器分別工作時(shí)電壓THD的微小變化，這是因?yàn)樵谙粋€(gè)諧波的同時(shí)就會(huì)引起未補(bǔ)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(fù)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(shí)工作時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)BP UPS的工作情況。此時(shí)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(diǎn)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(dòng)態(tài)地適應(yīng)變化的負(fù)載條件，并對(duì)負(fù)載諧波進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于大功率UPS系統(tǒng)中非線性負(fù)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(jìn)行消除，從而得到無諧波失真的輸出電壓波形。
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