DSP控制的UPS逆變器的諧波調(diào)節(jié)系統(tǒng)失真的消除
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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(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)一種采用了復(fù)雜的大規(guī)模無(wú)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(guò)一個(gè)1KVA系統(tǒng)驗(yàn)證了該控制方案的正確性。
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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)載引起，當(dāng)過(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)說(shuō)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(lái)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(lái)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(guò)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(cè)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(wàn)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(guò)高速計(jì)算來(lái)產(chǎn)生PWM轉(zhuǎn)換控制的輸出值。使用DSP來(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)比例積分控制來(lái)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(cè)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(guò)程是用來(lái)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(guò)程被消除。
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(wàn)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(guò)高速計(jì)算來(lái)產(chǎn)生PWM轉(zhuǎn)換控制的輸出值。使用DSP來(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)比例積分控制來(lái)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(cè)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(guò)程是用來(lái)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(guò)程被消除。
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