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(bào)警系統(tǒng)，健康護(hù)理設(shè)備和安全照明設(shè)備等對(duì)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(fù)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(lái)保證UPS逆變器有高品質(zhì)的正弦輸出電壓。

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(kāi)關(guān)、充電電路、蓄電池組和控制監(jiān)測(cè)、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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。

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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wèn)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。