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基于DSP控制技術(shù)的逆變器諧波失真消除

   2012年04月25日 17:36  
  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zui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zui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,zui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。
  
  由于元件的老化和無補(bǔ)償熱飄移,模擬元件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也存在著問題。若不進(jìn)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(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)并zui終導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。另外,還必須為每一個(gè)單獨(dú)的UPS模式進(jìn)行固定的模擬控制設(shè)計(jì),而每一個(gè)新的UPS模式又要求重新設(shè)計(jì)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(jí)。
  
  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(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;zui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DSPTMS320C25。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),zui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2DSP控制的UPS系統(tǒng)方框圖
  
  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?gòu)恼`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。
  
  4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
  
  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DSPTMS320C25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DSPTMS320C25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45次諧波調(diào)節(jié)器單獨(dú)作用時(shí)UPS工作情況
  
  圖57次諧波調(diào)節(jié)器單獨(dú)作用時(shí)UPS工作情況圖65次和7次諧波調(diào)節(jié)器同時(shí)作用時(shí)UPS工作情況
  
  圖75次諧波無緣濾波器作用時(shí)的UPS工作情況表1UPS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。zui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(yǔ)
  
  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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