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DSP控制的UPS逆變器的諧波調節系統失真的消除

作者: 時(shí)間:2010-07-05 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏
一臺典型的在線(xiàn)式框圖如圖1所示,它主要是由以下幾部分組成:整流濾波電路、充電器、、輸出變壓器及濾波路、靜態(tài)開(kāi)關(guān)、充電電路、蓄電池組和監測、顯示告警及保護電路。其中最主要的部分就是由整流器提供存儲能量的蓄電池組和把直流電壓轉換成正弦交流輸出的。由于與輸出相連接的非線(xiàn)性負載的影響,使得的輸出電壓產(chǎn)生失真,難以達到設備對高品質(zhì)正弦輸出電壓的要求。

圖1 典型在線(xiàn)式框圖
UPS轉換開(kāi)關(guān)的對減小輸出電壓含量來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。而轉換開(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)近似于零阻抗的轉換級,使它能在理論上產(chǎn)生接近于零失正弦輸出電壓,并且不受負載條件的影響。雖然通過(guò)高頻轉換開(kāi)關(guān)可以實(shí)現極低的輸出濾波阻抗,然而在大功率應用中(如功率大于20kVA),由于轉換頻率被限定在1-2kHz,它便不能降低濾波器輸出阻抗了。因此,現代UPS通過(guò)一種采用了復雜的大規模無(wú)源元件的濾波方案使輸出電壓的含量達到最小。另外,許多PWM技術(shù)已經(jīng)成功地應用于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(xiàn)性負載的實(shí)時(shí)控制,討論了采用控制的優(yōu)點(diǎn),并對控制的UPS逆變器和諧波系統進(jìn)行了分析,最后通過(guò)一個(gè)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(lái)產(chǎn)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(mǎn)載。當市電正常而直流-交流逆變器出現故障或輸出過(guò)載時(shí),UPS工作在旁路狀態(tài),靜態(tài)轉換開(kāi)關(guān)切換到市電端,由市電直接給負載供電。如果靜態(tài)開(kāi)關(guān)的轉換是由于逆變器故障引起,UPS會(huì )發(fā)出報警信號;如果是由于過(guò)載引起,當過(guò)載消失后,靜態(tài)開(kāi)關(guān)重新切換回逆變器端。
PWM使用模擬信號來(lái)調制脈沖的寬度,脈沖的持續時(shí)間與模擬信號在此時(shí)刻的調制幅度成正比。因為大多數的電力負載都是非線(xiàn)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)現對PWM逆變器的控制,在反饋回路中對實(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,對UPS的生產(chǎn)者和用戶(hù)來(lái)說(shuō)都存在著(zhù)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、硬件成本高。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(xiàn)來(lái)實(shí)現對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困難的。另外有的模擬元件,例如電位計,必須用手工來(lái)校正,導致效率低、精度差。
為了提高用戶(hù)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(guò)模/數轉換器把微處理器連接到模擬控制系統時(shí),它便能夠采集操作數據并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功率級操作范圍的參考值。然而,由于微處理器缺乏高頻轉換控制時(shí)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(shí)時(shí)數字控制,設計者們又看中了高速的數字信號處理器(DSP),它能夠每秒鐘執行大約3千萬(wàn)條指令。在工作時(shí),DSP把軟件提供的參考信號與逆變器的實(shí)際顯示值進(jìn)行比較,然后通過(guò)高速計算來(lái)產(chǎn)生PWM轉換控制的輸出值。使用DSP來(lái)取代模擬線(xiàn)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定的系統參數;另外,對控制系統的升級可以?xún)H通過(guò)軟件而不對硬件進(jìn)行任何改變。UPS的操作信息也能夠通過(guò)調制解調器進(jìn)行遠程存取,再進(jìn)行工作參數的調整以及基于軟件的維修;最后,由于DSP的自我校正和遠程服務(wù)特點(diǎn),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(xiàn)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系統采用了軟件控制的諧波器,它可以動(dòng)態(tài)的適應負載條件的變化,并且不用手動(dòng)就可以對負載諧波進(jìn)行自動(dòng)補償。這樣,即使在非線(xiàn)性負載變化的條件下,對于使用了DSP的復雜信號處理的操作,也能夠提供正弦負載電壓,同時(shí)也避免了對大規模無(wú)緣濾波器的使用。

增強型平衡功率(BP)UPS系統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UPS脈寬調制逆變器的輸出進(jìn)行采樣,并在負反饋環(huán)路中將其轉換為有效電壓。對逆變器的實(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)穩態(tài)誤差的引入,再將其結果為誤差補償信號,然后從該誤差補償信號中減去諧波失真信號,最后將所得的結果作為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回路中產(chǎn)生的。DSP在輸出電壓波形中檢測諧波失真信號,并確定諧波元件實(shí)部和虛部的幅值。此過(guò)程是用來(lái)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。

圖2  DSP控制的UPS系統方框圖
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