DSP控制的UPS逆變器的諧波調節系統失真的消除
圖1 典型在線(xiàn)式UPS的系統框圖
UPS轉換開(kāi)關(guān)的控制對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)生接近于零失真的正弦輸出電壓,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系統通過(guò)一種采用了復雜的大規模無(wú)源元件的濾波方案使逆變器輸出電壓的諧波含量達到最小。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)DSP控制,討論了采用DSP控制的優(yōu)點(diǎn),并對DSP控制的UPS逆變器和諧波調節系統進(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。
本文介紹了UPS系統非線(xiàn)性負載的實(shí)時(shí)DSP控制,討論了采用DSP控制的優(yōu)點(diǎn),并對DSP控制的UPS逆變器和諧波調節系統進(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調節器,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)消除穩態(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)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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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調節器,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)消除穩態(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)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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