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，如報警系統(tǒng)，健康護理設(shè)備和安全照明設(shè)備等對高品質(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、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(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)的難點在于濾波器的輸出阻抗。因而人們想提供一個近似于零阻抗的轉(zhuǎn)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(fù)載條件的影響。雖然通過高頻轉(zhuǎn)換開關(guān)可以實現(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)到最小。另外，許多PWM技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)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(tǒng)非線性負(fù)載的實時DSP控制 ，討論了采用DSP控制的優(yōu)點，并對DSP控制的UPS逆變器和諧波調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行了分析，最后通過一個1KVA系統(tǒng)驗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，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會發(fā)出報警信號；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使用模擬信號來調(diào)制脈沖的寬度，脈沖的持續(xù)時間與模擬信號在此時刻的調(diào)制幅度成正比。因為大多數(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)，同時必須考慮到逆變器對它輸出交流波形的瞬時控制，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)路可以實現(xiàn)對PWM逆變器的控制，在反饋回路中對實際的輸出波形與參考正弦波形進行比較，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，因為這些元件必須一起共同工作，所以需要大量的連線來實現(xiàn)對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，必須用手工來校正，導(dǎo)致效率低、精度差。