基于DSP控制技术的逆变器谐波失真消除

1 引言

随着数字处理系统应用的快速发展，许多设备，如报警系统，健康护理设备和安全照明设备等对高品质不间断电源的需求也就随之增加。而且随着高频静态功率变换器的广泛使用，包括临界载荷在内的许多电力负载都成为了非线性的，并将产生谐波。因此，必须应用附加谐波滤波技术来保证UPS逆变器有高品质的正弦输出电压。

一台典型的在线式UPS系统框图如图1所示，它主要是由以下几部分组成：整流滤波电路、充电器、逆变器、输出变压器及滤波路、静态开关、充电电路、蓄电池组和控制监测、显示告警及保护电路。其中最主要的部分就是由整流器提供存储能量的蓄电池组和把直流电压转换成正弦交流输出的逆变器。由于与输出相连接的非线性负载的影响，使得UPS的输出电压产生谐波失真，难以达到设备对高品质正弦输出电压的要求。



图1　典型在线式UPS的系统框图

UPS转换开关的控制对减小输出电压谐波含量来说是至关重要的。而控制转换开关的难点在于滤波器的输出阻抗。因而人们想提供一个近似于零阻抗的转换级，使它能在理论上产生接近于零失真的正弦输出电压，并且不受负载条件的影响。虽然通过高频转换开关可以实现极低的输出滤波阻抗，然而在大功率应用中（如功率大于20kVA），由于转换频率被限定在1-2kHz，它便不能降低滤波器输出阻抗了。因此，现代UPS系统通过一种采用了复杂的大规模无源元件的滤波方案使逆变器输出电压的谐波含量达到最小。另外，许多PWM技术已经成功地应用于补偿滤波器的输出阻抗和降低输出电压的失真。

本文介绍了UPS系统非线性负载的实时DSP控制 ，讨论了采用DSP控制的优点，并对DSP控制的UPS逆变器和谐波调节系统进行了分析，最后通过一个1KVA系统验证了该控制方案的正确性。

2 逆变系统的分析及模拟控制

现代UPS系统使用PWM逆变器来产生单相或三相交。整流器将单相或三相交流输入转化成直流输入，这不仅向逆变器提供了能量，而且使蓄电池组保持满载。当市电正常而直流-交流逆变器出现故障或输出过载时，UPS工作在旁路状态，静态转换开关切换到市电端，由市电直接给负载供电。如果静态开关的转换是由于逆变器故障引起，UPS会发出报警信号；如果是由于过载引起，当过载消失后，静态开关重新切换回逆变器端。

PWM使用模拟信号来调制脉冲的宽度，脉冲的持续时间与模拟信号在此时刻的调制幅度成正比。因为大多数的电力负载都是非线性的，并且还向UPS中注入谐波电流，因此必须采用附加谐波滤波技术，同时必须考虑到逆变器对它输出交流波形的瞬时控制，从而把谐波失真降低到容许的程度。通过使用高速反馈环路可以实现对PWM逆变器的控制，在反馈回路中对实际的输出波形与参考正弦波形进行比较，用两者的误差来修正双极性晶体管产生的用PWM表示的正弦波。

采用模拟控制的UPS系统，对UPS的生产者和用户来说都存在着许多潜在的缺陷。模拟控制需要大量的分离元件和电路板，从而导致元件数目多、硬件成本高。另外，因为这些元件必须一起共同工作，所以需要大量的连线来实现对这些模拟元件的控制。这些问题都易使元件磨损或发生间歇失效，而且一旦发生故障，其定位和维修都是相当困难的。另外有的模拟元件，例如电位计，必须用手工来校正，导致效率低、精度差。
由于元件的老化和无补偿热飘移，模拟元件的长期稳定性也存在着问题。若不进行每年专门的定期检修和重新校正，这些问题将使UPS的元件参数和输出达不到标准并最终导致系统性能下降。另外，还必须为每一个单独的UPS模式进行固定的模拟控制设计，而每一个新的UPS模式又要求重新设计并重新生产控制系统。如果没有硬件上的变化，UPS也同样得不到升级。

为了提高用户界面和通信能力，早在80年代UPS的设计者们就将目光转向了微处理器。当通过模/数转换器把微处理器连接到模拟控制系统时，它便能够采集操作数据并且将它们传送到数字显示屏上。另外，微处理器的机载存储器存有监测模拟控制系统和控制UPS功率级操作范围的参考值。然而，由于微处理器缺乏高频转换控制时所要求的计算速度，这些由微处理器辅助的UPS系统仍然依靠模拟运放控制。

为了获得对UPS系统的实时数字控制，设计者们又看中了高速的数字信号处理器（DSP），它能够每秒钟执行大约3千万条指令。在工作时，DSP把软件提供的参考信号与逆变器的实际显示值进行比较，然后通过高速计算来产生PWM转换控制的输出值。使用DSP来取代模拟线路有许多优点，其中包括不受元件老化和温度飘移的影响而具有稳定的系统参数；另外，对控制系统的升级可以仅通过软件而不对硬件进行任何改变。UPS的操作信息也能够通过调制解调器进行远程存取，再进行工作参数的调整以及基于软件的维修；最后，由于DSP的自我校正和远程服务特点，使得维修费用更加的低廉。

3 逆变系统的DSP控制及谐波校正算法

UPS系统的大多数电力负载都是非线性的，因此所产生的谐波电流必须在逆变器的输出中进行滤波，从而把谐波失真降低到容许的程度。DSP控制的UPS系统采用了软件控制的谐波调节器，它可以动态的适应负载条件的变化，并且不用手动就可以对负载谐波进行自动补偿。这样，即使在非线性负载变化的条件下，对于使用了DSP的复杂信号处理的操作，也能够提供正弦负载电压，同时也避免了对大规模无缘滤波器的使用。

增强型平衡功率（BP）UPS系统采用了德州仪器公司的DSP TMS320C25。BP

逆变器的DSP控制采用了谐波校正算法。如图2所示：先对UPS脉宽调制逆变器的输出进行采样，并在负反馈环路中将其转换为有效电压。对逆变器的实际输出与软件提供的有效参考值进行比较后产生一个误差电压，将该误差电压通过比例积分控制来消除稳态误差的引入，再将其结果为误差补偿信号，然后从该误差补偿信号中减去谐波失真信号，最后将所得的结果作为PWM逆变器的输入信号。

上面所提到的谐波失真校正信号是在负反馈回路中产生的。DSP在输出电压波形中检测谐波失真信号，并确定谐波元件实部和虚部的幅值。此过程是用来消除5次谐波的，但是如果谐波频率低于采样频率的一半时，该谐波也会以同样的过程被消除。



图2　　DSP控制的UPS系统方框图




然后在比例积分补偿器中应用振幅元件来产生谐波失真校正信号，它基本上消除了输出波形的谐波失真。再从误差补偿信号中减去合成的谐波失真校正信号，将其结果输入PWM逆变器，从而产生一个基本上没有谐波失真的输出电压波形。DSP控制的逆变器和谐波调节器能够在变化的非线性负载条件下工作以提供正弦负载电压。
4 实验结果

UPS非线性负载的谐波消除实验是在一台1kVA系统上进行的，该实验采用了德州仪器公司的DSP TMS320C25作为控制芯片，所使用的UPS系统是IPM公司的增强型平衡功率（BP）逆变器的原型。图3 ~ 7表明了采用DSP TMS320C25后的UPS系统性能。各图均为输出电压和电流的时域波形以及输出电压的频谱。



图3 无谐波调节器作用时的UPS工作情况 图4　5次谐波调节器单独作用时UPS工作情况



图5　7次谐波调节器单独作用时UPS工作情况图6　5次和7次谐波调节器同时作用时UPS工作情况



图7　5次谐波无缘滤波器作用时的UPS工作情况表1　　UPS工作条件

表1所列出的是UPS在每幅图中不同的工作条件。图3所示为UPS在没有任何谐波调节器时的工作情况。由于谐波电流从非线性整流型负载注入，所以UPS输出电压波形产生畸变且主要包含5次和7次谐波。

图4和图5分别显示了5次和7次谐波调节器单独工作时的情况。表1给出了当每一谐波调节器分别工作时电压THD的微小变化，这是因为在消除一个谐波的同时就会引起未补偿谐波幅值的增加。图4中电流THD的显著增加是由于在现有负载工作条件下电流是不连续的。

图6所示为5次和7次谐波调节器同时工作时的标准BP

UPS的工作情况。此时可以得到无谐波失真的正弦电压波形，并且可以看到电压THD的显著降低。最后在图7中给出了伴有5次谐波无缘滤波器的UPS工作情况。由于没有谐波调节器，因此图7中的正弦电压波形的品质比图6中的明显降低了。

5 结语

本文讨论了UPS系统的控制方法，重点分析了DSP控制的UPS逆变器和谐波调节系统。 DSP控制的UPS系统使用了软件控制的谐波调节器，它能够动态地适应变化的负载条件，并对负载谐波进行自动补偿。实验结果表明，对于大功率UPS系统中非线性负载所产生的谐波失真，能够通过基于DSP控制的谐波调节器有效地进行消除，从而得到无谐波失真的输出电压波形。