基于DSP控制技術的逆變器諧波失真消除

1 引言

隨著數字處理系統應用的快速發展，許多設備，如報警系統，健康護理設備和安全照明設備等對高品質不間斷電源的需求也就隨之增加。而且隨著高頻靜態功率變換器的廣泛使用，包括臨界載荷在內的許多電力負載都成為了非線性的，并將產生諧波。因此，必須應用附加諧波濾波技術來保證UPS逆變器有高品質的正弦輸出電壓。

一臺典型的在線式UPS系統框圖如圖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、靜態開關、充電電路、蓄電池組和控制監測、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逆變器。由于與輸出相連接的非線性負載的影響，使得UPS的輸出電壓產生諧波失真，難以達到設備對高品質正弦輸出電壓的要求。



圖1　典型在線式UPS的系統框圖

UPS轉換開關的控制對減小輸出電壓諧波含量來說是至關重要的。而控制轉換開關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換級，使它能在理論上產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。雖然通過高頻轉換開關可以實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系統通過一種采用了復雜的大規模無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技術已經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系統非線性負載的實時DSP控制 ，討論了采用DSP控制的優點，并對DSP控制的UPS逆變器和諧波調節系統進行了分析，最后通過一個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逆變器來產生單相或三相交。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載。當市電正常而直流-交流逆變器出現故障或輸出過載時，UPS工作在旁路狀態，靜態轉換開關切換到市電端，由市電直接給負載供電。如果靜態開關的轉換是由于逆變器故障引起，UPS會發出報警信號；如果是由于過載引起，當過載消失后，靜態開關重新切換回逆變器端。

PWM使用模擬信號來調制脈沖的寬度，脈沖的持續時間與模擬信號在此時刻的調制幅度成正比。因為大多數的電力負載都是非線性的，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，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路可以實現對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來實現對這些模擬元件的控制。這些問題都易使元件磨損或發生間歇失效，而且一旦發生故障，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，必須用手工來校正，導致效率低、精度差。