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