基于DSP控制的在线式UPS整流技术

1  概述

　　PWM 前端控制整流由于具有直流电压的变化，输入功率因数校正（ PFC） 和输入电流谐波控制的能力等优点， 被广泛用于三相交直交电压系统。由前端整流器、直流电容， 以及逆变器组成的三相交直交电压系统广泛用于在线式UPS .基于DSP 控制的在线式UPS 的结构图如图1 所示。

图1  基于DSP 控制的在线式UPS 的结构图

　　图1 中，主电路由输入变压器、输入滤波电路、电压和电流检测电路、蓄电池、功率电路、输出滤波电路和静态开关等组成。其中功率电路包括三个部分， 即输入的PFC、三相全桥逆变器、DC/ DC 部分。电路信号采用TMS320C2812 控制。该控制器是T I 软件公司开发的， 可方便地进行汇编， 执行控制程序和错误检查。一般PFC 升压整流控制器通常有两个反馈回路，外部电压环路和内在电流环路。电压调节器产生电流控制的d 轴电流， 而在q 轴电流控制是零的单位功率因数， 其控制如图2 所示。

图2  带负载功率反馈的传统PWM控制系统

　　在正常工作条件下， 稳压器输出稳定的直流母线电压和d 轴电流控制， 但是逆变器负荷不均衡， 就会产生波动的直流电压， 因此整流器在不平衡负载下会造成前端总谐波失真（ THD） 的输入电流。

　　相关研究表明直流电压滤波问题所造成的原因是由于不平衡的逆变器的负载电流和不平衡的输入电压造成的， 然而， 他们的控制目标不是提高电能质量的投入， 而是尽量减少直流环节电压。

　　一些研究人员已用开关函数概念的电力转换器，显示存在的谐波直流母线电压。本文将用这些已量化的工程来处理谐波波动问题， 仿真和实验结果将有效地证明本文提出的新型控制技术。

2  系统分析

　　一个标准的基于DSP 控制在线式UPS 系统如图3 所示。系统由推动型的前端整流器、直流链接、电压源逆变器构成。这两个功率转换器使用标准的空间矢量PWM 控制， 产生快速电压调节与总谐波失真最小化控制逆变器。

图3  基于DSP 控制的三相整流逆变控制系统模型

　　影响负载平衡分析如下。该逆变器的输入：

　　式中， SA , S B 和SC 是交换功能的交换机顶端的三个逆变器的开关， 如下：

　　扩大这些功能交换， 假设标准正弦相位电流如下：

　　式中， A K是k 阶的组成部分。AK ≡0 的所有三角变换后， 可以得出：

　　式中， I inv0是直流分量的逆变器输入电流； I invn 是n 阶部分的电流。通过公式（ 4） 可看到， I outA = I outB = I outC和ΦA=  ΦB=  ΦC , 同时有I invn = 0, 如果n> 0 三相负载电流是平衡的。否则， 交流成分存在会造成连锁反应。

由公式（ 4） 可以得出， 考虑到固定的三相电流， I inv0 仅正比A 1 , I inv2是一个关于A 1的线性组合， A3 I inv4 和A3A5是一个线性组合， 等等。在低频率范围内， 由于Ak  ≡0 所以I inv0= 0.

　　根据标准空间矢量PWM , 各次谐波的算法：

　　式中， q= 0, 1, 2,   ……∝；ω m 是调制频率；  ωc 是载波频率； ωm ≤ωc ,  a是调制指数； J v （ z） 是第一类Bessel 函数。公式（ 5） 只适用于频率范围远远低于载波频率， 此时在一次波段的载波频率可以忽略不计。在本文的系统研究中，  m /  c= 1/ 90 适用于规定计算， 并假设调制指数：

　　二次谐波会导致不平衡的前端三相输入电流。抑制二次谐波直流电压， 不会解决当前不平衡的问题， 因为目前仍然是不稳定的控制策略， 提出了要消除失控，但有第二次谐波分量和反馈。