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。

    由于元件的老化和無補償熱飄移，模擬元件的長期穩(wěn)定性也存在著問題。若不進行每年專門的定期檢修和重新校正，這些問題將使UPS的元件參數(shù)和輸出達不到標準并最終導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。另外，還必須為每一個單獨的UPS模式進行固定的模擬控制設(shè)計，而每一個新的UPS模式又要求重新設(shè)計并重新生產(chǎn)控制系統(tǒng)。如果沒有硬件上的變化，UPS也同樣得不到升級。
    為了提高用戶界面和通信能力，早在80年代UPS的設(shè)計者們就將目光轉(zhuǎn)向了微處理器。當(dāng)通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把微處理器連接到模擬控制系統(tǒng)時，它便能夠采集操作數(shù)據(jù)并且將它們傳送到數(shù)字顯示屏上。另外，微處理器的機載存儲器存有監(jiān)測模擬控制系統(tǒng)和控制UPS功率級操作范圍的參考值。然而，由于微處理器缺乏高頻轉(zhuǎn)換控制時所要求的計算速度，這些由微處理器輔助的UPS系統(tǒng)仍然依靠模擬運放控制。
    為了獲得對UPS系統(tǒng)的實時數(shù)字控制，設(shè)計者們又看中了高速的數(shù)字信號處理器（DSP），它能夠每秒鐘執(zhí)行大約3千萬條指令。在工作時，DSP把軟件提供的參考信號與逆變器的實際顯示值進行比較，然后通過高速計算來產(chǎn)生PWM轉(zhuǎn)換控制的輸出值。使用DSP來取代模擬線路有許多優(yōu)點，其中包括不受元件老化和溫度飄移的影響而具有穩(wěn)定的系統(tǒng)參數(shù)；另外，對控制系統(tǒng)的升級可以僅通過軟件而不對硬件進行任何改變。UPS的操作信息也能夠通過調(diào)制解調(diào)器進行遠程存取，再進行工作參數(shù)的調(diào)整以及基于軟件的維修；最后，由于DSP的自我校正和遠程服務(wù)特點，使得維修費用更加的低廉。
3 逆變系統(tǒng)的DSP控制及諧波校正算法
    UPS系統(tǒng)的大多數(shù)電力負載都是非線性的，因此所產(chǎn)生的諧波電流必須在逆變器的輸出中進行濾波，從而把諧波失真降低到容許的程度。DSP控制的UPS系統(tǒng)采用了軟件控制的諧波調(diào)節(jié)器，它可以動態(tài)的適應(yīng)負載條件的變化，并且不用手動就可以對負載諧波進行自動補償。這樣，即使在非線性負載變化的條件下，對于使用了DSP的復(fù)雜信號處理的操作，也能夠提供正弦負載電壓，同時也避免了對大規(guī)模無緣濾波器的使用。
    增強型平衡功率（BP）UPS系統(tǒng)采用了德州儀器公司的DSP TMS320C25。BP逆變器的DSP控制采用了諧波校正算法。如圖2所示：先對UPS脈寬調(diào)制逆變器的輸出進行采樣，并在負反饋環(huán)路中將其轉(zhuǎn)換為有效電壓。對逆變器的實際輸出與軟件提供的有效參考值進行比較后產(chǎn)生一個誤差電壓，將該誤差電壓通過比例積分控制來消除穩(wěn)態(tài)誤差的引入，再將其結(jié)果為誤差補償信號，然后從該誤差補償信號中減去諧波失真信號，最后將所得的結(jié)果作為PWM逆變器的輸入信號。上面所提到的諧波失真校正信號是在負反饋回路中產(chǎn)生的。DSP在輸出電壓波形中檢測諧波失真信號，并確定諧波元件實部和虛部的幅值。此過程是用來消除5次諧波的，但是如果諧波頻率低于采樣頻率的一半時，該諧波也會以同樣的過程被消除。

                       
                                                             圖2　　DSP控制的UPS系統(tǒng)方框圖

    然后在比例積分補償器中應(yīng)用振幅元件來產(chǎn)生諧波失真校正信號，它基本上消除了輸出波形的諧波失真。再從誤差補償信號中減去合成的諧波失真校正信號，將其結(jié)果輸入PWM逆變器，從而產(chǎn)生一個基本上沒有諧波失真的輸出電壓波形。DSP控制的逆變器和諧波調(diào)節(jié)器能夠在變化的非線性負載條件下工作以提供正弦負載電壓。

4 實驗結(jié)果
    UPS非線性負載的諧波消除實驗是在一臺1kVA系統(tǒng)上進行的，該實驗采用了德州儀器公司的DSP
TMS320C25作為控制芯片，所使用的UPS系統(tǒng)是IPM公司的增強型平衡功率（BP）逆變器的原型。圖3 ~ 7表明了采用DSP TMS320C25后的UPS系統(tǒng)性能。各圖均為輸出電壓和電流的時域波形以及輸出電壓的頻譜。

                          
圖3 無諧波調(diào)節(jié)器作用時的UPS工作情況    圖4  5次諧波調(diào)節(jié)器單獨作用時UPS工作情況

                                           
  圖5  7次諧波調(diào)節(jié)器單獨作用時UPS工作情況      圖6  5次和7次諧波調(diào)節(jié)器同時作用時UPS工作情況

                       
               圖7  5次諧波無緣濾波器作用時的UPS工作情況      表1  UPS工作條件
    表1所列出的是UPS在每幅圖中不同的工作條件。圖3所示為UPS在沒有任何諧波調(diào)節(jié)器時的工作情況。由于諧波電流從非線性整流型負載注入，所以UPS輸出電壓波形產(chǎn)生畸變且主要包含5次和7次諧波。
圖4和圖5分別顯示了5次和7次諧波調(diào)節(jié)器單獨工作時的情況。表1給出了當(dāng)每一諧波調(diào)節(jié)器分別工作時電壓THD的微小變化，這是因為在消除一個諧波的同時就會引起未補償諧波幅值的增加。圖4中電流THD的顯著增加是由于在現(xiàn)有負載工作條件下電流是不連續(xù)的。
    圖6所示為5次和7次諧波調(diào)節(jié)器同時工作時的標準BP UPS的工作情況。此時可以得到無諧波失真的正弦電壓波形，并且可以看到電壓THD的顯著降低。最后在圖7中給出了伴有5次諧波無緣濾波器的UPS工作情況。由于沒有諧波調(diào)節(jié)器，因此圖7中的正弦電壓波形的品質(zhì)比圖6中的明顯降低了。
5 結(jié)語
   本文討論了UPS系統(tǒng)的控制方法，重點分析了DSP控制的UPS逆變器和諧波調(diào)節(jié)系統(tǒng)。DSP控制的UPS系統(tǒng)使用了軟件控制的諧波調(diào)節(jié)器，它能夠動態(tài)地適應(yīng)變化的負載條件，并對負載諧波進行自動補償。實驗結(jié)果表明，對于大功率UPS系統(tǒng)中非線性負載所產(chǎn)生的諧波失真，能夠通過基于DSP控制的諧波調(diào)節(jié)器有效地進行消除，從而得到無諧波失真的輸出電壓波形。