不間斷電源直流偏移抑制

何國(guó)鋒

（河南城建學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，河南 平頂山 467036）

不間斷電源直流偏移抑制

何國(guó)鋒

（河南城建學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，河南 平頂山 467036）

本文分析了UPS逆變器輸出電壓直流偏移產(chǎn)生的原因，提出了一種抑制直流偏移的方法。對(duì)直流偏移抑制電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并給出了直流抑制電路的調(diào)試過程。在10kW的UPS樣機(jī)上對(duì)所提出的控制策略進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所提出的控制策略能有效地抑制不間斷電源逆變器的直流偏移。

不間斷電源；直流偏移；差分放大器；低通濾波器；直流增益

不間斷電源UPS（Uninterruptible Power Supply）能夠給負(fù)載提供持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源。隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)中的電力電子設(shè)備不斷增多，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的諧波和干擾更為突出。一些關(guān)鍵負(fù)荷用戶如通信、金融、工業(yè)、政府機(jī)關(guān)、國(guó)防對(duì)電網(wǎng)提出更高的要求，導(dǎo)致UPS的需求量迅猛增長(zhǎng)。因此，研究新能源發(fā)電背景下的UPS逆變器控制技術(shù)具有重要的意義。

不間斷電源主要由PFC（功率因數(shù)校正）、逆變器和蓄電池3部分組成。不間斷電源主要分為3種：在線式、后備式和在線互動(dòng)式。其中，在線式UPS由于具有良好的供電性能在實(shí)際工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。在線式不間斷電源主要有3種工作模式：逆變工作模式、旁路工作模式和電池工作模式。在線式不間斷電源的大部分狀態(tài)工作在逆變模式下，為用戶提供優(yōu)質(zhì)、不間斷的正弦波。當(dāng)逆變器采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)時(shí)，由于同一橋臂上下開關(guān)管飽和壓降不一致、驅(qū)動(dòng)脈沖分配不對(duì)稱和控制電路中的運(yùn)算放大器存在零點(diǎn)漂移等原因，會(huì)造成逆變輸出電壓當(dāng)中含有直流分量［1-3］。

國(guó)際上對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)制定了相應(yīng)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。由于無輸出隔離變壓器結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器不能自動(dòng)抑制直流注入，直流注入可能引起電網(wǎng)中配電變壓器的飽和，導(dǎo)致電能質(zhì)量變差，電力系統(tǒng)產(chǎn)生大的損耗和過熱。因而，國(guó)際上一些國(guó)家已經(jīng)制定了抑制光伏并網(wǎng)逆變器注入電網(wǎng)直流分量的標(biāo)準(zhǔn)。

本文通過對(duì)不間斷電源逆變器設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的電壓直流分量抑制電路來抑制不間斷電源輸出電壓的直流偏移分量。

1 含有直流抑制環(huán)的不間斷電源

圖1為為含有直流抑制環(huán)的不間斷電源逆變器原理圖。從圖上可以看出，在電壓、電流雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上增添了一個(gè)獨(dú)立的電壓直流分量抑制電路（直流抑制環(huán)），由差分放大模塊、低通濾波模塊和直流分量調(diào)節(jié)模塊三部分組成。為了使逆變器能準(zhǔn)確采樣到自身的直流分量，通過直流分量抑制電路對(duì)自身逆變器半橋中點(diǎn)和直流側(cè)分壓電容中點(diǎn)之間的高頻PWM波進(jìn)行采樣，通過差分放大器和低通濾波器處理得到自身模塊的電壓直流分量，再經(jīng)直流控制器調(diào)節(jié)得到直流電壓反饋量。直流電壓反饋量疊加到正弦基準(zhǔn)波，最后經(jīng)電壓、電流雙閉環(huán)控制器調(diào)節(jié)控制本逆變模塊輸出電壓直流分量為零。

圖1 含有直流抑制環(huán)的UPS逆變器原理圖

2 直流抑制電路設(shè)計(jì)

為了精確地檢測(cè)到逆變器的輸出電壓的直流分量，直流采樣的第一級(jí)采用OP07差分放大器。OP07具有低的輸入噪聲電壓幅度-0.35μV P-P（0.1～10Hz），和極低的輸入失調(diào)電壓-10μV，以及極低的輸入失調(diào)電壓溫漂-0.2μV/℃，低的輸入偏置電流—±1nA 和高的共模抑制比-126dB。第二級(jí)采用 RC濾波器，用來濾除50Hz以上的高頻分量，經(jīng)OP07跟隨電路輸出到第三級(jí)。第三級(jí) OP07運(yùn)放的主要作用是提供直流偏置和直流增益調(diào)整。直流抑制的硬件電路如圖2所示。

圖2 直流抑制硬件電路

根據(jù)逆變器的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合圖1和圖2可得到UPS逆變器含有直流抑制環(huán)的控制框圖，如圖2所示。

從圖3可以求出直流抑制環(huán)環(huán)補(bǔ)償以前的開環(huán)傳遞函數(shù)Gdc_o（s）如下［4-5］：

式中，GLP（s）是直流抑制環(huán)反饋檢測(cè)通道低通濾波器的傳遞函數(shù)，其表達(dá)式如下：

式中，fLP是二階低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。直流抑制環(huán)的低通濾波器轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計(jì)為 5Hz，因而直流抑制環(huán)的帶寬應(yīng)該低于5Hz［4-5］。最終直流抑制環(huán)的比例參數(shù)Kpd_p和積分參數(shù)Kid_p值選擇如下：

直流抑制環(huán)的開環(huán)波特圖如圖 4所示，由圖 4可以看出直流抑制環(huán)的帶寬設(shè)計(jì)為1Hz。

圖3 含有直流抑制環(huán)的UPS逆變器控制框圖

圖4 直流抑制環(huán)的開環(huán)伯德圖

3 直流環(huán)調(diào)試

10kW三相UPS的逆變輸出電壓校正前的直流分量分別為：-0.2V，-0.4V和-0.5V，見表1。其中：vo1、vo2和Vdc分別為圖2中直流采樣硬件電路中所對(duì)應(yīng)位置的直流量。

表1 UPS三相逆變輸出電壓直流分量采樣值

圖5、圖6和圖7分別為逆變電壓直流分量為-0.4V時(shí)經(jīng)直流采樣電路采樣處理時(shí)第一級(jí)差分放大處理后的vo1波形，第二級(jí)濾波跟隨后的vo2波形，第三級(jí)運(yùn)放偏置放大后的直流分量Vdc波形。從圖5、圖6和圖7中可以看出，UPS逆變輸出電壓中的直流分量經(jīng)過直流抑制采樣電路后，能準(zhǔn)確地提取出交流電壓中的直流分量，并且經(jīng)直流偏置后可以精確地供數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）進(jìn)行采樣和數(shù)字控制。

圖5 vo1波形

圖6 vo2波形

圖7 Vdc波形

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所提出的直流偏移抑制策略，在10kW 三相不間斷電源 UPS逆變器上實(shí)驗(yàn)。采用TMS320LF2407芯片作為DSP數(shù)字控制器，編寫了電壓環(huán)、電流環(huán)和直流抑制環(huán)的閉環(huán)控制程序。

圖8 無直流抑制環(huán)后的電壓頻譜

圖8表示無直流抑制環(huán)時(shí)逆變器輸出電壓諧波頻譜分析，圖9為有直流抑制環(huán)時(shí)的逆變器輸出電壓諧波頻譜分析。對(duì)比圖8和圖9可以看出，在直流抑制環(huán)的作用下，不間斷電源逆變器輸出電壓的直流分量被有效地消除。

圖9 加入直流抑制環(huán)后的電壓頻譜

5 結(jié)論

本文提出了一種抑制不間斷電源逆變輸出電壓直流偏移的方法。在傳統(tǒng)電壓、電流雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，新增了一個(gè)直流抑制環(huán)，通過對(duì)直流偏移量的采集和閉環(huán)反饋以抑制直流分量。并且詳細(xì)分析了直流抑制環(huán)硬件電路的設(shè)計(jì)，以及直流抑制環(huán)的調(diào)試。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的有效性。

［1］陳良亮，胡文斌，肖嵐，等.逆變器輸出電壓中直流分量檢測(cè)與數(shù)字調(diào)節(jié)方法［J］.數(shù)據(jù)采集與處理，2003，18（1）：101-104.

［2］張凱，熊健，康勇，等.一種簡(jiǎn)單有效的 UPS逆變器抗直流偏置技術(shù)［J］.電力電子技術(shù)，2006，40（2）：37-39.

［3］何國(guó)鋒，徐德鴻.基于解耦控制的多模塊逆變器并聯(lián)系統(tǒng)直流環(huán)流抑制策略［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（18）：43-51，176.

［4］G He MC，D Xu.Analysis of Multi-Loop Controllers with DC Suppression Loop for Paralleled UPS Inverter System［J］.IEEE transaction on industrial electronics.Dec，2014，61（12）：6494-6506.

［5］何國(guó)鋒.多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)若干關(guān)鍵研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2014.

The Suppression of DC Bias for Uninterruptible Power Supply

He Guofeng
（College of Electrical and Information Engineering，He'nan University of Urban Construction，Pingdingshan，He'nan 467036）

This paper analyzes the reason why Uninterruptible Power Supply produces DC bias of inverter output voltage，and proposes a Control strategy to eliminate the DC offset in the uninterrupted power supply（UPS）.Firstly，the detailed design of DC suppression circuit is described，then，the testing process of the DC suppression circuit is discussed.The experiment in 10 kVA three phase UPS proves the feasibility and reliability of the control strategy.

uninterruptible power supply；DC offset；differential amplifier；low-pass filter；DC gain

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61503122）

河南城建學(xué)院基金資助項(xiàng)目（2015JBS009）

何國(guó)鋒（1971-），男，博士，在讀博士后，講師，河南城建學(xué)院教師，研究方向?yàn)槟孀兤鞯臄?shù)字化控制、UPS并聯(lián)控制及智能微網(wǎng)等。