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软件谐波调节技术在UPS中的应用
发布时间:2010-9-17  浏览次数:1060 次  来源:上海愈翼电气科技有限公司

随着信息技术的迅速发展,不间断电源(UPS)系统在当今各种应用环境起着越来越关键的保护作用。人们已经认识到,UPS不仅仅只是提供市电中断时的保护,其输出指标对UPS本身以及所带负载才是至关重要的。U
PS必须能够抑制各种因素引起的干扰,始终向负载提供纯净连续的电源。输出电压谐波失真作为反映UPS性能的重要指标之一,亦为制造商和用户所关注。由于UPS技术的发展和负载群的变化,系统对谐波的处理方式也相应增加。本文就UPS输出电压谐波失真及处理方式做一简要分析,同时对软件谐波调节技术的应用做一些介绍。
1. 谐波的定义,起因及危害
谐波(Harmonic)是相对应于纯正弦波基波的高次频率波形。我们知道,交流电是随时间按正弦规率变化的(频率一般为50Hz或60Hz),其有效值为其波形的均方根值。若在交流电电压中迭加有高次频率分量,那么所得波形实际上为非正弦交流电。这些不必要的电源频率是电源基波频率的倍数(即50Hz或60Hz的倍数),在示波器上他们显示为电压波形的变形,而不是只有基波的正弦电压波形。
谐波失真通常是指电压谐波失真.总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)是以所有高次频率波形在纯正弦波形中所占百分比定量的。单次谐波失真(Single Harmonic Distortion,SHD)是以单次谐波频率波形在纯正弦波形中所占百分比定量的。对于UPS而言,一般单相小容量UPS主要产生3次谐波失真,而3相大型UPS则5次和7次谐波失真为主要谐波成分。通常的电气标准规定UPS输出电压总谐波失真不超过5%,任一单次谐波失真不超过3%。电流谐波失真通常是指非线性负载在纯正弦电压情况下根据其负载特征所决定的含谐波分量的电流相对于电压的失真,这是负载正常运行所必需的。
谐波失真的起因主要来自负载环境的变化,新的电源系统不能跟上负载需求增长的步调。当今UPS所支持的绝大部分负载是非线性的,传统的线性负载只占少数。UPS作为高阻扰电源,通常有15-25%动态阻扰,负载在这种电源下运行可能引致比较大的暂态电压变动,尽管在稳态时负载可将电压调整至很小的范围内。由于UPS是输出内阻较大的有限容量的电源,当支持非线性负载时,其输出电压就会由于负载特征与电源阻抗相互作用产生谐波失真。负载的非线性特征越大,所造成的谐波含量就越大。非线性负载通常包括负载设备本身的电源(单相开关态电源,三相整流电源),荧光照明,可调速控制的驱动装置等。而这些负载恰恰是当今UPS主要支持的重要负载。
谐波失真对UPS电源和负载运行会造成相应的影响。电压平顶,下陷或环流等会使电源内部运行温度升高以及直流调整状态变差。同时可能引起交流电压过零额外增加,影响基于基波频率来计时的时钟和其它负载;五次谐波电压失真会因为反相序而造成交流电机过热。对容性负载来说,将会导致过电流和过负载现象发生,并且使局部放电性能下降,缩短负载寿命。
由于UPS所支持的负载通常不是单一的,共享同一电源的负载可能产生干扰或控制信号而影响另一负载,不同阻抗特征的负载之间会发生相互作用。负载的敏感性可能从一个负载影响到另一个负载,或从一种干扰变成另一种干扰。高能干扰可能导致重大故障或电路部件的不可修复。低能干扰损坏部件,或者干扰逻辑信号而引起控制或数据系统的错误。 2. 传统的谐波处理方式
防止过量干扰和波形失真,可以选择低内阻的UPS,大于负载所需容量的UPS,或者两者均考虑。这种简单的方式实际上选择余地受到许多因素的限制。我们通常指定的UPS输出谐波失真指标是在任何负载满载时,当UP
S不是支持满载时(尤其是轻载时),由于负载造成的谐波失真将会相应减小。高阻抗电源的成功应用需要仔细考虑负载峰值电流(1/2周期峰值安培)以及电源容量来处理而无需激励旁路转换。
通常结构完整的UPS都在输出端配有输出隔离变压器,该变压器除了在UPS与负载之间起电气隔离作用外,同时亦起到滤波的作用。传统的硬件谐波滤波器是由L-C组成的无源滤波器,它使电源基波频率通过,同时抑制不必要的谐波分量到容许的程度。滤波器设计要考虑输出电压的暂态响应。虽然这种普遍应用的硬件滤波器设计简单,但滤波效果则因受到诸多因素影响而受到限制。由于这种低通滤波器在通带内有固定的衰耗和阻抗特征,其滤波过程完全是被动的。当动态负载或非线性负载接入时,这种由感抗和容抗构成的滤波器实际上是滞后作用的。另外,硬件滤波器还有使系统效率降低,发热量增加的问题。同时,硬件滤波器虽然可以在一定程度上解决谐波问题,但又可能产生比之所解决的问题更多的问题。这些都需要应用技巧。
微处理器 辅助控制的谐波抑制技术是在八十年代以来随着微处理器技术在UPS控制中的应用而逐步发展起来的.虽然都采用微处理器技术,但控制方式却各不相同。有些UPS采用尽可能提高PWM的频率,增加逆变器反应速度的方式为前提来进行控制。其逆变器没有采用电压反馈积分方式来控制PWM的调制电位,而是采用采样负载电流波形与标准正弦波直接比较所产生的误差信号来直接控制每个脉冲宽度,根据当时负载大小及负载特征来调整其输出电压波形,抑制谐波。这种方式实际上并没有完全摆脱硬件滤波方式的处理限制。由于其控制本身仍然是以反馈控制为主,实际上是一种滞后的补偿处理方式。同时采用电流采样所得到的数值是负载群的综合电流值,并不能充分反映单个负载特征的实际需要,当负载群中负载特征相差很大时,这种被动的处理方式其实不能有效地达到抑制输出电压谐波失真的目的。另一方面,由于受到微处理器控制能力的限制,虽然比之纯硬件滤波有一定的补偿,但谐波抑制效果并没有达到期望的结果。

3. 利用软件进行谐波调节的技术
利用软件技术来进行UPS输出电压谐波失真的调节是近几年发展起来的一种独特的谐波处理方法,其应用来自于DSP技术的迅速发展。DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器)是一种控制功能强大新型技术,问世几年来在众多的控制领域有了很多成功的应用,它使得系统控制响应更快,质量更高。DSP技术首先是由美国德州仪器公司(TI)开发出来的,最初是用来分析和控制4kHz音频信号的应用场合,如语音信箱,语音辩识及语音合成。
目前在UPS中应用此项技术的产品已经在许多用户现场使用。该项应用是采用20MIPS的DSP,其控制逻辑提供了一种软件谐波调节器的技术。DSP首先实现对UPS系统真正有效值(True RMS)的监测与控制,保证系统内的所有参数均能真实反映系统的实际状态,并依此实施相应的控制。以三相UPS系统为例,控制系统以每秒400
0次以上的速度随时监测三相UPS的每相电压输出,采样得到的信息经12位A/D转换器由模拟量变为数字量,提供4096级数据。这些数据被送到运行精确算法的DSP,以确定各次谐波成分在基波周期中的相位及幅度。独特的软件确定各次谐波的比例因数,并将其注入到正弦波发生器程序中,这个比例因数驱动正弦波发生器软件在非常精确的间隙中向逆变器注入或抽取相应的能量以消除电压谐波.由于DSP假定下一个正弦波将会与当前的正弦波形相同,所以利用当前正弦波形的信息确定下一波形向逆变器注入或抽取的相应能量.系统控制采用的是以前馈为主参照反馈的控制方法,这些算法提供了低失真的输出,同时对负载动态变化情况反应极快。完美的输出提供纯正弦的电压波形,同时向负载提供所需的谐波电流。其好处是在技术上能够提供纠错功能的失真补偿。
这种实时动态地调整UPS输出以减少谐波含量的方法大大降低了谐波失真,传统利用笨重昂贵的硬件滤波器。或者微处理器辅助控制的系统都缺乏有效地完成此任务的处理能力。
采用这种技术的厂家曾对产品做过相应的负载试验和谐波检测。结果表明,当UPS输出支持一个非线性负载时,若不施加软件谐波调节器,其输出电压总谐波失真为16.62%,而实施了这种算法时,则失真降为0.87%,输出向负载提供的电流谐波含量由27.38%提高到37.89%,同时向负载提供的有效功率还增加了6%以上。表明UPS此时不仅增强了向谐波负载提供相应电流的能力,同时还提供纯净的电压,以利于其它负载的运行。
可以看出,UPS的用户可以从软件谐波调节器获得许多益处:
UPS体积会变得更小,用户无需依靠增大UPS容量来提供负载所需的谐波电流;
由于负载是在纯净的正弦电压波形和所需谐波电流下运行的,所以运行更加完美,同时延长了负载的运行寿命;
UPS支持的其它负载也会运行得更好,由于负载特征千差万别,都在纯净电压下获得负载本身特征所需的理想电流,则会减少负载之间的相同作用,而同时不会受到谐波负载的影响;由于调节是自适应过程,所以系统会自动动态适应现场需要而无需干预,从而系统控制达到最优化。

4. 软件谐波调节与硬件滤波的比较
与硬件滤波器相比,软件调节器在多方面有其优越性:
功能- 软件调节器可提供比传统的UPS输出滤波器更低的总谐波失真(THD)
适应性- 硬件滤波器仅能校正规定的频率,其特性也是固定不变的。软件谐波调节则可实时地适应动态状况
,并实施更准确的控制。
可靠性- UPS故障率与硬件构成的数量成正比,去除硬件滤波器中的额外故障点增加了可靠性,使得系统更简单,维护更容易。
系统效率- 硬件滤波器增加了系统的热负荷,降低效率,而软件调节技术没有发热源,同时还增加了有效功率。
一致性- 硬件滤波器要承受时间推移和温度变化的影响,造成滤波效果变差,而软件调节技术是采用100%数字技术,系统参数不受这些环境因素影响,无需对器件进行任何补偿和修整、
升级可能- 硬件滤波器是按固定规格制作的,不能按需要在现场更改,而软件调节技术的基础是可升级的软件控制,软件升级可增加新的特征和功能,提高输出指标,无需对硬件做任何更动。
直观性- 硬件滤波器以模拟量为基础,而软件调节技术采用全数字控制,这些用来监测和控制的数据可以通过通讯手段实时动态地直观显示当前UPS输出的电压波形和电流波形,以及谐波分析图,方便用户了解负载的电源环境。
成本-硬件滤波器会明显增加UPS的成本。而在UPS控制系统的存储器中置入附加的软件,成本则要小得多。
体积- 硬件滤波器增加了UPS的占地面积,而软件调节器则无需附加面积。
重量- 硬件滤波器增加了UPS的重量,而软件调节器根本不会增加额外重量。

5. 软件谐波调节技术的发展预测
以上我们已经了解了软件谐波调节技术的基本特点及益处。可以看出,作为一种正在发展中的技术,其潜在的势头是不容置疑的。之所以能够在今后得到发展是由于我们已经看见了其具有的硬件滤波所不能发挥的补偿优越性。
在目前的UPS系统中,若要使得谐波抑制效果更好,有赖于相关技术的发展和器件指标的提高。如:采用速度更快的数字信号处理器技术,加强动态响应能力,提高采样速率,这样我们所获得的监测数据和实施的系统控制会更精确;同时尽可能进一步提高逆变器PWM本身的调制频率,在此基础上软件调节技术的应用就会更轻松更自如;当然逆变器功率器件的选用直接会影响到PWM频率的提高和谐波抑制的效果,我们在此文中所引用的试验数据均是来自采用大功率晶体管(BIPOLAR)逆变器的大容量三相UPS。可以想象,当DSP,PWM及功率器件都提高档次并相互配合完美的话,利用软件谐波调节技术可获得工程人员追求的,用户期望的"无"谐波输出电压。这也是今后"绿色"电源的重要特征之一。
另一方面,我们在文中所讨论的谐波抑制主要涉及的是UPS输出(实际上是逆变器输出),然而软件谐波调节技术的应用不仅仅只限于此。我们知道UPS本身亦是非线性的动态负载,尤其是大容量的三相UPS由于输入谐波电流的成分存在而对公用配电系统造成的回馈污染问题亦相当严重,它会对共享同一输入配电系统的其它负载的正常运行造成影响。UPS电气指标中对输入电流谐波含量都有一定限制,目前不同的UPS产品都分别采用相应硬件措施和控制手段来达到抑制输入电流谐波到一定程度的目的。至今仍没有采用纯软件方式来处理的介绍。看来,随着技术的发展和实际需要的要求,利用软件谐波调节技术来控制UPS输入电流谐波同时改善负载特征的课题不久亦会得到应用。

6. 结论
利用软件谐波调节技术来处理UPS输出电压谐波失真,比传统的谐波处理方式效果更好。它不仅提高了系统效率,增加了有效功率供给,而且使负载始终在纯净电压支持下,按自身负载特征所需要的谐波电流而正常运行。
软件谐波调节技术象其它软件控制技术一样将会在不断的发展与完善的过程中越来越多地取代或补偿硬件所担负的功能。

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