有源濾波電路抑制UPS電源BUS電壓紋波技術(shù)研究

張迎新

(廣州市特種機電設(shè)備檢測研究院研發(fā)中心，廣東 廣州 510180)

0 引言

UPS的ConverterMode工作模式，是指市電輸入頻率與逆變輸出頻率不一致的一種工作模式。當逆變電源輸出處于正半周，市電輸入處于負半周時，或者逆變電源輸出處于負半周，市電輸入處于正半周時，這兩種情況都會導(dǎo)致UPS電源BUS母線電壓上產(chǎn)生很大的紋波，電源輸入輸出電流波動很大，為了使這種情況得到改善，本文選擇在半橋逆變電路拓撲中加入有源濾波電路，以此為基礎(chǔ)探討通過適當?shù)目刂萍夹g(shù)來抑制BUS電壓紋波。

1 系統(tǒng)建模

圖1 加入濾波網(wǎng)絡(luò)后的逆變電路架構(gòu)

如圖1虛線框中是加入的有源濾波電路，其目的是通過對開關(guān)管Q1、Q2適當?shù)目刂?，從而實現(xiàn)對BUS電壓紋波的抑制。設(shè)Q1的占空比為d，由于濾波電路中有電感存在，電感電流不能突變，則Q1關(guān)閉時Q2必須開啟，那么Q2的占空比就必須與Q1互補，所以可以表示為1－d，設(shè)控制輸出的調(diào)制函數(shù)為 vm，采用雙極性控制，則占空比可以表示成為DSP中三角波計數(shù)值的一半，整個三角波周期為4vt。將 iPFC、iINV看作是對正負BUS電壓紋波的擾動信號，用一個信號iN表示，對于BUS電容中心點即有:

iN=iPFC+iINV，對BUS電容中心點列電流方程，對濾波電感列電壓方程有:

由(1)、(2)(3)式以及 d、Vbus、ΔV 的表達式可以導(dǎo)出:

設(shè)系統(tǒng)為零初始狀態(tài)，對(4)進行拉普拉斯變換并整理得到:

式(5)就是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其框圖如圖2所示。

圖2 濾波網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型框圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示，ΔV對iL的影響可以在控制中加入ΔV的前饋來消除，如圖3所示框圖變換。這樣可以簡化對控制系統(tǒng)的分析，將圖3簡化后可以得到圖4。

基于簡化后的數(shù)學(xué)模型框圖，采用電流環(huán)與電壓環(huán)雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，框圖5所示。

圖5 有源濾波電路拓撲控制框圖

圖5 虛線框中是電流環(huán)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

將圖5中的電流環(huán)用(6)代替，得到圖6所示的控制框圖。iN是由iPFC和iINV疊加而成，而iPFC、iINV主要成分是低頻信號(50 Hz)，電流環(huán)帶寬設(shè)計在1 kHz左右，所以iN信號通過電流環(huán)之后衰減很小，而且iN信號可以測量到，因此iN對ΔV的影響可以通過一個前饋補償來獲得，如圖7所示。將圖7簡化后得到控制系統(tǒng)的電壓環(huán)如圖8所示。

遵循電流環(huán)帶寬遠比電壓環(huán)帶寬寬的原則，同時電流環(huán)帶寬必須低于開關(guān)頻率，這里取電流環(huán)帶寬小于 fsw/2π，fsw是開關(guān)管的開關(guān)頻率。最后通過仿真和實驗，取Ki=10，Kv=2，最后整個控制回路的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

其中:

畫出其bode圖如圖9所示，從圖9中可以看出控制系統(tǒng)穩(wěn)定裕度有78度，說明系統(tǒng)是穩(wěn)定的。完整的控制回路框圖如圖10。

3 有源濾波電路抑制BUS紋波仿真

圖11是仿真電路架構(gòu)圖，BUS電壓建立是通過直流源流經(jīng)小電阻再經(jīng)過二極管給BUS電容充電獲得，二極管的作用是防止逆變引起的BUS電壓升高導(dǎo)致能量倒灌至直流源，也起到真實保留BUS電壓紋波的作用，模擬仿真的控制結(jié)構(gòu)完全采用圖10所示控制系統(tǒng)。逆變輸出帶RCD滿載分別在有濾波電路和無濾波電路情況下BUS紋波情況如圖12和13所示。仿真中帶RCD滿載6 kW/13200 uF，在此負載情況下沒有濾波電路穩(wěn)態(tài)時BUS紋波電壓為28 V左右，有濾波電路穩(wěn)態(tài)時BUS紋波電壓為10 V左右，BUS紋波有顯著降低。

4 實驗結(jié)果

由于濾波電路開關(guān)管開啟時，BUS電壓直接加在濾波電感上，濾波電感電流紋波大，在RCD滿載峰值處，電感感值會下降達到30%之多，反而會使電流紋波成倍增加，所以電感電流的采樣誤差較大，采樣信號不真實，在帶小的RCD載時更是如此，為此可以有三種解決方法:增加濾波電感，有助于減小電流紋波;將電感換成好材質(zhì)電感，使得在帶RCD滿載電流峰值處濾波電感感值不會降低太大;采用定點采樣也可以減小電流偵測的誤差。本實驗中選用2枚材質(zhì)較好磁芯電感。

圖14是沒有濾波電路時BUS電壓紋波，帶RCD滿載(1 kW/2200 uF)時BUS電壓紋波有62 V;圖15是有濾波電路時BUS電壓紋波，帶RCD滿載(1 kW/2200 uF)時BUS電壓紋波有29 V;有濾波電路后，BUS電壓紋波降低了一倍，實驗證明了有源濾波電路架構(gòu)、控制策略以及仿真的正確性。

圖15 有濾波電路帶RCD滿載(1 kW/2200 uF)時BUS電壓紋波CH1、CH2為BUS電壓紋波，CH3為負載電流

5 結(jié)束語

本文所討論的有源濾波電路可以用于抑制BUS電壓紋波，提高輸入輸出性能，還可以用于調(diào)節(jié)正負BUS電壓平衡。但需要注意的是采用本文的濾波電路和控制策略，只能抑制BUS電壓紋波，不能完全消除紋波。只要輸入與輸出瞬時功率不平衡，BUS電容上就會有充放電存在，BUS電壓紋波就會存在。實際上本文的濾波電路和控制策略，只是將正負BUS的能量(包括從DC－DC或者AC－DC輸入的能量以及儲存在BUS電容中的能量)重新做了分配，濾波電路的加入使得正負BUS的能量能夠相互傳遞并共同對逆變輸出提供能量，相比沒有濾波電路時單BUS為逆變輸出提供能量，BUS電壓紋波當然會降低。另外，本實驗沒有涉及濾波電路的損耗、溫升等問題，需要由應(yīng)用者在效率、成本、性能之間綜合權(quán)衡考慮。

[1]Shih-Liang Jung，Hsiang-Sung Huang，Meng-Yueh Chang，etc.DSP-Based Multiple-Loop Control Strategy for Single-Phase Inverters Used in AC Power Sources[C]//Power Electronics Specialists Conference，1997(1):706－712.

[2]Sakda Somkun，Panarit Sethakul，Viboon Chunkag.Novel control technique of single-phase PWM rectifier by compensating output ripple voltage[C]//IEEE International Conference on Industrial Technology，2005:969－974.

[3]Guochun Xiao，Yunqing Pei，Kuang Li.A novel control approach to the DC active power filter used in a low ripple and large stable pulse power supply[C]//Power Electronics Specialist Conference，2003(4):1489－1493.

[4]舒為亮，張昌盛，段善旭，等.逆變電源 PI雙環(huán)數(shù)字控制技術(shù)研究[J].電工電能新技術(shù)，2005，24(2):52 －55.

[5]肖國春，裴云慶，姜桂賓，等.穩(wěn)定電源用直流有源濾波器的檢測紋波電壓控制方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2001，35(12):1211 －1214.

[6]馬小亮，王丙元，趙付田，等.并聯(lián)有源濾波在加速器電源上的應(yīng)用研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2002，17(3):54－58.