不間斷電源直流偏移抑制

何國鋒

（河南城建學院電氣與信息工程學院，河南 平頂山 467036）

不間斷電源直流偏移抑制

何國鋒

（河南城建學院電氣與信息工程學院，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。對直流偏移抑制電路進行了詳細的設(shè)計，并給出了直流抑制電路的調(diào)試過程。在10kW的UPS樣機上對所提出的控制策略進行了試驗，實驗結(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，會導致電網(wǎng)的諧波和干擾更為突出。一些關(guān)鍵負荷用戶如通信、金融、工業(yè)、政府機關(guān)、國防對電網(wǎng)提出更高的要求，導致UPS的需求量迅猛增長。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、后備式和在線互動式。其中，在線式UPS由于具有良好的供電性能在實際工業(yè)中應用最為廣泛。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。當逆變器采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)時，由于同一橋臂上下開關(guān)管飽和壓降不一致、驅(qū)動脈沖分配不對稱和控制電路中的運算放大器存在零點漂移等原因，會造成逆變輸出電壓當中含有直流分量［1-3］。

國際上對分布式發(fā)電系統(tǒng)制定了相應的并網(wǎng)標準。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，國際上一些國家已經(jīng)制定了抑制光伏并網(wǎng)逆變器注入電網(wǎng)直流分量的標準。

本文通過對不間斷電源逆變器設(shè)置一個獨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)上增添了一個獨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。為了使逆變器能準確采樣到自身的直流分量，通過直流分量抑制電路對自身逆變器半橋中點和直流側(cè)分壓電容中點之間的高頻PWM波進行采樣，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

為了精確地檢測到逆變器的輸出電壓的直流分量，直流采樣的第一級采用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。第三級 OP07運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)反饋檢測通道低通濾波器的傳遞函數(shù)，其表達式如下：

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)計為 5Hz，因而直流抑制環(huán)的帶寬應該低于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應位置的直流量。

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時經(jīng)直流采樣電路采樣處理時第一級差分放大處理后的vo1波形，第二級濾波跟隨后的vo2波形，第三級運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)字信號處理器（DSP）進行采樣和數(shù)字控制。

圖5 vo1波形

圖6 vo2波形

圖7 Vdc波形

4 實驗

為了驗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逆變器上實驗。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)時逆變器輸出電壓諧波頻譜分析，圖9為有直流抑制環(huán)時的逆變器輸出電壓諧波頻譜分析。對比圖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，新增了一個直流抑制環(huán)，通過對直流偏移量的采集和閉環(huán)反饋以抑制直流分量。并且詳細分析了直流抑制環(huán)硬件電路的設(shè)計，以及直流抑制環(huán)的調(diào)試。通過實驗驗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］.中國電機工程學報，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，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

國家自然科學基金項目（61503122）

河南城建學院基金資助項目（2015JBS009）

何國鋒（1971-），男，博士，在讀博士后，講師，河南城建學院教師，研究方向為逆變器的數(shù)字化控制、UPS并聯(lián)控制及智能微網(wǎng)等。