UPS电源功率基于DSP数字化补偿概述

随着电力工业的迅猛发展，电网逐步扩张，电力负荷增长很快，电压等级越来越高，致使电流、电压波形畸变，从而造成谐波污染。要改善电能质量及供电稳定和连续性，不间断电源扮演非常重要的角色，正在受到越来越多的关注；特别是随着各种政策法规的出台，对无谐波污染的绿色电源装置的呼声更是越来越高。绿色UPS电源除了加装高效输入滤波器以外，一般还在电网输入端采用功率因数校正技术，这样即可消除由于本身的整流滤波电路产生的谐波电流，又可以补偿功率因数。

UPS不间断电源在可靠供电中扮演非常重要的角色，特别是随着各种政策法规的出台，对无谐波污染的绿色不间断电源装置的呼声越来越高。本文介绍了DSP在线不间断电源中提高输入功率因数的方法，通过实时控制输入电流的波形，该UPS的功率因数近似为1，总的谐波分量大大减少。

1、基于DSP的UPS不间断电源简介

随着信息处理技术的不断发展，尤其是计算机的广泛应用和Internet的迅猛发展，供电系统的可靠性要求越来越高，UPS电源是保障供电稳定和连续性的重要设备，未来UPS的发展趋势是智能化、高频化、绿色化。

1.1　不间断电源的分类

从UPS的发展历史来看，UPS产品经历了两个阶段：旋转式UPS和静态变换式UPS。目前，常见的是静态变换式UPS类型。从技术上讲，静止式UPS可分为后备式（OffLine）、在线式(On Line)、在线互动式(On Line Interactive)等类型[3]。目前，先进的UPS一般采用IGBT作为功率器件，控制单元使用模拟器件或者8位、16位的微处理器来控制。

1.2基于DSP控制的多级在线UPS工作原理

本系统采用TMS320F240型DSP芯片，TMS320F240是美国TEXA INSTRUMENTS公司推出的高性能16位定点DSP,具有丰富的片内外设。TMS320F240具有高速信号处理和数字化控制功能所必须的结构特点，内部结构可分为核心部分、存储器部分、事件管理控制部分及外围设备部分等四大部分。将其优化的外设单元和高性能的DSP内核相结合，可为各种类型电机提供高速和全变速的先进控制技术。TMS320F240型DSP与传统在线式UPS电源技术相结合，可实现全数字单芯片多级在线控制。基于DSP控制的多级在线UPS主电路与DSP芯片的接口原理如图1所示：

图1  UPS电源主电路与DSP数字技术芯片的接口原理

基于DSP数字技术控制的多级在线UPS原理图如图2所示：

图2  DSP数字技术控制的在线UPS电源原理图

该多级在线式UPS系统以TMS320F240为控制核心，该数字控制系统主要包括CPU及外围电路，信号检测电路、驱动和保护电路。其中信号检测单元主要完成强弱电隔离，电平转换和信号放大及滤波等功能，以满足DSP控制系统对各路信号电平范围和信号质量的要求。系统中功率电路部分主要由输入功率因数校正部分PFC，逆变部分，DC/DC等组成。其中，PFC为有源功率因数校正部分，为电流环和电压环双环控制，完成输入电压的整流及提高功率因数的功能。该系统有两种工作模式。通常情况下，市电是正常的，这时输入功率因数校正部分和输出逆变部同时工作。电压在允许的范围时，PFC部分对输入进行功率因数校正，使得功率因数近似为1；但是当市电故障时，蓄电池作为UPS电源的可靠后备供电支持，为负载提供电源。蓄电池电压经过DC/DC隔离后产生的电压提升后得到逆变部分要求的直流电压，该电压再由逆变部分转换成交流电压给负载供电。逆变器电路将直流电压变换成稳频稳压的交流电压，它受DSP送出的PWM脉冲的控制。DSP要采集的信号较多：对市电和逆变输出电压进行过零采样，以求得控制环锁相后的参考输入信号。
 
2、基于DSP的功率因数校正的实现

UPS有两个功率因数值：输入功率因数和输出功率因数。输入功率因数表示UPS对电网有功功率吸收的能力及对电网影响的程度；输出功率因数表示UPS不间断电源对非线性负载的适应能力。为了减少电子仪器输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波污染，保证电网的可靠供电质量，提高电网的可靠性，对输入功率因数的要求是越高越好。

2.1　提高功率因数的方法

功率因数校正的基本方法有两种:无源功率因数校正和有源功率因数校正[4]。采用无源功率因数校正时，在输入端加入电感量很大的低频电感，以便减小滤波电容充电的尖峰电流，增加二极管的导通时间。这种方法简单，但是体积大，校正的效果不理想，无源功率因数校正后最多能达0.85。有源功率因数校正PFC主要是在整流器和滤波电容之间增加一个DC/DC开关变换器，使输入电流Ii跟踪输入参考电压信号，实现输入电流的波形与输入电压为同频同相的正弦波，功率因数可达0.97-0.99。根据电感电流是否连续，PFC电路的工作模式可分为不连续导电模式（DCM）和连续导电模式（CCM）；控制方式有：峰值电流控制、平均电流控制、迟滞电流控制等。本系统采用有源功率因数PFC校正。

2.2　基于DSP的功率因数校正

传统的功率因数校正都是使用模拟控制的方法.这种方法需要外接电阻电容、运放等元件，电路较为复杂，且有元件老化、温飘等现象。本系统采用高性能的数字信号处理芯片TMS320F240来替代模拟控制实现功率因数校正。在该系统中，选择Boost作为PFC为有源功率因数校正部分的主电路，采用电流连续工作方式，使用平均电流控制。Boost有源功率因数校正原理如图3所示：

图3  Boost有源功率因数校正原理

功率因数校正主要完成两个功能：控制电感电流波形，使它跟踪输入电压的波形，得到高功率因数，并为后一级电路提供平滑的直流电压。

2.3　功率因数校正的软件软启动

系统要发挥正常的功能,除了要有硬件的支持,还需要有软件的控制。本文采用的DSP芯片TMS320F240可以选用查询和中断两种方式对各种事件进行控制，而且支持C语言和TMS320F240汇编语言两种语言的编程。为了避免功率管过流，可在软件中设置合适电容的参考电压，这样参考电压与实际的电容电压相差不会很大，电流也不会增加太快。
　
3、试验结果及结论：

本系统中采用基于DSP设计的有源功率因数校正后，，输入电流基本与整流后的输入电压波形相同。从图5相关波形可以看出：基于DSP数字在线UPS电源的功率因数校正，通过实时控制输入电流的波形，不间断电源中的输入功率因数可提高到近似为1，较大程度地满足了 “电源绿化”的要求,不仅提高了对电源的利用率，还减少了对电网的干扰，同时还能为逆变器提供相对稳定的直流电压。