有源滤波电路抑制UPS电源BUS电压纹波技术研究

张迎新

(广州市特种机电设备检测研究院研发中心，广东 广州 510180)

0 引言

UPS的ConverterMode工作模式，是指市电输入频率与逆变输出频率不一致的一种工作模式。当逆变电源输出处于正半周，市电输入处于负半周时，或者逆变电源输出处于负半周，市电输入处于正半周时，这两种情况都会导致UPS电源BUS母线电压上产生很大的纹波，电源输入输出电流波动很大，为了使这种情况得到改善，本文选择在半桥逆变电路拓扑中加入有源滤波电路，以此为基础探讨通过适当的控制技术来抑制BUS电压纹波。

1 系统建模

图1 加入滤波网络后的逆变电路架构

如图1虚线框中是加入的有源滤波电路，其目的是通过对开关管Q1、Q2适当的控制，从而实现对BUS电压纹波的抑制。设Q1的占空比为d，由于滤波电路中有电感存在，电感电流不能突变，则Q1关闭时Q2必须开启，那么Q2的占空比就必须与Q1互补，所以可以表示为1－d，设控制输出的调制函数为 vm，采用双极性控制，则占空比可以表示成为DSP中三角波计数值的一半，整个三角波周期为4vt。将 iPFC、iINV看作是对正负BUS电压纹波的扰动信号，用一个信号iN表示，对于BUS电容中心点即有:

iN=iPFC+iINV，对BUS电容中心点列电流方程，对滤波电感列电压方程有:

由(1)、(2)(3)式以及 d、Vbus、ΔV 的表达式可以导出:

设系统为零初始状态，对(4)进行拉普拉斯变换并整理得到:

式(5)就是系统的数学模型，其框图如图2所示。

图2 滤波网络数学模型框图

2 控制系统设计

如图2所示，ΔV对iL的影响可以在控制中加入ΔV的前馈来消除，如图3所示框图变换。这样可以简化对控制系统的分析，将图3简化后可以得到图4。

基于简化后的数学模型框图，采用电流环与电压环双环控制结构，框图5所示。

图5 有源滤波电路拓扑控制框图

图5 虚线框中是电流环，其闭环传递函数为:

将图5中的电流环用(6)代替，得到图6所示的控制框图。iN是由iPFC和iINV叠加而成，而iPFC、iINV主要成分是低频信号(50 Hz)，电流环带宽设计在1 kHz左右，所以iN信号通过电流环之后衰减很小，而且iN信号可以测量到，因此iN对ΔV的影响可以通过一个前馈补偿来获得，如图7所示。将图7简化后得到控制系统的电压环如图8所示。

遵循电流环带宽远比电压环带宽宽的原则，同时电流环带宽必须低于开关频率，这里取电流环带宽小于 fsw/2π，fsw是开关管的开关频率。最后通过仿真和实验，取Ki=10，Kv=2，最后整个控制回路的开环传递函数为:

其中:

画出其bode图如图9所示，从图9中可以看出控制系统稳定裕度有78度，说明系统是稳定的。完整的控制回路框图如图10。

3 有源滤波电路抑制BUS纹波仿真

图11是仿真电路架构图，BUS电压建立是通过直流源流经小电阻再经过二极管给BUS电容充电获得，二极管的作用是防止逆变引起的BUS电压升高导致能量倒灌至直流源，也起到真实保留BUS电压纹波的作用，模拟仿真的控制结构完全采用图10所示控制系统。逆变输出带RCD满载分别在有滤波电路和无滤波电路情况下BUS纹波情况如图12和13所示。仿真中带RCD满载6 kW/13200 uF，在此负载情况下没有滤波电路稳态时BUS纹波电压为28 V左右，有滤波电路稳态时BUS纹波电压为10 V左右，BUS纹波有显著降低。

4 实验结果

由于滤波电路开关管开启时，BUS电压直接加在滤波电感上，滤波电感电流纹波大，在RCD满载峰值处，电感感值会下降达到30%之多，反而会使电流纹波成倍增加，所以电感电流的采样误差较大，采样信号不真实，在带小的RCD载时更是如此，为此可以有三种解决方法:增加滤波电感，有助于减小电流纹波;将电感换成好材质电感，使得在带RCD满载电流峰值处滤波电感感值不会降低太大;采用定点采样也可以减小电流侦测的误差。本实验中选用2枚材质较好磁芯电感。

图14是没有滤波电路时BUS电压纹波，带RCD满载(1 kW/2200 uF)时BUS电压纹波有62 V;图15是有滤波电路时BUS电压纹波，带RCD满载(1 kW/2200 uF)时BUS电压纹波有29 V;有滤波电路后，BUS电压纹波降低了一倍，实验证明了有源滤波电路架构、控制策略以及仿真的正确性。

图15 有滤波电路带RCD满载(1 kW/2200 uF)时BUS电压纹波CH1、CH2为BUS电压纹波，CH3为负载电流

5 结束语

本文所讨论的有源滤波电路可以用于抑制BUS电压纹波，提高输入输出性能，还可以用于调节正负BUS电压平衡。但需要注意的是采用本文的滤波电路和控制策略，只能抑制BUS电压纹波，不能完全消除纹波。只要输入与输出瞬时功率不平衡，BUS电容上就会有充放电存在，BUS电压纹波就会存在。实际上本文的滤波电路和控制策略，只是将正负BUS的能量(包括从DC－DC或者AC－DC输入的能量以及储存在BUS电容中的能量)重新做了分配，滤波电路的加入使得正负BUS的能量能够相互传递并共同对逆变输出提供能量，相比没有滤波电路时单BUS为逆变输出提供能量，BUS电压纹波当然会降低。另外，本实验没有涉及滤波电路的损耗、温升等问题，需要由应用者在效率、成本、性能之间综合权衡考虑。

[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]舒为亮，张昌盛，段善旭，等.逆变电源 PI双环数字控制技术研究[J].电工电能新技术，2005，24(2):52 －55.

[5]肖国春，裴云庆，姜桂宾，等.稳定电源用直流有源滤波器的检测纹波电压控制方法[J].西安交通大学学报，2001，35(12):1211 －1214.

[6]马小亮，王丙元，赵付田，等.并联有源滤波在加速器电源上的应用研究[J].电工技术学报，2002，17(3):54－58.