不间断电源直流偏移抑制

何国锋

（河南城建学院电气与信息工程学院，河南 平顶山 467036）

不间断电源直流偏移抑制

何国锋

（河南城建学院电气与信息工程学院，河南 平顶山 467036）

本文分析了UPS逆变器输出电压直流偏移产生的原因，提出了一种抑制直流偏移的方法。对直流偏移抑制电路进行了详细的设计，并给出了直流抑制电路的调试过程。在10kW的UPS样机上对所提出的控制策略进行了试验，实验结果表明本文所提出的控制策略能有效地抑制不间断电源逆变器的直流偏移。

不间断电源；直流偏移；差分放大器；低通滤波器；直流增益

不间断电源UPS（Uninterruptible Power Supply）能够给负载提供持续、稳定、不间断的电源。随着新能源技术的不断发展，电网中的电力电子设备不断增多，会导致电网的谐波和干扰更为突出。一些关键负荷用户如通信、金融、工业、政府机关、国防对电网提出更高的要求，导致UPS的需求量迅猛增长。因此，研究新能源发电背景下的UPS逆变器控制技术具有重要的意义。

不间断电源主要由PFC（功率因数校正）、逆变器和蓄电池3部分组成。不间断电源主要分为3种：在线式、后备式和在线互动式。其中，在线式UPS由于具有良好的供电性能在实际工业中应用最为广泛。在线式不间断电源主要有3种工作模式：逆变工作模式、旁路工作模式和电池工作模式。在线式不间断电源的大部分状态工作在逆变模式下，为用户提供优质、不间断的正弦波。当逆变器采用正弦脉宽调制技术时，由于同一桥臂上下开关管饱和压降不一致、驱动脉冲分配不对称和控制电路中的运算放大器存在零点漂移等原因，会造成逆变输出电压当中含有直流分量［1-3］。

国际上对分布式发电系统制定了相应的并网标准。由于无输出隔离变压器结构的光伏并网逆变器不能自动抑制直流注入，直流注入可能引起电网中配电变压器的饱和，导致电能质量变差，电力系统产生大的损耗和过热。因而，国际上一些国家已经制定了抑制光伏并网逆变器注入电网直流分量的标准。

本文通过对不间断电源逆变器设置一个独立的电压直流分量抑制电路来抑制不间断电源输出电压的直流偏移分量。

1 含有直流抑制环的不间断电源

图1为为含有直流抑制环的不间断电源逆变器原理图。从图上可以看出，在电压、电流双闭环控制的基础上增添了一个独立的电压直流分量抑制电路（直流抑制环），由差分放大模块、低通滤波模块和直流分量调节模块三部分组成。为了使逆变器能准确采样到自身的直流分量，通过直流分量抑制电路对自身逆变器半桥中点和直流侧分压电容中点之间的高频PWM波进行采样，通过差分放大器和低通滤波器处理得到自身模块的电压直流分量，再经直流控制器调节得到直流电压反馈量。直流电压反馈量叠加到正弦基准波，最后经电压、电流双闭环控制器调节控制本逆变模块输出电压直流分量为零。

图1 含有直流抑制环的UPS逆变器原理图

2 直流抑制电路设计

为了精确地检测到逆变器的输出电压的直流分量，直流采样的第一级采用OP07差分放大器。OP07具有低的输入噪声电压幅度-0.35μV P-P（0.1～10Hz），和极低的输入失调电压-10μV，以及极低的输入失调电压温漂-0.2μV/℃，低的输入偏置电流—±1nA 和高的共模抑制比-126dB。第二级采用 RC滤波器，用来滤除50Hz以上的高频分量，经OP07跟随电路输出到第三级。第三级 OP07运放的主要作用是提供直流偏置和直流增益调整。直流抑制的硬件电路如图2所示。

图2 直流抑制硬件电路

根据逆变器的数学模型，结合图1和图2可得到UPS逆变器含有直流抑制环的控制框图，如图2所示。

从图3可以求出直流抑制环环补偿以前的开环传递函数Gdc_o（s）如下［4-5］：

式中，GLP（s）是直流抑制环反馈检测通道低通滤波器的传递函数，其表达式如下：

式中，fLP是二阶低通滤波器的转折频率。直流抑制环的低通滤波器转折频率设计为 5Hz，因而直流抑制环的带宽应该低于5Hz［4-5］。最终直流抑制环的比例参数Kpd_p和积分参数Kid_p值选择如下：

直流抑制环的开环波特图如图 4所示，由图 4可以看出直流抑制环的带宽设计为1Hz。

图3 含有直流抑制环的UPS逆变器控制框图

图4 直流抑制环的开环伯德图

3 直流环调试

10kW三相UPS的逆变输出电压校正前的直流分量分别为：-0.2V，-0.4V和-0.5V，见表1。其中：vo1、vo2和Vdc分别为图2中直流采样硬件电路中所对应位置的直流量。

表1 UPS三相逆变输出电压直流分量采样值

图5、图6和图7分别为逆变电压直流分量为-0.4V时经直流采样电路采样处理时第一级差分放大处理后的vo1波形，第二级滤波跟随后的vo2波形，第三级运放偏置放大后的直流分量Vdc波形。从图5、图6和图7中可以看出，UPS逆变输出电压中的直流分量经过直流抑制采样电路后，能准确地提取出交流电压中的直流分量，并且经直流偏置后可以精确地供数字信号处理器（DSP）进行采样和数字控制。

图5 vo1波形

图6 vo2波形

图7 Vdc波形

4 实验

为了验证本文所提出的直流偏移抑制策略，在10kW 三相不间断电源 UPS逆变器上实验。采用TMS320LF2407芯片作为DSP数字控制器，编写了电压环、电流环和直流抑制环的闭环控制程序。

图8 无直流抑制环后的电压频谱

图8表示无直流抑制环时逆变器输出电压谐波频谱分析，图9为有直流抑制环时的逆变器输出电压谐波频谱分析。对比图8和图9可以看出，在直流抑制环的作用下，不间断电源逆变器输出电压的直流分量被有效地消除。

图9 加入直流抑制环后的电压频谱

5 结论

本文提出了一种抑制不间断电源逆变输出电压直流偏移的方法。在传统电压、电流双闭环控制的基础上，新增了一个直流抑制环，通过对直流偏移量的采集和闭环反馈以抑制直流分量。并且详细分析了直流抑制环硬件电路的设计，以及直流抑制环的调试。通过实验验证了该策略的有效性。

［1］陈良亮，胡文斌，肖岚，等.逆变器输出电压中直流分量检测与数字调节方法［J］.数据采集与处理，2003，18（1）：101-104.

［2］张凯，熊健，康勇，等.一种简单有效的 UPS逆变器抗直流偏置技术［J］.电力电子技术，2006，40（2）：37-39.

［3］何国锋，徐德鸿.基于解耦控制的多模块逆变器并联系统直流环流抑制策略［J］.中国电机工程学报，2012，32（18）：43-51，176.

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［5］何国锋.多逆变器并联系统若干关键研究［D］.杭州：浙江大学，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

国家自然科学基金项目（61503122）

河南城建学院基金资助项目（2015JBS009）

何国锋（1971-），男，博士，在读博士后，讲师，河南城建学院教师，研究方向为逆变器的数字化控制、UPS并联控制及智能微网等。