CN1175114A - 谐波失真校正的方法 - Google Patents

Abstract

一种用来从电源的输出电压信号中基本上消除谐波失真的方法。该方法对电源的输出采样并探测输出信号中的谐波失真。在谐波失真被采样后,确定谐波失真的实分量和虚分量的振幅。该振幅分量加到PI补偿器以便生成基本上消除输出电压信号中谐波失真所必须的谐波失真校正信号。然后把该谐波失真校正信号加到电源上。

Description

谐波失真校正的方法

本发明涉及谐波失真校正，更确切地说涉及生成用来从电源输出电压信号中基本上清除谐波失真的校正信号的方法。

在不间断电源(UPS)的使用中产生的一个主要问题出现在输出电压信号里感生谐波失真的时候。从UPS输出端往回看该装置时，不间断电源一般有高电源阻抗，促使谐波失真。

用来消除UPS输出电压中的谐波失真的一种目前使用的方法包括使用与UPS输出连接的低阻抗陷波滤波器。这种滤波器降低电源在谐振频率处的输出阻抗，从而减小在输出电压信号中感生的谐波失真。然后，波波器所需的笨重的硬件元件的使用增加了UPS的尺寸和重量并且增加了由于元件的损坏使UPS故障的概率。因此需要一种基本上不增加不间断电源的尺寸、重量和故障率的用来校正谐波失真的系统。

美国专利No.3,883,792公开了一种用于消除谐波影响的系统，它包括一个测量谐波的检测器、一个计算谐波失真性能指标的计算器、一个使谐波失真趋于最小的优化器和一个响应优化器输出产生校正信号触发时间的调制器及计算机。

本发明通过把一种负反馈系统用于谐波失真校正而提出一种与现有技术完全不同的方法。不间断电源(UPS)的输出信号被采样并转换成数字信号，它在一个负反馈环路中被处理。

该方法检测输出信号中的谐波失真的实分量和虚分量，计算所检测的谐波失真的实分量和虚分量的振幅；由计算的所检测的谐波失真的实分量和虚分量产生谐波失真校正信号；将谐波失真校正信号加到电源上以基本上消除输出信号中的谐波失真。

为了更完整地理解本发明及其优点，下面参照结合附图做出的以下详细描述。

图1a、1b和1c是说明谐波失真信号对正弦输出信号的影响的曲线图；

图2是说明对不间断电源的输出滤波以消除感生的谐波失真的现有技术方法的原理简图；

图3是表示本发明的谐波失真校正系统的功能方块图；

图4是说明用来生成谐波失真校正信号的负反馈环路处理的运行的流程图；以及

图5是说明方法的流程图，处理器使用其确定负反馈环路的校正信号。

下面参照附图，更确切地说参照图1a、1b和1c，图中表示谐波失真对正弦输出信号的影响。不间断电源(UPS)的输出电压信号2理想上表现为一个周期函数(即一个单频率正弦波)。然而，当谐波失真4被引入UPS的输出时，输出信号6成为一种失真的周期函数。

图2表示用来减小谐波失真在不间断电源8的输出电压中的影响的一个先有技术系统。UPS8包括一个直流电源11、一个三相变换器电路10和三个低通滤波器7。变换器10把来自直流电源11的输入信号转换成脉宽调制(PWM)模拟输出电压信号。

一个电感器12和电容器14构成在UPS8输出端的每个低通滤波器7，以便对PWM信号滤波并产生组成UPS的输出的60Hz正弦波信号(图1a中的标号2)。当从参照点A往回看UPS8时，这种配置造成一个数倍于基本输出频率的高阻抗源。高阻抗源支持UPS8的输出信号(图1c的标号6)中的谐波电压失真(图1b的标号4)。

这个失真问题已经在先有技术的UPS8中通过把陷波滤波器16连接于UPS8每相的输出端而得到解决。每个陷波滤波器16由连接在UPS8输出的两相之间的串联的电容器20和电感器18组成。此配置减小了从参照点B往回看UPS8时的源阻抗并且使输出端22处的模拟信号中存在的谐波失真影响减于最小。

图3表示在UPS9的负反馈环路中利用处理器24的本发明的功能方块图。虽然本发明的谐波失真校正系统将针对三相系统来描述，但应指出该系统很容易适用于如图4中所示的单相系统。在适用的场合，图3和图4的对应部分用相同的标号表示。UPS9包含一个60Hz频率正弦查表26，此表储存着生成60Hz正弦波所需的数字值。应该指出，正弦查表26可使用任何频率而60Hz正弦波仅作为例子给出。来自正弦表26的输出在乘法器33处被乘以一个由RMS电压补偿器27产生的换算因数。

RMS电压补偿器27是用于控制环路29的比例积分微分(PID)补偿器。此补偿器27产生为驱使减法器35的输出即补偿器的输入趋向于零所需要的任何输出值。在此情况下，该输入是一个想要的设定点RMS电压(如31处所示)与在输出滤波器32处测得的RMA输出电压之间的差。此差是由减法器35来计算的。测得的RMS电压是由一个RMS电压计算器37产生的。RMS电压计算器37的输入是在一个A/D转换器34的输出端产生的UPS输出的数字值表示。

正弦表26的输出与RMS电压补偿器27的输出之间相乘的结果经在反馈减法器92里从该结果减去谐波失真校正信号之后被加在PWM变换器28的输入端。谐波失真校正信号将在下面更充分地讨论。PWM变换器28把数字输入信号转换成脉宽调制模拟输出信号。每个脉冲的宽度取决于变换器28的数字值输入。最后，脉宽调制信号被无源LC输出滤波器32滤波。此输出滤波器32在结构和功能上类似于图2描述的低通滤波器7。

UPS9的负反馈环路由一个模-数(A/D)转换器34组成，此转换器用来对LC输出滤波器34的模拟输出采样并把UPS的正弦输出电压信号转换成由一系列数字帧构成的数字信号以便由处理器24来处理。负反馈环路产生上面提到的谐波失真校正信号，此信号从输入到PWM变换器28的信号中减去。处理器24探测输出电压信号中的谐波失真信号，确定所探测信号的振幅，并估计从输出电压信号中基本上清除谐波失真信号所需的校正信号。

对处理器24的以下描述是针对去除第五谐波的描述。应该指出在描述中使用第五谐波仅是个例子而不是一种限制。其频率低于采样频率的一半的任何谐波都可以利用本发明的方法和设备从输出信号中去除。

从A/D转换器34输出的已转换的数字信号的每一帧针对输出电压电路的a、b和c相传送到实分量谐波探测器36和虚分量谐波探测器38。实分量谐波探测器36提取与同一频率的余弦波同相的谐波信号的量并输出一个代表第五谐波电压的实分量振幅的值。同样，虚分量谐波探测器38提取与同一频率的余弦波90°异相的谐波失真信号的分量并输出一个代表第五谐波电压的虚分量振幅的值。谐波失真信号由谐波探测器36和38中的信号相关函数39和振幅探测函数41来处理。

由信号相关函数39所探测的第五谐波失真信号(Λas)的实值与虚值在数学上可表达如下： $\left(1\right){\mathrm{\Λ}}_{a5}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_a\left(n\right)*\cos \frac{5*2\mathrm{\πn}}{N}-j\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_a\left(n\right)*\sin \frac{5*2\mathrm{\πn}}{N}$ $\left(2\right){\mathrm{\Λ}}_{b5}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_b\left(n\right)*\cos \frac{5*2\mathrm{\πn}}{N}-j\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_b\left(h\right)*\sin \frac{5*2\mathrm{\πn}}{N}$ $\left(3\right){\mathrm{\Λ}}_{c5}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_c\left(n\right)*\cos \frac{5*2\mathrm{\πn}}{N}-j\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_c\left(h\right)*\sin \frac{5*2\mathrm{\πn}}{N}$ 式中：υ_a(n)是某时刻n在相A的输出电压信号。

  υ_b(n)是某时刻n在相B的输出电压信号。

  υ_c(n)是某时刻n在相C的输出电压信号。失真信号可以更简单地表达为：

   (4)Λ_a5＝λ_a5r+j*λ_a5i

(5) Λ_b5＝λ_b5r+j*λ_b5i

(6) Λ_c5+λ_c5r+j*λ_c5i

式中：λ_a5r是Λ_a5的实分量；而

λ_a5i是Λ_a5的虚分量。

λ_b5r是Λ_b5的实分量；而

λ_b5i是Λ_b5的虚分量。

λ_c5r是Λ_c5的实分量；而

λ_c5i是Λ_c5的虚分量。

一旦探测到谐波失真信号，三相平均计算器43就计算谐波失真信号的振幅的实分量和虚分量。计算器43平均谐波失真信号的三相的第五谐波电压并计算由信号相关函数39所探测的谐波失真信号的实分量和虚分量的振幅。

平均电压的实部和虚部(V_5r和V_5i)按下式计算： $\left(7\right){\stackrel{-}{V}}_{5r}=\frac{\mathrm{Re}\left\{{\mathrm{\Λ}}_{a5}\right\}+\mathrm{Re}\left\{{\mathrm{\Λ}}_{b5}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{3}}\right\}+\mathrm{Re}\left\{{\mathrm{\Λ}}_{c5}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{3}}\right\}}{3}$ $\left(8\right){\stackrel{-}{V}}_{5i}=\frac{\mathrm{Im}\left\{{\mathrm{\Λ}}_{a5}\right\}+\mathrm{Im}\left\{{\mathrm{\Λ}}_{b5}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{3}}\right\}+\mathrm{Im}\left\{{\mathrm{\Λ}}_{c5}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{3}}\right\}}{3}$

在三相系统中相a、b和c的电压必须始终相加为零。这使得可以运用下式从式(7)和(8)中消去一个相电压：

    (9)ν_b5＝-(ν_a5+ν_c5)

    (10)Λ_b5＝-(Λ_a5+Λ_c5)运用式(9)和(10)，式(7)和(8)可以简化如下： $\left(11\right){\stackrel{-}{V}}_{5r}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{a5r}}{2}-\frac{{\mathrm{\λ}}_{a5i}}{2\sqrt{3}}-\frac{{\mathrm{\λ}}_{c5i}}{\sqrt{3}}$ $\left(12\right){\stackrel{-}{V}}_{5i}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{a5i}}{2}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{a5r}}{2\sqrt{3}}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{c5r}}{\sqrt{3}}$

谐波探测器36和38按照式(7)和(8)或简化式(11)和(12)输出谐波失真信号的振幅的实分量和虚分量。

对于图4中所示的单相系统，A/D转换器的输出加在实谐波探测器36和虚谐波探测器38的输入端。谐波失真信号由信号相关函数39来探测而信号振幅由振幅探测函数41来测定。

参照图3和图4，失真信号的振幅分量传送到一对比例积分(PI)补偿器44和46。比例积分补偿器44和46产生驱使PI补偿器44和46的输入信号趋向于零所需要的校正信号。补偿器44和46有效地估计失真校正信号的实分量和虚分量。

所估计的失真校正信号的实分量在乘法器80中乘以来自第五谐波余弦查表51的值。余弦查表51包含生成谐波失真校正信号的实分量的数字表示所必须的值。余弦表值被PI补偿器44的输出换算以生成失真校正信号的实分量。

来自查表51的值还补偿由系统引入的相移。所产生信号的相移由UPS8的电路(PWM变换器、输出滤波器等)所引入的相移量来确定。此相移通过把校正信号的相位调整某个角Φ来校正。角Φ根据UPS电路元件所引起的相移预先确定。

失真校正信号的虚分量按类似于实分量生成的方式来生成。PI补偿器46的输出在乘法器82中被乘以第五谐波正弦查表53所输出的值。这些值也被计算以便补偿由系统所引入的相移。

校正信号的实分量和虚分量在加法器90中合并。在加法器90处生成的第五谐波的失真校正信号值由下式表示： $\left(13\right)V_{\mathrm{comp}}=h\left[V_{5r}\right]\cos (\frac{5*2\mathrm{\πn}}{N}+\mathrm{\Φ})+-h[V_{5i}]\sin (\frac{5*2\mathrm{\πn}}{N}+\mathrm{\Φ})$

式中：  h〔-〕表示PI补偿器的应用；而

Φ表示相位校正角度

失真校正信号在反馈减法器92中从输入PWM变换器28的值中减去。这调整由PWM变换器28产生的脉冲宽度，以便基本上消除在UPS9的出口端谐波失真。

下面参照图5，说明由处理器24确定负反馈环路的校正信号的方法的流程图。首先，来自A/D转换器34的一个电压数据帧在步骤60被处理器24采样。电压数据帧在步骤62被处理以便提取谐波失真信号的实分量和虚分量的振幅。此处理涉及探测谐波失真信号和测定信号每相的振幅。失真的实分量和虚分量的三相平均值在步骤63用每相测得的失真信号的值来计算。

一旦测定了实分量和虚分量的振幅，该值在步骤64由比例积分(PI)补偿器(44或46)来处理，以便估计将驱使PI补偿器的输入趋向于零的校正信号。在步骤66，校正信号的实分量和虚分量被生成并由来自比例积分补偿器的结果换算。在步骤66生成的信号在步骤68从输入反馈减法器92的值减去并输入到PWM变换器28，以便从输出信号中基本上消除谐波失真。然后处理器24返回到步骤60并采样来自A/D转换器34的另一个电压数据帧并继续处理。

虽然本发明的最佳实施例已在附图中表示并在以上详细描述中介绍，但是应该指出本发明并不限于所公开的实施例，而是可以进行部件和元件的各种重新配置和修改而不脱离本发明的精神。

Claims (2)

1.一种用来产生谐波失真校正信号以便基本上消除电源的输出信号中谐波失真的方法，其特征在于包括以下步骤：

检测输出信号中的谐波失真的实分量和虚分量；

计算所检测的谐波失真的实分量和虚分量的振幅；

由计算的所检测的谐波失真的实分量和虚分量产生谐波失真校正信号；

将谐波失真校正信号加到电源上以基本上消除输出信号中的谐波失真。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的产生谐波失真校正信号的步骤还包括步骤：

确定基本上消除所检测的谐波失真的谐波失真校正信号的分量；以及

根据所确定的谐波失真校正信号的分量产生谐波失真校正信号。

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