专利名称：谐波失真校正的方法和设备的制作方法
技术领域：
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和设备。
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。然而，滤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。
本发明通过把一种负反馈系统用于谐波失真校正而克服上述问题和其他问题。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。
输出信号中谐波失真信号的振幅被一个谐波探测器探测并提取。一个比例积分补偿器利用该振幅来估计一个驱使补偿器的输入趋向于零的校正信号。通过把一组表值乘以比例积分补偿器的输出而生成校正信号。把结果加到产生UPS输出电压信号的电源并产生一个基本上没有谐波失真的输出信号。
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统输出信号的影响。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)。这种配置造成一个从参照点A往回看UPS8时基本输出频率的高阶相乘的高阻抗电源。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。比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至最小。
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RMS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夫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(Λa5)的实值与虚值在数学上可表达如下(1) Λas=n = 0N - 1]]>va(n)*cos (5*2πn)/(N) -jn = 0N - 1]]>va(n)*sin (5*2πn)/(N)(2) Λbs=n = 0N - 1]]>vb(n)*cos (5*2πn)/(N) -jn = 0N - 1]]>vb(n)*sin (5*2πn)/(N)(3) Λcs=n = 0N - 1]]>vc(n)*cos (5*2πn)/(N) -jn = 0N - 1]]>vc(n)*sin (5*2πn)/(N)
式中ua(n)是某时刻n在相A的输出电压信号。
ub(n)是某时刻n在相B的输出电压信号。
uc(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) Λa5＝λa5r+j＊λa5i(5) Λb5＝λb5r+j＊λb5i(6) Λc5+λc5r+j＊λc5i式中λa5r是Λa5的实分量;而λa5i是Λa5的虚分量。
λb5r是Λb5的实分量;而λb5i是Λb5的虚分量。
λc5r是Λc5的实分量;而λc5i是Λc5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(V5r和V5i)按下式计算
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)νb5＝-(νa5+νc5)(10)Λb5＝-(Λa5+Λc5)运用式(9)和(10)，式(7)和(8)可以简化如下
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(13) Vcomp＝h[V5r]cos( (5＊2πn)/(N) +φ)+-h[V5i]sin( (5＊2πn)/(N) +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。
权利要求
1.一种用来生成谐波失真校正信号以便从电源输出信号中基本上消除谐波失真的系统，它包括响应于输出信号以便探测谐波失真的装置；用来计算所探测的谐波失真的振幅的装置；响应于所述计算的谐波失真的振幅以便确定将使所探测的谐波失真趋近于零的谐波失真校正信号的分量的装置；以及响应于所确定的分量以便生成谐波失真校正信号的装置。
2.如权利要求1所述的系统，其中响应于所计算的振幅的装置包括一个响应于所探测的振幅的实分量和虚分量的比例积分补偿装置以便确定将使所探测的谐波失真趋近于零的失真校正信号的实分量和虚分量。
3.如权利要求2所述的系统，其中响应于所确定的分量的装置包括一个谐波补偿装置，该谐波补偿装置进一步包括用来生成失真校正信号的实分量的装置;以及用来生成失真校正信号的虚分量的装置。
4.如权利要求3所述的系统，其中用来生成谐波失真校正信号的实分量的装置包括一个用来生成余弦函数值的余弦函数表;以及一个用来把余弦表函数值乘以由比例积分补偿装置所确定的谐波失真校正信号的实分量的乘法器。
5.如权利要求3所述的系统，其中用来生成失真校正信号的虚分量的装置包括一个用来生成正弦函数值的正弦函数表;以及一个用来把正弦函数表的值乘以由比例积分补偿装置所确定的失真校正信号的虚分量的乘法器。
6.一种用来从输出电压信号中消除相对恒定的失真的设备，它包括用来探测失真的装置;用来计算失真的振幅的装置;响应于所计算的振幅以确定将使所探测的失真趋近于零的失真校正信号的装置;以及响应于所确定的失真校正信号以便生成用来施加于电压信号的输出的失真校正信号的装置。
7.一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，它包括步骤探测输出信号中的谐波失真;根据所探测的谐波失真生成失真校正信号;以及把失真校正信号加在电源上以便基本上消除输出信号的谐波失真。
8.如权利要求7所述的方法，其中探测谐波失真的步骤进一步包括步骤探测谐波失真的实分量和虚分量;以及计算所探测的谐波失真的实分量和虚分量的振幅。
9.如权利要求7所述的方法，其中生成失真校正信号的步骤包括步骤确定将驱使所探测的谐波失真的振幅趋于零的谐波失真校正信号的分量;以及根据所确定的校正信号的分量生成失真校正信号。
10.一种用来生成用来施加于不间断电源中的PWM变换器输入端的谐波失真校正信号的系统，所述电源有一个用来生成PWM变换器的输入信号的频率查表，所述电源包括一个用来对PWM变换器的输出滤波的输出滤波器，所述系统包括用来数字化输出滤波器的输出信号的装置;用来处理数字化的信号以便探测信号中的谐波失真的第一装置;以及用来处理所探测的谐波失真以便生成用来施加在PWM变换器的输入端从而从输出信号中基本上消除谐波失真的失真校正信号的第二装置。
11.如权利要求10所述的系统，其中用来处理的第一装置包括用来探测输出信号中的谐波失真的装置;以及用来计算所探测的谐波失真的振幅的装置。
12.如权利要求11所述的系统，其中用来处理的第二装置包括响应于所计算的谐波失真信号的振幅以便确定将使所探测的谐波失真信号趋近于零的谐波失真校正信号的分量的装置;以及响应于所确定的分量以便生成用来施加于电源的谐波失真校正信号的装置。
13.如权利要求12所述的系统，其中响应于所计算的振幅的装置包括响应于所探测的振幅的实分量和虚分量以便确定将使所探测的谐波失真趋近于零的失真校正信号的实分量和虚分量的比例积分补偿装置。
全文摘要
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和设备。该系统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。
文档编号H02J3/01GK1087453SQ9311479
公开日1994年6月1日 申请日期1993年11月15日 优先权日1992年11月16日
发明者小艾德温·W·罗沃德, 杜纳德·J·拉克斯 申请人:国际电力机械公司