基于重復控制的全數字UPS逆變器

摘要：分析了逆變器波形重復控制技術(shù)的原理和設計方法，提出了雙環(huán)PI控制和重復控制相結合的復合控制方法，仿真和實(shí)驗結果表明該方法對于非線(xiàn)性負載下的UPS逆變器輸出波形具有校正作用。

關(guān)鍵詞：重復控制；UPS逆變器；雙環(huán)PI控制

1 引言

衡量UPS逆變器性能的好壞，通常有以下一些指標：電壓、頻率、總諧波含量（THD）、負載調整率、動(dòng)態(tài)響應等，上述這些指標的好壞是與逆變器的控制息息相關(guān)的。由于電力電子設備的模擬控制技術(shù)存在著(zhù)一些其自身無(wú)法克服的缺點(diǎn)^[1]，控制手段已經(jīng)大大落后于現代控制理論的發(fā)展，所以其向數字控制的轉變已是必然趨勢。

UPS的應用場(chǎng)合要求非常高，因此，單電壓環(huán)控制顯然無(wú)法滿(mǎn)足應用要求，為了提高逆變器的靜態(tài)動(dòng)態(tài)特性，需要采用多環(huán)控制技術(shù)。電流模式控制是一種多環(huán)控制策略，它用誤差電壓的調節輸出作為反饋電流的指令，能夠獲得比較好的靜態(tài)動(dòng)態(tài)特性,但是不能解決在非線(xiàn)性負載（如整流橋負載）下輸出電壓THD較高的問(wèn)題。近年來(lái)，隨著(zhù)電機控制的專(zhuān)用DSP的推出，基于DSP的逆變器數字控制技術(shù)發(fā)展很快，應用波形重復控制技術(shù)^[4，5]，可以有效地解決上面提到的問(wèn)題。但是重復控制也有缺點(diǎn)，就是其動(dòng)態(tài)特性非常差。本文介紹的復合控制把上述兩種控制方法結合在一起，揚長(cháng)避短，獲得了很好的效果。

2 電感電流模式控制

一般有以下幾種電流模式控制方法^[3]：滯環(huán)電流控制，電流預測控制和SPWM電流控制。其中SPWM電流控制方法是將電流誤差信號與三角波比較，產(chǎn)生4路SPWM控制信號，它的開(kāi)關(guān)頻率是恒定的，同時(shí)控制邏輯也很容易實(shí)現。SPWM電流控制在電感電流模式控制中是一種比較好的控制方法。圖1是電感電流模式控制框圖，參考正弦電壓與輸出電壓相減后得到誤差電壓，誤差電壓經(jīng)過(guò)PI調節之后的輸出作為電感電流的指令，電流誤差信號經(jīng)過(guò)比例調節之后與三角波比較產(chǎn)生控制信號。由于電感電流等于電容電流與負載電流之和，其中電容電流為輸出電壓的微分，電感電流模式控制相當于使系統能超前對輸出電壓進(jìn)行控制，因此能夠取得比較好的動(dòng)態(tài)特性。另外電感電流中包含了負載電流，所以又可以起到對負載限流的作用。

圖1 電感電流模式雙環(huán)控制

3 重復控制

重復控制是一種基于內模原理的控制方法[4]，內模原理指出：系統在穩定狀態(tài)下無(wú)穩態(tài)誤差地跟蹤參考輸入信號的前提條件是閉環(huán)控制系統穩定且閉環(huán)控制系統中包含有參考輸入信號的傳遞函數。

為了實(shí)現重復控制系統，必須首先產(chǎn)生一個(gè)周期性的激勵信號來(lái)消除由參考輸入信號或干擾產(chǎn)生的周期性誤差。圖2是產(chǎn)生這個(gè)周期性激勵信號的兩種方法。

(a)方法1

(b)方法2

圖2重復控制器中的內模原理

圖2（a）中的周期激勵信號由模擬的方法實(shí)現，圖2（b）中的周期激勵信號由數字的方法實(shí)現。圖2（b）中的N為每個(gè)工頻周期內輸出電壓的采樣次數，滿(mǎn)足關(guān)系式：

L=NT_s（1）

式中：T_s為輸出電壓的采樣周期。

輸入信號E對應的是逆變器控制中的輸出電壓的誤差信號，圖中的內模結構是一個(gè)正反饋系統，輸出C是對E的逐周期累加，只要輸入不為零，輸出就將逐周期變化，直至系統的輸出電壓跟蹤誤差為零。這時(shí)，輸出C將保持不變，從而使系統的輸出電壓一直能夠無(wú)誤差的跟蹤輸入參考信號。

逆變器的重復控制結構框圖[4]如圖3所示，虛線(xiàn)框內即為離散重復控制器，各環(huán)節的傳遞函數介紹如下：

圖3逆變器重復控制結構框圖