電源：智能UPS控制技術(shù)研究

標簽：UPS逆變器電源

1　引言

在計算機網(wǎng)絡(luò )及其相關(guān)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)迅猛發(fā)展的推動(dòng)下，為確保在進(jìn)行信息資源共享時(shí)所獲得的數據、文件和圖形等資料具有高度的真實(shí)可靠性、連續性和高保真度UPS(不間斷電源)正越來(lái)越廣泛地被應用到國民經(jīng)濟的各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，智能信息處理以及基于網(wǎng)絡(luò )的遠程監控等新技術(shù)逐步應用于UPS中，構成了全智能化的UPS系統，方便了用戶(hù)、提高了可靠性。本文著(zhù)重介紹UPS控制技術(shù)，分析了UPS的PID控制技術(shù)的特性并深入分析了基于PID控制和重復控制的復合控制策略。

2　控制策略概述

UPS逆變器的數字控制技術(shù)成為了當前逆變器研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，出現了多種逆變器數字化控制方法，包括數字PID控制、狀態(tài)反饋控制、無(wú)差拍控制、重復控制、模糊控制等，有力地推動(dòng)了UPS技術(shù)的發(fā)展。

每一種控制方案都各有其長(cháng)短。某些控制方法雖然具有較好的動(dòng)態(tài)響應速度，但穩態(tài)輸出電壓諧波失真度又達不到要求;某些控制方法雖然同時(shí)具有較高的動(dòng)態(tài)和穩態(tài)精度，但它對參數變化很敏感，魯棒性不好;某些控制方法有很好的穩態(tài)精度，但動(dòng)態(tài)響應效果卻很差;某些控制方法受硬件水平的限制，目前還不能得到很好的應用。因此，一種必然的發(fā)展趨勢是各種控制方案互相滲透，相互取長(cháng)補短，構成復合的控制方案。

3　數字PID控制

在UPS逆變器控制中，最常用、最簡(jiǎn)單的方法是PID控制，具體實(shí)現方式包括電壓瞬時(shí)值反饋控制和電壓電流雙閉環(huán)反饋控制，圖1所示為電壓瞬時(shí)值反饋控制。

圖1　UPS逆變器數字PID控制

電壓瞬時(shí)值反饋的控制策略?xún)?yōu)點(diǎn)是只使用了一個(gè)電壓傳感器，缺點(diǎn)是系統動(dòng)態(tài)響應特性不好，跟蹤特性不是很好, 波形質(zhì)量欠佳。圖2為采用此控制方法在10KVA逆變器上帶容性負載時(shí)的輸出電壓波形。從圖中可以看出波形失真度較大，難以滿(mǎn)足高質(zhì)量電源的要求。

圖2 帶感性負載電流為33A和20A時(shí)電壓波形

改善電壓源逆變器的動(dòng)態(tài)特性的方法之一是增加一個(gè)電流閉環(huán)。在這種控制策略中，濾波電容的電流(也就是輸出電壓的微分)作為一個(gè)反饋變量引入到控制系統中，達到改善輸出波形質(zhì)量，它必須使用一個(gè)霍爾傳感器來(lái)檢測濾波電容電流，增加了系統的復雜性和成本。

4　基于PID控制和重復控制的復合控制

逆變器控制器是一個(gè)參考給定呈正弦變化的調節系統，而不是一個(gè)恒值給定的調節系統。同時(shí)，系統的擾動(dòng)即負載電流，也不是一個(gè)恒值擾動(dòng)，當接線(xiàn)性負載時(shí)，負載電流呈正弦變化;而當帶非線(xiàn)性負載時(shí)，電流按非正弦規律變化。針對正弦指令的無(wú)靜差跟蹤問(wèn)題，可以在控制器中植入一個(gè)與參考給定同頻的正弦信號模型。

(1-1)

其中ω為正弦指令的角頻率?？梢则炞C，當指令和擾動(dòng)都以角頻率ω做正弦變化時(shí)，一個(gè)穩定的包含(1-1)所示內模的調節系統是無(wú)靜差的。然而這只是在假定為線(xiàn)性負載的條件下得到的結論。實(shí)際負載要比這復雜的多，而且大多為整流性負載。這樣的負載電流是非正弦的，其中包含了基波以及基波頻率整數倍的多重諧波。因此實(shí)際的擾動(dòng)頻率成分是很豐富的，如果對所有的這些頻率的擾動(dòng)均實(shí)現無(wú)靜差，植入正弦信號內模的方法就不適合了。

擾動(dòng)信號都有一個(gè)共同特征，即在每一個(gè)基波周期都以相同的波形重復出現。因此，基于內模原理的重復控制可采用如下的一種“重復信號發(fā)生器”內模。其傳遞函數為：

(1-2)

其中L為逆變器輸出基波周期。將其離散化，得到延遲一個(gè)周期的正反饋環(huán)節。這一延遲環(huán)節正是重復控制的致命缺點(diǎn)，它對跟蹤誤差的調節作用滯后一個(gè)工頻周期。因此考慮將PID控制方式與重復控制方式結合在一起，形成了基于PID和重復控制的新型UPS逆變器波形控制方法，利用重復控制改善系統的穩態(tài)輸出波形質(zhì)量，利用數字PID控制提高系統的動(dòng)態(tài)特性，使系統兼具良好的穩態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

前饋控制的目的是改善數字PID控制器的控制效果，進(jìn)一步減小動(dòng)態(tài)過(guò)程中輸出電壓的波動(dòng)和波形畸變，改善數字PID控制系統的穩定性。離散重復控制器,用來(lái)消除系統的周期性跟蹤誤差，減小UPS逆變器帶非線(xiàn)性整流負載時(shí)的輸出電壓波形畸變。數字PID控制器，作用是對輸出電壓跟蹤誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)調整，減小系統受到干擾時(shí)的輸出電壓波動(dòng)和畸變?？刂瓶驁D如圖3所示。圖中主要環(huán)節介紹如下：

1)z-N ：周期延遲環(huán)節，使本周期誤差信息從下一周期開(kāi)始影響矯正量。

2)Q(z) ：為克服對象模型不精確，增強系統穩定性而設置的?？扇∫粋€(gè)小于1的常數。

3)S(z) ：補償環(huán)節，用于改造對象特性。

4) zk ：相位補償，滿(mǎn)足系統頻率響應要求。

5)a ：比例因子。用來(lái)維持系統的穩定性。

圖3基于PID控制和重復控制的復合控制框圖

5　實(shí)驗結果

依照上述模型，用simulink仿真可初步確定控制器的參數，開(kāi)始用較保守的參數在10KVA的逆變模塊上試驗.，調整參數使系統達到較好的靜動(dòng)態(tài)特性。系統參數為：輸入直流電壓為200V、輸出頻率50HZ、開(kāi)關(guān)頻率19.6HZ、濾波電感120uH、濾波電容15uF。圖4左為帶阻性負載，電流為36A時(shí)的電壓電流波形;右為帶整流性負載，電流為20A時(shí)的電壓電流波形。

圖4 帶阻性、整流性負載時(shí)電壓電流波形圖

從以上兩圖可以看出，基于PID控制和重復控制的復合控制策略具有較好的波形控制效果，特別是對非線(xiàn)性整流負載具有很好的諧波抑制效果，同時(shí)系統還具有較好的動(dòng)態(tài)響應特性。因此，本文介紹的基于PID控制和重復控制的復合控制策略具有較高的應用價(jià)值。

參考文獻

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