UPS逆變器控制方法比較分析

摘要：對逆變器控制中的各種方法進(jìn)行了對比分析，簡(jiǎn)要敘述了各種控制方法的控制原理和優(yōu)缺點(diǎn)。最后指出了逆變器控制的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：不間斷電源；逆變器并聯(lián)；數字控制

引言

UPS被廣泛地應用在保護敏感負載，如PC機，服務(wù)器，醫療設備，通訊系統的電源故障或者電源的干擾，為這些重要負載提供了高質(zhì)量高可靠性的純凈電源。

逆變器是UPS的核心，它把直流電轉換成用戶(hù)所需的穩壓穩頻的交流電。對于UPS來(lái)說(shuō)，逆變器輸出電壓的質(zhì)量決定了其整體性能。下面對近年來(lái)的各種控制方法做一個(gè)比較分析。

1 目前流行的控制方法評析

半個(gè)多世紀以來(lái)，在很多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中，應用模擬PID控制器獲得了良好的效果。近年來(lái)，隨著(zhù)數字控制器的不斷發(fā)展，數字控制器亦得到了廣泛的應用。數字PID控制算法由比例、積分、微分三種算法組成，它克服了模擬PID控制器的許多不足和缺點(diǎn)，可以方便地調整PID參數，具有很大的靈活性和很強的適用性。與其它控制方法相比，數字PID控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）PID算法蘊含了動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中過(guò)去、現在和將來(lái)的主要信息，控制過(guò)程快速、準確、平穩，具有良好的控制效果；

2）PID算法在設計過(guò)程中不過(guò)分依賴(lài)系統參數，系統參數的變化對控制效果的影響很小，控制的適應性好，具有較強的魯棒性；

3）PID算法簡(jiǎn)單明了，便于用單片機或DSP實(shí)現。

但是，UPS逆變器采用數字PID控制算法也有兩方面的局限性。一是系統的采樣量化誤差降低了算法的控制精度；二是采樣和計算延時(shí)使得被控系統成為一個(gè)具有純時(shí)間滯后的系統，造成了PID控制器穩定域減少，增加了設計難度。

1.1 預測控制

預測控制可以實(shí)現很小的電流畸變，抗噪音能力強，但是，這種算法要求知道精確的負載模型和電路參數，而且有數值計算造成的延時(shí)在實(shí)際應用中也是一個(gè)問(wèn)題[1]。

1.2 滯環(huán)控制

滯環(huán)控制具有快速的響應速度，較高的穩定性，但是，滯環(huán)控制的開(kāi)關(guān)頻率不固定，使電路工作可靠性下降，輸出電壓的頻譜變差，對系統性能不利。

1.3 無(wú)差拍控制

無(wú)差拍控制最先是由卡爾曼提出的，它是一種基于被控制對象精確數學(xué)模型的控制方法。無(wú)差拍控制的基本思想是根據逆變器的狀態(tài)方程和輸出反饋信號（通常是輸出濾波電容的電壓和電流）推算出下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的PWM脈沖寬度。PWM脈沖寬度是根據當前時(shí)刻狀態(tài)向量和下一采樣時(shí)刻的參考正弦值計算出來(lái)的，因此，從理論上可以使輸出電壓在相位和幅值上都非常接近參考電壓，由負載變化或非線(xiàn)性負載引起的輸出電壓誤差可在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內得到校正。無(wú)差拍控制要求控制脈寬必須當拍計算當拍輸出，否則不僅會(huì )破壞了控制特性，甚至還會(huì )影響系統的穩定性。由于采樣和計算延時(shí)，要做到當拍計算當拍輸出必然使輸出脈沖的占空比受到限制，這就降低了輸入直流電壓的利用率。無(wú)差拍控制的控制參數是和輸出濾波器參數、直流母線(xiàn)電壓以及負載息息相關(guān)的，只要它們當中的一個(gè)發(fā)生變化，控制參數就得作相應的調整，否則就會(huì )導致控制失效，所以，無(wú)差拍控制系統的魯棒性很差。

1.4 滑?？刂?/P>

滑?？刂剖且环N非線(xiàn)性控制，這種控制的特點(diǎn)是控制的非連續性，它使系統在一定條件下沿著(zhù)規定的軌跡做高頻率、小振幅的上下運動(dòng)[2]。這種控制既可以用于線(xiàn)性系統也可用于非線(xiàn)性系統。對于連續系統，由于控制的不連續使其變?yōu)榉蔷€(xiàn)性系統，對于非連續系統，不僅有非連續特性還包含有非線(xiàn)性系統的動(dòng)力學(xué)特性。這種控制方法具有很強的魯棒性。U是切換函數

式中：s=c1x＋c2x＋...＋cnx；

x是系統的狀態(tài)信息；

u（x）是所采取的控制策略。

這種控制的目的是通過(guò)求取切換函數中的各常數值，使得所采取的控制策略滿(mǎn)足滑模運動(dòng)所要求的穩定性和動(dòng)態(tài)特性。這種控制的缺點(diǎn)是要得到一個(gè)令人滿(mǎn)意的滑模面是很困難的。

1.5 重復控制

重復控制是一種基于內模原理的控制方法，內模原理是把作用于系統的外部信號的動(dòng)力學(xué)模型植入控制器以構成高精度反饋控制系統的一種設計原理[3]。逆變器采用重復控制的目的是為了消除因整流橋負載引起的輸出電壓波形周期性的畸變。其控制思想是假定前一周期出現的輸出電壓波形畸變將在下一周期的同一時(shí)刻再次出現，控制器根據參考信號和輸出電壓反饋信號的誤差來(lái)確定所需的校正信號，然后，在下一個(gè)基波周期將此校正信號疊加在原控制信號上，這樣就可以消除輸出電壓的周期性畸變。重復控制器可以消除周期性干擾產(chǎn)生的穩態(tài)誤差，但是，由于重復控制延時(shí)一個(gè)工頻周期的控制特點(diǎn)，使得單獨使用重復控制的UPS逆變器動(dòng)態(tài)特性極差，無(wú)法滿(mǎn)足UPS逆變器的指標要求。

1.6 模糊控制

模糊控制屬于智能控制的范疇。系統的復雜性和模型的精確性總是存在著(zhù)矛盾，許多控制方法都要求有被控對象的精確模型，而模糊控制器的設計不需要被控對象的精確數學(xué)模型，因此，具有很強的魯棒性和自適應性。模糊控制有3個(gè)基本組成部分，即模糊化、模糊決策和精確化計算。其工作過(guò)程可簡(jiǎn)單描述如下：首先將信息模糊化，然后經(jīng)模糊推理規則得到模糊控制輸出，最后將模糊指令進(jìn)行精確化計算最終輸出控制值。模糊控制勿須知道輸入輸出間的數學(xué)依存關(guān)系，給定一個(gè)輸入，便可以根據控制規則表得到一個(gè)合適的輸出，控制算法簡(jiǎn)單、計算時(shí)間較少。逆變器采用模糊控制有利于提高控制的實(shí)時(shí)性，改善逆變器輸出電壓波形質(zhì)量。模糊控制主要依賴(lài)模糊規則和模糊變量的隸屬度函數。如果對信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的模糊化處理會(huì )導致被控系統控制精度的降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差，為了提高系統精度必然要增加量化等級，這樣就使得規則迅速增多，影響了規則庫的最佳生成，而且會(huì )增加系統的復雜性和推理時(shí)間。模糊控制是主要用于滯后系統、非線(xiàn)性系統、時(shí)變系統，這種控制不要求知道系統的精確數學(xué)模型，這種控制根據控制量的個(gè)數可以分為一維模糊控制器、二維模糊控制器和三維模糊控制器。模糊控制類(lèi)似于傳統的PD控制，因而，這種控制有很快的響應速度，但是，其靜態(tài)特性不令人滿(mǎn)意。模糊控制框圖如圖1所示。

1.7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制是模擬人腦神經(jīng)中樞系統智能活動(dòng)的一種控制方式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )具有非線(xiàn)性映射能力，并行計算能力和較強的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地應用于控制領(lǐng)域，尤其是非線(xiàn)性系統領(lǐng)域。隨著(zhù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制芯片的出現，一些學(xué)者正在研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制在逆變電源中的應用，目前在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構的設計、學(xué)習算法等方面已取得了一定成果。但是，由于硬件系統的限制，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制還無(wú)法實(shí)現對逆變器輸出電壓波形進(jìn)行在線(xiàn)控制，多數應用都是采用離線(xiàn)學(xué)習獲得優(yōu)化的控制規律，然后利用得到的規律實(shí)現在線(xiàn)控制。

1.8 空間矢量PWM技術(shù)

空間矢量PWM技術(shù)既可以用在開(kāi)環(huán)控制也可以用在閉環(huán)系統中，空間矢量控制可以獲得100％的直流母線(xiàn)電壓利用率?？臻g矢量方法把三相逆變橋所有開(kāi)關(guān)狀態(tài)分為8種，2種狀態(tài)為0。這8種矢量的合成就產(chǎn)生了空間矢量波形。每一時(shí)刻給定的電壓矢量都可以由2個(gè)非零矢量合成產(chǎn)生，這個(gè)二維空間被6個(gè)非零矢量分為相等的6個(gè)區域，首先計算給定的電壓矢量處于哪個(gè)區域，然后用該區域相鄰的兩個(gè)矢量合成出所需的電壓矢量，為了保證每一個(gè)開(kāi)關(guān)器件在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中最多只開(kāi)通關(guān)斷一次，所以，要根據一定的開(kāi)關(guān)順序將2個(gè)電壓矢量發(fā)出，中間按一定的原則插入零矢量。這種控制方式也需要電路的精確模型。

2 不同反饋環(huán)路數目的逆變器控制

2.1 電壓瞬時(shí)值單環(huán)反饋

電壓瞬時(shí)值單環(huán)控制框圖如圖2所示。電壓瞬時(shí)值反饋控制的原理是：用參考正弦波電壓與輸出電壓瞬時(shí)反饋值進(jìn)行比較得到電壓誤差，電壓誤差經(jīng)PI或PID調節后的控制輸出量與三角波比較得到PWM控制脈沖。這種控制方法能夠實(shí)時(shí)地調節輸出電壓的波形，比較好地抑制元器件的非線(xiàn)性特性和直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)帶來(lái)的影響，在一定程度上改善了逆變器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。但是，由于這種控制方法只有單電壓環(huán)控制，當負載發(fā)生比較大的動(dòng)態(tài)變化（如負載的電流突然變大）時(shí)，逆變器的輸出電壓會(huì )有比較大的畸變，而且動(dòng)態(tài)調節比較慢。

2.2 電壓電流雙環(huán)反饋

圖3是輸出電壓和電感電流雙環(huán)控制框圖[4]。

在這種控制模式下，參考正弦電壓與輸出電壓相減后得到的誤差電壓經(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。這種方法是目前應用最為普遍的控制方法之一。電感電流中包含了負載電流，因此可以起到對負載限流的作用。電感電流的方向是進(jìn)行死區效應補償的必要條件，采用電感電流模式可以方便地對死區進(jìn)行補償。

圖6

2.3 多環(huán)反饋策略

多環(huán)控制框圖如圖4所示。電路中采用了輸出電壓反饋、濾波電容電流反饋和參考電壓前饋。前饋環(huán)節的加入減小了負載的擾動(dòng)效應。輸出電容電流則是輸出電壓的真正微分，它對于負載電流的突變非常敏感，能在輸出電壓發(fā)生畸變之前做出校正，因此，電容電流采樣的雙環(huán)控制可以極大地提高系統的動(dòng)態(tài)反應速度，使逆變器輸出電壓在整流型負載下也能獲得較好的波形。

3 逆變器的并聯(lián)策略

要實(shí)現逆變器的并聯(lián)運行，關(guān)鍵是各逆變器應共同負擔負載電流，即要實(shí)現均流控制。環(huán)流的大小，不僅跟逆變器輸出電壓的幅值有關(guān)，而且跟輸出電壓的相位也有關(guān)系。因此，UPS的并聯(lián)比一般的直流電源并聯(lián)要復雜得多，它必須滿(mǎn)足以下3個(gè)條件：

1）各個(gè)逆變器的輸出電壓的幅值必須相等；

2）各個(gè)逆變器的輸出電壓的頻率必須相等；

3）各個(gè)逆變器的輸出電壓的相位必須一致。

逆變電源并聯(lián)控制方法一般分為集中控制、主從控制、分散式控制和無(wú)互聯(lián)線(xiàn)控制4種方案。

采用冗余并機技術(shù)，即將逆變器的輸出端直接連接同時(shí)給負載供電，可以提高UPS的容量和系統的可靠性，使成本下降，可維護性增強，但是，并聯(lián)模塊越多，各模塊間的均流問(wèn)題越難解決。

3.1 集中式控制

在早期的逆變器并聯(lián)控制中多采用集中式控制技術(shù)，其控制框圖如圖5所示。

圖7

集中控制的特點(diǎn)是存在一個(gè)集中控制器。集中控制器給每個(gè)并聯(lián)逆變器提供統一的基準信號，由各個(gè)逆變器的鎖相電路保證其輸出電壓的頻率和相位與基準信號保持一致。由集中控制器檢測出總負載電流IL，然后將IL除以n作為各臺逆變電源的電流指令，各逆變電源檢測出各自的實(shí)際輸出電流后，求出電流偏差。假如各逆變器輸出電壓的頻率和相位偏差不大時(shí)，可以認為電流的偏差主要是由于電壓幅值的不一致引起的。因此，這種控制方式可將電流偏差作為電壓輸出指令的補償量，用于消除電流的不平衡。

由于集中控制器的作用，這種控制方式比較簡(jiǎn)單，且均流的效果也較好。但是，集中控制器的存在使得系統的可靠性有所下降，一旦控制器發(fā)生故障將導致整個(gè)供電系統的崩潰，所以，集中控制式并聯(lián)的可靠性不高。

3.2 主從式并聯(lián)控制

主從式并聯(lián)系統圖如圖6所示。為了避免集中控制器故障而引起系統的崩潰，提出了一種主從并聯(lián)控制。通過(guò)將并聯(lián)控制器放到每臺逆變器中，通過(guò)一定的邏輯確定一臺為主機，如將最先啟動(dòng)的一臺或固定的某臺逆變器確定為主機。當主機出現故障時(shí)，故障機自動(dòng)的退出系統，一臺從機自動(dòng)地切換為主機，執行主機可控制功能。這種控制方法的原理與集中控制是一樣的，只是避免了控制器出現故障時(shí)整個(gè)系統的崩潰，提高了系統的可靠性。

在一些主從控制并聯(lián)系統中，正常運行時(shí)只有主機的內部存在電壓環(huán)，從機內部沒(méi)有電壓環(huán)，從機接收主機的電壓環(huán)輸出作為電流環(huán)的電流指令，因此，主機是電壓型逆變電源，從機是電流型逆變電源。

主從控制解決了單個(gè)逆變器故障的問(wèn)題，但是，由于存在主從切換的問(wèn)題，其可靠性也就打了一定的折扣。一旦主從切換失敗，必將導致系統的癱瘓。

3．3 分散式并聯(lián)控制

圖7是一種采用三個(gè)平均信號作為逆變器之間的并聯(lián)總線(xiàn)信號的控制框圖，從這個(gè)框圖中可以看出分布式系統的一般特點(diǎn)。圖7中ave是一個(gè)求平均值的電路，通過(guò)這個(gè)電路，逆變器之間的反饋電壓vf，參考電壓vr及反饋電流if的平均值都被用于每個(gè)逆變器的控制，各個(gè)逆變器的控制功能完全一致，加入或者去掉一個(gè)逆變器模塊對系統來(lái)說(shuō)也就不需要額外的邏輯判斷了，很適合冗余系統的維護。

在分散式控制中，整個(gè)系統中各臺逆變器的地位是相等的。當某臺逆變器一旦發(fā)生故障，該臺逆變器就自動(dòng)的退出系統，而其余的逆變器不受影響。分散控制的并聯(lián)系統解決了集中控制和主從控制中存在的單臺逆變器故障導致整個(gè)系統癱瘓的缺點(diǎn)，使并聯(lián)系統的可靠性大大的提高。

雖然分散式控制方案使系統運行具有較高的可靠性，但是，隨著(zhù)并聯(lián)系統中逆變器數量的增加，逆變器之間的相互連線(xiàn)將變得復雜；同時(shí)，各臺逆變器之間的距離也將隨之擴大，從而導致連線(xiàn)的困難，干擾也比較嚴重?？傊?，隨著(zhù)并聯(lián)逆變器的增多，將降低系統的可靠性。

圖8

3．4 無(wú)互連線(xiàn)式并聯(lián)

為了減少逆變器之間的連線(xiàn)，近年來(lái)提出了一種無(wú)互連線(xiàn)式的UPS并聯(lián)系統，其控制框圖如圖8所示。

這種無(wú)互連線(xiàn)式的并聯(lián)的原理是基于逆變器的外特性下垂法[5]。模塊間沒(méi)有控制信號連線(xiàn)。它僅以本模塊有功功率、無(wú)功功率和失真功率為控制變量，從而使各模塊獨立工作。各模塊有自己的控制電路，之間唯一的?接是各模塊交流并聯(lián)功率輸出線(xiàn)。均流靠模塊內部輸出頻率、電壓和諧波電壓分別隨輸出的有功功率、無(wú)功功率和失真功率呈下垂特性，從而實(shí)現同步和均流。在具體的實(shí)現中，一般通過(guò)逆變器的控制器，使它的頻率和電壓外特性下垂。但是，這種控制方法存在一個(gè)嚴重的缺陷，即逆變器的輸出特性必須設計為軟特性，輸出電壓和頻率必須隨著(zhù)負載的大小變化，對于一個(gè)利用下垂特性的系統來(lái)說(shuō)在從空載到滿(mǎn)載變化時(shí)，頻率將會(huì )變化2rad/s，幅值將會(huì )變化10％，這對于一個(gè)電源來(lái)說(shuō)是不可接受的。

4 逆變器控制的發(fā)展方向

逆變器可采用的控制方法種類(lèi)繁多，每一種控制方法都有其獨特的優(yōu)點(diǎn)及適用場(chǎng)合，也有其不足之處。同時(shí)采用不同的控制方法形成復合控制，可以實(shí)現取長(cháng)補短、優(yōu)勢互濟的目的，因此，復合控制是逆變器控制方法的一個(gè)發(fā)展趨勢。隨著(zhù)控制理論和數字處理芯片的迅速發(fā)展，使各種先進(jìn)控制方法的實(shí)現成為可能，逆變器的數字化控制方法成了今后交流電源領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。