單相UPS逆變器復(fù)合控制策略

摘要：本文通過對脈寬調(diào)制（pulse width modulation,PWM）單相不間斷逆變電源（UPS）輸出特性的分析。提出了一種基于重復(fù)控制和模糊PI控制相結(jié)合的UPS逆變器的綜合控制策略。模糊PI控制提高UPS逆變器的動態(tài)特性，重復(fù)控制改善UPS逆變器的穩(wěn)態(tài)精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該策略能獲得具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性的波形。

1.引言

UPS通常用在對電源質(zhì)量要求很高的場合，如金融部門、醫(yī)療中心、通信系統(tǒng)、軍用設(shè)備等。一般要求UPS的輸出波形質(zhì)量好，動態(tài)響應(yīng)快，抗擾能力強(qiáng)。近年來，中外學(xué)者發(fā)展出了多種逆變電源波形控制技術(shù)：PID控制，無差拍控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，重復(fù)控制，模糊控制等。各種控制方法均具有各自的特點(diǎn)，表現(xiàn)出優(yōu)良的特性和不足。本文針對UPS逆變電源波形不能兼顧穩(wěn)態(tài)效果和動態(tài)效果的問題，建立了單相逆變器的數(shù)學(xué)模型，提出了基于重復(fù)控制和模糊PI控制相結(jié)合的新型控制策略。利用重復(fù)控制消除逆變器周期性干擾，提高其穩(wěn)態(tài)精度，利用模糊PI控制改善逆變器對非周期擾動的瞬態(tài)響應(yīng)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于該控制器控制的UPS輸出波形質(zhì)量好，穩(wěn)態(tài)精度高，動態(tài)響應(yīng)快。

2.單相全橋PWM逆變器的結(jié)構(gòu)

單相全橋逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中，T1~T4為IGBT開關(guān)器件，E為直流輸入電壓，濾波電感L和濾波電容C構(gòu)成低通濾波器，電阻r與濾波電感L相串聯(lián)，它為死區(qū)效應(yīng)和各環(huán)節(jié)的損耗提供了一個小的阻尼。

選取電容C與電感L作為狀態(tài)變量，根據(jù)基爾霍夫電壓定理KVL和電流定理KCL,我們可以得到逆變器的數(shù)學(xué)模型如下：

得出單相逆變器的連續(xù)時間狀態(tài)方程：

由此狀態(tài)方程我們可以得到逆變器通用連續(xù)狀態(tài)空間模型為：

3.模糊PI控制器

模糊PI控制器主要由參數(shù)模糊化、模糊推理、解模糊和PI控制器組成，圖2示出其原理框圖。本文采用二維結(jié)構(gòu)模糊控制器，以采樣信號與參考信號的誤差e和誤差的變化率ec為輸入量，以控制量的變化為輸出量，這樣的模糊PI控制結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)控制性能良好。接下來將輸入量進(jìn)行模糊化處理得到誤差E和誤差的微分量EC,控制器的輸出量為p Δk , i Δk .先找出p Δk , i Δk 與E和EC之間的模糊關(guān)系，再根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，對參數(shù)進(jìn)行在線修正，將算出的參數(shù)代入下式計(jì)算：

式中0p k , 0i k 為PI參數(shù)的初始設(shè)定值，由控制系統(tǒng)的特性決定。

建立模糊規(guī)則的原則是使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動靜態(tài)特性達(dá)到最佳：當(dāng)誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時，選擇控制變量要以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主，防止系統(tǒng)超調(diào)。因此通過仿真和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可得到針對p Δk , i Δk 的模糊規(guī)則表。

4.重復(fù)控制器設(shè)計(jì)

重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的一種控制方法，包括重復(fù)信號發(fā)生器模塊和補(bǔ)償器模塊。

它將重復(fù)信號發(fā)生器作為周期性擾動信號植入控制系統(tǒng)中，能有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差跟蹤控制。本設(shè)計(jì)采用改進(jìn)型重復(fù)控制器，即在重復(fù)信號發(fā)生器內(nèi)模中附加一濾波器，如圖3所示。

圖3中，r為逆變器給定信號，y為逆變器輸出電壓，e為誤差信號，d為死區(qū)、負(fù)載等其它周期性擾動等效信號，z?N為周期延遲環(huán)節(jié)，N為一個工頻周期的采樣次數(shù)，Q（z）通過正反饋環(huán)節(jié)將誤差信號進(jìn)行周期性累加，它可以是一個略小于l的參數(shù)或低通濾波器，工程上常取Q（z）=0.9.z?N和Q（z）構(gòu)成了重復(fù)信號發(fā)生器。C（z）為重復(fù)控制環(huán)路補(bǔ)償器。

補(bǔ)償器C（z）根據(jù)控制對象P（z）的特性設(shè)置，在檢測到上一周期的誤差信息后，補(bǔ)償器C（z）負(fù)責(zé)在下一周期給出幅值相位準(zhǔn)確的控制量。通常可以采用以下形式實(shí)現(xiàn)：

其中： r K 為可調(diào)增益。r K 越小，穩(wěn)定裕度越大；反之， r K 越大，誤差收斂速度越快，穩(wěn)態(tài)誤差越小，本文r K 取為0.86.zk為超前環(huán)節(jié)，是補(bǔ)償器C（z）進(jìn)行相位補(bǔ)償所必需的，本文k取6. （ ） 1 C z 常取為一個截止頻率與P（z）近似的二階低通濾波器以實(shí)現(xiàn)高頻衰減，提高穩(wěn)定性和抗高頻干擾能力。與模糊PI自整定控制構(gòu)成復(fù)合控制器如圖4所示。

5.仿真實(shí)驗(yàn)分析

本文研究一個11KV的UPS電源，基本技術(shù)參數(shù)如下：直流母線電壓E=380V;額定輸出電壓UO=220V;額定輸出電壓頻率：f=50Hz;額定輸出功率：P=11KVA;輸出濾波電感：

L=0.43mH;輸出濾波電容：C=140uF;等效阻尼電阻：r=0.1Ω，PWM開關(guān)頻率fSW=10KHz.

基于MATALAB仿真軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

由圖5可知，穩(wěn)態(tài)時，穩(wěn)態(tài)精度為0.14%,T H D = 0 . 1 1 %;半載突加滿載時電壓跌落為19.8V,電壓變化率為6.4%.

6.結(jié)論

本文針對UPS逆變電源，提出一種將重復(fù)控制與模糊PI控制相結(jié)合的控制策略，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，結(jié)果表明所采用的控制方案使UPS的輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度高，穩(wěn)態(tài)誤差小，動態(tài)響應(yīng)快。諧波畸變較小，獲得了預(yù)期效果。（作者：兗文宇，于少娟，趙飛）