單相UPS逆變器的多環(huán)控制策略研究

摘要：在單相不間斷電源(UPS)控制系統(tǒng)中，UPS的被控量是交流量，常用的控制算法很難對(duì)交流量實(shí)現(xiàn)無(wú)差控制，因此提出了一種多環(huán)控制策略，以提高單相UPS逆變器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。采用比例諧振調(diào)節(jié)器控制逆變器的輸出電壓，極大地提高了系統(tǒng)的靜態(tài)特性；采用適當(dāng)?shù)那梆佖?fù)載電流和負(fù)載電壓，有效地改善了單相UPS逆變器的動(dòng)態(tài)特性。建立了單相UPS逆變器的數(shù)學(xué)模型，并給出了比例調(diào)節(jié)器和比例諧振調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法。理論分析和一臺(tái)800 W逆變器樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制方案的可行性。
關(guān)鍵詞：逆變器；不間斷電源；比例諧振；多環(huán)控制

1 引言
    UPS主要由蓄電池、充放電電路、逆變電路和控制系統(tǒng)等幾部分組成，其中逆變電路及其控制系統(tǒng)是UPS電源的核心部分。單相UPS逆變器的被控量是50 Hz的交流量，而PI調(diào)節(jié)器不能對(duì)交流量實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)，要減小穩(wěn)態(tài)誤差，必須提高比例增益，但過(guò)高的比例增益，會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此PI控制算法不適合控制交流量。根據(jù)內(nèi)模原理，要實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制，控制環(huán)前向通道上必須含有外部輸入量的動(dòng)態(tài)模型。重復(fù)控制算法能根據(jù)被控對(duì)象，在控制環(huán)的前向通道上形成被控對(duì)象的內(nèi)模，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流量的無(wú)靜差控制。采用重復(fù)控制策略控制單相正弦波逆變器能得到較滿意的性能，但算法較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)也較困難。單相逆變器的多環(huán)控制策略與雙環(huán)控制策略相比，逆變器輸出電壓的波形有所改善，但仍存在靜態(tài)誤差。文獻(xiàn)研究了單相逆變器的比例諧振控制算法，但沒(méi)有考慮負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)的影響。針對(duì)以上問(wèn)題，這里提出了基于比例諧振控制的多環(huán)控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與其他單相逆變器的控制策略相比，該控制方案是一種理想的控制方案。

2 單相UPS逆變器工作原理及數(shù)學(xué)模型
    所研究的單相UPS逆變器采用單相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

    圖中負(fù)載可為線性負(fù)載或非線性負(fù)載。對(duì)單相逆變器的4個(gè)IGBT開關(guān)VS1～VS4進(jìn)行調(diào)制，將直流電壓Udc調(diào)制成PWM脈沖電壓，通過(guò)LC濾波器濾除高頻諧波，在輸出端得到幅值和頻率都可調(diào)的正弦波電壓。設(shè)m為調(diào)制度，根據(jù)電路定律，單相逆變器的數(shù)學(xué)模型為：
    [!--empirenews.page--]

3 雙環(huán)控制策略及其調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定
    采用電感電流反饋控制(內(nèi)環(huán))和輸出電壓反饋控制組成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。采用比例諧振調(diào)節(jié)器對(duì)輸出電壓進(jìn)行無(wú)靜差調(diào)節(jié)，采用比例調(diào)節(jié)器控制電感電流。為應(yīng)對(duì)負(fù)載變化引起的大范圍擾動(dòng)，在電壓外環(huán)中引入負(fù)載電流前饋控制，負(fù)載電流前饋控制與電壓調(diào)節(jié)器的輸出共同構(gòu)成了電感電流指令信號(hào)，整個(gè)控制框圖如圖2所示，Kdc為輸出電壓前饋系數(shù)。因?yàn)殡妷涵h(huán)與電流內(nèi)環(huán)之間存在耦合，因此在電流內(nèi)環(huán)中引入了輸出電壓的前饋。

3．1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)
    圖3示出電流環(huán)控制框圖。電流調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)器，Gci(s)=kip。電流環(huán)必須具有較高的動(dòng)態(tài)性能，所以動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)設(shè)定為：調(diào)整時(shí)間ts≤2 ms，最大超調(diào)量Mp<20％，上升時(shí)間tr≤0．3 ms。為有效抑制開關(guān)頻率附近(10 kHz及以上)的諧波，電流環(huán)截止頻率應(yīng)小于2kHz；為跟蹤50 Hz的電流指令，電流環(huán)截止頻率要大于500 Hz，因此電流環(huán)截止頻率選擇在500 Hz～2 kHz之間。

[!--empirenews.page--]
    確定了上述指標(biāo)和參數(shù)后，采用根軌跡法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。調(diào)整kip使閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)在合適位置。根據(jù)上述動(dòng)態(tài)指標(biāo)，最終選擇kip= 4．96，此時(shí)系統(tǒng)截止頻率為1．572 kHz，阻尼比為0．521。當(dāng)kip=4．96時(shí)，電流環(huán)根軌跡及階躍響應(yīng)如圖4所示。

    由圖4b可得：tr=0．38 ms，tr=1．2 ms，Mp=10％，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)基本滿足要求。此時(shí)電流環(huán)的幅值裕度為15．9 dB，相位裕量為56．2°，表明電流環(huán)具有良好的相對(duì)穩(wěn)定性。
3．2 電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)
    電壓調(diào)節(jié)器為比例諧振調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為：
   
    截止頻率ω、比例系數(shù)Kp、諧振系數(shù)K，決定調(diào)節(jié)器的特性。ωc決定了調(diào)節(jié)器的帶寬，減小ωc，可使調(diào)節(jié)器帶寬變窄，帶寬變窄后，調(diào)節(jié)器對(duì)控制信號(hào)的頻率非常敏感，當(dāng)頻率等于ω0時(shí)，產(chǎn)生無(wú)窮大的增益，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制；當(dāng)頻率在ω0附近時(shí)，增益較小，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制；當(dāng)增加Kp，頻帶以外的幅值增加，而諧振頻率處的幅值增幅不大，說(shuō)明Kp對(duì)諧振環(huán)節(jié)無(wú)影響；隨著Kr的增加，諧振頻率以外的幅值幾乎不變，但諧振頻率處的幅值增幅相對(duì)明顯，此特點(diǎn)有利于消除靜態(tài)誤差。Kp，Kr的變化，對(duì)諧振頻率處的相位影響都很小。
    根據(jù)圖2可得逆變器輸出電壓為：
   
    由式(3)可知，uo與指令電壓uref負(fù)載電流io都有關(guān)。由于Gu在諧振頻率附近有足夠大的增益，故式(3)中第1項(xiàng)的值趨近于uref，而第2項(xiàng)的值趨近于零，即只要合理地整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，uo即可準(zhǔn)確跟蹤uref，此時(shí)系統(tǒng)具有較高的抗干擾特性。[!--empirenews.page--]
    根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，整定參數(shù)時(shí)ωc通常選擇在5～15 rad·s-1之間，在此取ωc=10 rad·s-1，ωc確定后，Kp，Kr可按普通比例積分調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定方法進(jìn)行設(shè)定。在此取Kp=0．4944，Kr=30．9，校正后電壓環(huán)的根軌跡和單位階躍響應(yīng)如圖5所示。

    圖5a表明系統(tǒng)所有閉環(huán)極點(diǎn)都在左半平面內(nèi)，說(shuō)明系統(tǒng)穩(wěn)定。由圖5b可知，tr=1 ms，ts=14 ms，Mp=19％，基本滿足性能指標(biāo)的要求。根據(jù)波特圖，電壓環(huán)幅值裕度為12．4 dB，相角裕度為49°，說(shuō)明電壓環(huán)有很好的相對(duì)穩(wěn)定性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    為驗(yàn)證上述控制系統(tǒng)的可行性，在800 W的樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：直流電壓250V，輸出濾波器參數(shù)為L(zhǎng)=1 mH，r=0．05 Ω，C=40μF，輸出額定電壓為110 V，圖6示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

    圖6a為逆變器突加阻性負(fù)載時(shí)的電壓uo和電流io波形圖，可見，uo波形具有非常高的正弦度，帶負(fù)載時(shí)，uo有所減小，但電壓調(diào)整率小得多。圖6b為逆變器帶整流橋負(fù)載(非線性負(fù)載)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可見，uo波形正弦度較高，uo經(jīng)過(guò)FFT分析后，其THD=3．82％，但突然減載后，uO有所增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，逆變器無(wú)論是帶線性負(fù)載還是帶非線性負(fù)載，輸出電壓都具備較高的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，說(shuō)明了系統(tǒng)具有良好的負(fù)載適應(yīng)性，也證明了所提出的控制策略和算法是正確可行的。

5 結(jié)論
    針對(duì)單相UPS逆變器控制量的特點(diǎn)，采用比例諧振控制算法輸出電壓，提高了電壓的控制精度；采用負(fù)載電流前饋的控制方法，有效地抑制了負(fù)載的擾動(dòng)；采用輸出電壓前饋控制的方法，消除了電流環(huán)與電壓環(huán)之間的耦合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方案具有很高的控制精度和良好的暫態(tài)特性，證明該控制方案正確可行。