基于重復(fù)控制的全數(shù)字UPS逆變器

摘要：分析了逆變器波形重復(fù)控制技術(shù)的原理和設(shè)計(jì)方法，提出了雙環(huán)PI控制和重復(fù)控制相結(jié)合的復(fù)合控制方法，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法對(duì)于非線性負(fù)載下的UPS逆變器輸出波形具有校正作用。

關(guān)鍵詞：重復(fù)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(biāo)：電壓、頻率、總諧波含量（THD）、負(fù)載調(diào)整率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等，上述這些指標(biāo)的好壞是與逆變器的控制息息相關(guān)的。由于電力電子設(shè)備的模擬控制技術(shù)存在著一些其自身無法克服的缺點(diǎn)^[1]，控制手段已經(jīng)大大落后于現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，所以其向數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變已是必然趨勢(shì)。

UPS的應(yīng)用場(chǎng)合要求非常高，因此，單電壓環(huán)控制顯然無法滿足應(yīng)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(diào)節(jié)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性負(fù)載（如整流橋負(fù)載）下輸出電壓THD較高的問題。近年來，隨著電機(jī)控制的專用DSP的推出，基于DSP的逆變器數(shù)字控制技術(shù)發(fā)展很快，應(yīng)用波形重復(fù)控制技術(shù)^[4，5]，可以有效地解決上面提到的問題。但是重復(fù)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(fù)合控制把上述兩種控制方法結(jié)合在一起，揚(yáng)長(zhǎng)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(yù)測(cè)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(hào)與三角波比較，產(chǎn)生4路SPWM控制信號(hào)，它的開關(guān)頻率是恒定的，同時(shí)控制邏輯也很容易實(shí)現(xiàn)。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PI調(diào)節(jié)之后的輸出作為電感電流的指令，電流誤差信號(hào)經(jīng)過比例調(diào)節(jié)之后與三角波比較產(chǎn)生控制信號(hào)。由于電感電流等于電容電流與負(fù)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(dāng)于使系統(tǒng)能超前對(duì)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(fù)載電流，所以又可以起到對(duì)負(fù)載限流的作用。

圖1 電感電流模式雙環(huán)控制

3 重復(fù)控制

重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方法[4]，內(nèi)模原理指出：系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下無穩(wěn)態(tài)誤差地跟蹤參考輸入信號(hào)的前提條件是閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定且閉環(huán)控制系統(tǒng)中包含有參考輸入信號(hào)的傳遞函數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)重復(fù)控制系統(tǒng)，必須首先產(chǎn)生一個(gè)周期性的激勵(lì)信號(hào)來消除由參考輸入信號(hào)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(lì)信號(hào)的兩種方法。

(a)方法1

(b)方法2

圖2重復(fù)控制器中的內(nèi)模原理

圖2（a）中的周期激勵(lì)信號(hào)由模擬的方法實(shí)現(xiàn)，圖2（b）中的周期激勵(lì)信號(hào)由數(shù)字的方法實(shí)現(xiàn)。圖2（b）中的N為每個(gè)工頻周期內(nèi)輸出電壓的采樣次數(shù)，滿足關(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(hào)E對(duì)應(yīng)的是逆變器控制中的輸出電壓的誤差信號(hào)，圖中的內(nèi)模結(jié)構(gòu)是一個(gè)正反饋系統(tǒng)，輸出C是對(duì)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(tǒng)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(tǒng)的輸出電壓一直能夠無誤差的跟蹤輸入?yún)⒖夹盘?hào)。

逆變器的重復(fù)控制結(jié)構(gòu)框圖[4]如圖3所示，虛線框內(nèi)即為離散重復(fù)控制器，各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)介紹如下：

圖3逆變器重復(fù)控制結(jié)構(gòu)框圖