UPS逆變器控制方法比較分析

摘要：對(duì)逆變器控制中的各種方法進(jìn)行了對(duì)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(shù)字控制

引言

UPS被廣泛地應(yīng)用在保護(hù)敏感負(fù)載，如PC機(jī)，服務(wù)器，醫(yī)療設(shè)備，通訊系統(tǒng)的電源故障或者電源的干擾，為這些重要負(fù)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(zhuǎn)換成用戶所需的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。對(duì)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(duì)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(píng)析

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，在很多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中，應(yīng)用模擬PID控制器獲得了良好的效果。近年來(lái)，隨著數(shù)字控制器的不斷發(fā)展，數(shù)字控制器亦得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)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(diào)整PID參數(shù)，具有很大的靈活性和很強(qiáng)的適用性。與其它控制方法相比，數(shù)字PID控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）PID算法蘊(yùn)含了動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)的主要信息，控制過(guò)程快速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)，具有良好的控制效果；

2）PID算法在設(shè)計(jì)過(guò)程中不過(guò)分依賴系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)的變化對(duì)控制效果的影響很小，控制的適應(yīng)性好，具有較強(qiáng)的魯棒性；

3）PID算法簡(jiǎn)單明了，便于用單片機(jī)或DSP實(shí)現(xiàn)。

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

1.1 預(yù)測(cè)控制

預(yù)測(cè)控制可以實(shí)現(xiàn)很小的電流畸變，抗噪音能力強(qiáng)，但是，這種算法要求知道精確的負(fù)載模型和電路參數(shù)，而且有數(shù)值計(jì)算造成的延時(shí)在實(shí)際應(yīng)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(yīng)速度，較高的穩(wěn)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(duì)系統(tǒng)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(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的控制方法。無(wú)差拍控制的基本思想是根據(jù)逆變器的狀態(tài)方程和輸出反饋信號(hào)（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(jù)當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)向量和下一采樣時(shí)刻的參考正弦值計(jì)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(fù)載變化或非線性負(fù)載引起的輸出電壓誤差可在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)得到校正。無(wú)差拍控制要求控制脈寬必須當(dāng)拍計(jì)算當(dāng)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(tǒng)的穩(wěn)定性。由于采樣和計(jì)算延時(shí)，要做到當(dāng)拍計(jì)算當(dāng)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(shù)是和輸出濾波器參數(shù)、直流母線電壓以及負(fù)載息息相關(guān)的，只要它們當(dāng)中的一個(gè)發(fā)生變化，控制參數(shù)就得作相應(yīng)的調(diào)整，否則就會(huì)導(dǎo)致控制失效，所以，無(wú)差拍控制系統(tǒng)的魯棒性很差。

1.4 滑?？刂?/P>

滑模控制是一種非線性控制，這種控制的特點(diǎn)是控制的非連續(xù)性，它使系統(tǒng)在一定條件下沿著規(guī)定的軌跡做高頻率、小振幅的上下運(yùn)動(dòng)[2]。這種控制既可以用于線性系統(tǒng)也可用于非線性系統(tǒng)。對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)，由于控制的不連續(xù)使其變?yōu)榉蔷€性系統(tǒng)，對(duì)于非連續(xù)系統(tǒng)，不僅有非連續(xù)特性還包含有非線性系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。這種控制方法具有很強(qiáng)的魯棒性。U是切換函數(shù)

式中：s=c1x＋c2x＋...＋cnx；

x是系統(tǒng)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(shù)中的各常數(shù)值，使得所采取的控制策略滿足滑模運(yùn)動(dòng)所要求的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性。這種控制的缺點(diǎn)是要得到一個(gè)令人滿意的滑模面是很困難的。

1.5 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，內(nèi)模原理是把作用于系統(tǒng)的外部信號(hào)的動(dòng)力學(xué)模型植入控制器以構(gòu)成高精度反饋控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)原理[3]。逆變器采用重復(fù)控制的目的是為了消除因整流橋負(fù)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(xiàn)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(xiàn)，控制器根據(jù)參考信號(hào)和輸出電壓反饋信號(hào)的誤差來(lái)確定所需的校正信號(hào)，然后，在下一個(gè)基波周期將此校正信號(hào)疊加在原控制信號(hào)上，這樣就可以消除輸出電壓的周期性畸變。重復(fù)控制器可以消除周期性干擾產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，但是，由于重復(fù)控制延時(shí)一個(gè)工頻周期的控制特點(diǎn)，使得單獨(dú)使用重復(fù)控制的UPS逆變器動(dòng)態(tài)特性極差，無(wú)法滿足UPS逆變器的指標(biāo)要求。

1.6 模糊控制

模糊控制屬于智能控制的范疇。系統(tǒng)的復(fù)雜性和模型的精確性總是存在著矛盾，許多控制方法都要求有被控對(duì)象的精確模型，而模糊控制器的設(shè)計(jì)不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因此，具有很強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)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(jì)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(guī)則得到模糊控制輸出，最后將模糊指令進(jìn)行精確化計(jì)算最終輸出控制值。模糊控制勿須知道輸入輸出間的數(shù)學(xué)依存關(guān)系，給定一個(gè)輸入，便可以根據(jù)控制規(guī)則表得到一個(gè)合適的輸出，控制算法簡(jiǎn)單、計(jì)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。模糊控制主要依賴模糊規(guī)則和模糊變量的隸屬度函數(shù)。如果對(duì)信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的模糊化處理會(huì)導(dǎo)致被控系統(tǒng)控制精度的降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差，為了提高系統(tǒng)精度必然要增加量化等級(jí)，這樣就使得規(guī)則迅速增多，影響了規(guī)則庫(kù)的最佳生成，而且會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和推理時(shí)間。模糊控制是主要用于滯后系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)，這種控制不要求知道系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，這種控制根據(jù)控制量的個(gè)數(shù)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。模糊控制類似于傳統(tǒng)的PD控制，因而，這種控制有很快的響應(yīng)速度，但是，其靜態(tài)特性不令人滿意。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(tǒng)智能活動(dòng)的一種控制方式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映射能力，并行計(jì)算能力和較強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于控制領(lǐng)域，尤其是非線性系統(tǒng)領(lǐng)域。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制芯片的出現(xiàn)，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(yīng)用，目前在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)算法等方面已取得了一定成果。但是，由于硬件系統(tǒng)的限制，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制還無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出電壓波形進(jìn)行在線控制，多數(shù)應(yīng)用都是采用離線學(xué)習(xí)獲得優(yōu)化的控制規(guī)律，然后利用得到的規(guī)律實(shí)現(xiàn)在線控制。

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(tǒng)中，空間矢量控制可以獲得100％的直流母線電壓利用率。空間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(qū)域，首先計(jì)算給定的電壓矢量處于哪個(gè)區(qū)域，然后用該區(qū)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(jù)一定的開(kāi)關(guān)順序?qū)?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(shù)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(diào)節(jié)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?qū)崟r(shí)地調(diào)節(jié)輸出電壓的波形，比較好地抑制元器件的非線性特性和直流母線電壓波動(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(dāng)負(fù)載發(fā)生比較大的動(dòng)態(tài)變化（如負(fù)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(diào)節(jié)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(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(guò)比例調(diào)節(jié)之后與三角波比較產(chǎn)生控制信號(hào)。這種方法是目前應(yīng)用最為普遍的控制方法之一。電感電流中包含了負(fù)載電流，因此可以起到對(duì)負(fù)載限流的作用。電感電流的方向是進(jìn)行死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償?shù)谋匾獥l件，采用電感電流模式可以方便地對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)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(jié)的加入減小了負(fù)載的擾動(dòng)效應(yīng)。輸出電容電流則是輸出電壓的真正微分，它對(duì)于負(fù)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(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度，使逆變器輸出電壓在整流型負(fù)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(xiàn)逆變器的并聯(lián)運(yùn)行，關(guān)鍵是各逆變器應(yīng)共同負(fù)擔(dān)負(fù)載電流，即要實(shí)現(xiàn)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(fù)雜得多，它必須滿足以下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)線控制4種方案。

采用冗余并機(jī)技術(shù)，即將逆變器的輸出端直接連接同時(shí)給負(fù)載供電，可以提高UPS的容量和系統(tǒng)的可靠性，使成本下降，可維護(hù)性增強(qiáng)，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(tǒng)一的基準(zhǔn)信號(hào)，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(zhǔn)信號(hào)保持一致。由集中控制器檢測(cè)出總負(fù)載電流IL，然后將IL除以n作為各臺(tái)逆變電源的電流指令，各逆變電源檢測(cè)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(rèn)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(bǔ)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(tǒng)的可靠性有所下降，一旦控制器發(fā)生故障將導(dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)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(tǒng)圖如圖6所示。為了避免集中控制器故障而引起系統(tǒng)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(tái)逆變器中，通過(guò)一定的邏輯確定一臺(tái)為主機(jī)，如將最先啟動(dòng)的一臺(tái)或固定的某臺(tái)逆變器確定為主機(jī)。當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，故障機(jī)自動(dòng)的退出系統(tǒng)，一臺(tái)從機(jī)自動(dòng)地切換為主機(jī)，執(zhí)行主機(jī)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(xiàn)故障時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，提高了系統(tǒng)的可靠性。

在一些主從控制并聯(lián)系統(tǒng)中，正常運(yùn)行時(shí)只有主機(jī)的內(nèi)部存在電壓環(huán)，從機(jī)內(nèi)部沒(méi)有電壓環(huán)，從機(jī)接收主機(jī)的電壓環(huán)輸出作為電流環(huán)的電流指令，因此，主機(jī)是電壓型逆變電源，從機(jī)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(dǎo)致系統(tǒng)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(hào)作為逆變器之間的并聯(lián)總線信號(hào)的控制框圖，從這個(gè)框圖中可以看出分布式系統(tǒng)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(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也就不需要額外的邏輯判斷了，很適合冗余系統(tǒng)的維護(hù)。

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

雖然分散式控制方案使系統(tǒng)運(yùn)行具有較高的可靠性，但是，隨著并聯(lián)系統(tǒng)中逆變器數(shù)量的增加，逆變器之間的相互連線將變得復(fù)雜；同時(shí)，各臺(tái)逆變器之間的距離也將隨之?dāng)U大，從而導(dǎo)致連線的困難，干擾也比較嚴(yán)重。總之，隨著并聯(lián)逆變器的增多，將降低系統(tǒng)的可靠性。

圖8

3．4 無(wú)互連線式并聯(lián)

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

這種無(wú)互連線式的并聯(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(hào)連線。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(dú)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。均流靠模塊內(nèi)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(xiàn)同步和均流。在具體的實(shí)現(xiàn)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(yán)重的缺陷，即逆變器的輸出特性必須設(shè)計(jì)為軟特性，輸出電壓和頻率必須隨著負(fù)載的大小變化，對(duì)于一個(gè)利用下垂特性的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)在從空載到滿載變化時(shí)，頻率將會(huì)變化2rad/s，幅值將會(huì)變化10％，這對(duì)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繁多，每一種控制方法都有其獨(dú)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(fù)合控制，可以實(shí)現(xiàn)取長(zhǎng)補(bǔ)短、優(yōu)勢(shì)互濟(jì)的目的，因此，復(fù)合控制是逆變器控制方法的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。隨著控制理論和數(shù)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(xiàn)成為可能，逆變器的數(shù)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(shì)。