智能UPS控制技術(shù)研究

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)迅猛發(fā)展的推動(dòng)下，為確保在進(jìn)行信息資源共享時(shí)所獲得的數(shù)據(jù)、文件和圖形等資料具有高度的真實(shí)可靠性、連續(xù)性和高保真度UPS(不間斷電源)正越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能信息處理以及基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控等新技術(shù)逐步應(yīng)用于UPS中，構(gòu)成了全智能化的UPS系統(tǒng)，方便了用戶、提高了可靠性。本文著重介紹UPS控制技術(shù)，分析了UPS的PID控制技術(shù)的特性并深入分析了基于PID控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制策略。

2　控制策略概述

UPS逆變器的數(shù)字控制技術(shù)成為了當(dāng)前逆變器研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，出現(xiàn)了多種逆變器數(shù)字化控制方法，包括數(shù)字PID控制、狀態(tài)反饋控制、無(wú)差拍控制、重復(fù)控制、模糊控制等，有力地推動(dòng)了UPS技術(shù)的發(fā)展。
　　 
每一種控制方案都各有其長(zhǎng)短。某些控制方法雖然具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，但穩(wěn)態(tài)輸出電壓諧波失真度又達(dá)不到要求；某些控制方法雖然同時(shí)具有較高的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)精度，但它對(duì)參數(shù)變化很敏感，魯棒性不好；某些控制方法有很好的穩(wěn)態(tài)精度，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果卻很差；某些控制方法受硬件水平的限制，目前還不能得到很好的應(yīng)用。因此，一種必然的發(fā)展趨勢(shì)是各種控制方案互相滲透，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，構(gòu)成復(fù)合的控制方案。

3　數(shù)字PID控制

在UPS逆變器控制中，最常用、最簡(jiǎn)單的方法是PID控制，具體實(shí)現(xiàn)方式包括電壓瞬時(shí)值反饋控制和電壓電流雙閉環(huán)反饋控制，圖1所示為電壓瞬時(shí)值反饋控制。


圖1　UPS逆變器數(shù)字PID控制

電壓瞬時(shí)值反饋的控制策略優(yōu)點(diǎn)是只使用了一個(gè)電壓傳感器，缺點(diǎn)是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不好，跟蹤特性不是很好, 波形質(zhì)量欠佳。圖2為采用此控制方法在10KVA逆變器上帶容性負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形。從圖中可以看出波形失真度較大，難以滿足高質(zhì)量電源的要求。

　圖2 帶感性負(fù)載電流為33A和20A時(shí)電壓波形

改善電壓源逆變器的動(dòng)態(tài)特性的方法之一是增加一個(gè)電流閉環(huán)。在這種控制策略中，濾波電容的電流（也就是輸出電壓的微分）作為一個(gè)反饋?zhàn)兞恳氲娇刂葡到y(tǒng)中，達(dá)到改善輸出波形質(zhì)量，它必須使用一個(gè)霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)濾波電容電流，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

4　基于PID控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制

逆變器控制器是一個(gè)參考給定呈正弦變化的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而不是一個(gè)恒值給定的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。同時(shí)，系統(tǒng)的擾動(dòng)即負(fù)載電流，也不是一個(gè)恒值擾動(dòng)，當(dāng)接線性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流呈正弦變化；而當(dāng)帶非線性負(fù)載時(shí)，電流按非正弦規(guī)律變化。針對(duì)正弦指令的無(wú)靜差跟蹤問(wèn)題，可以在控制器中植入一個(gè)與參考給定同頻的正弦信號(hào)模型。

       （1-1）

其中ω為正弦指令的角頻率。可以驗(yàn)證，當(dāng)指令和擾動(dòng)都以角頻率ω做正弦變化時(shí)，一個(gè)穩(wěn)定的包含（1-1）所示內(nèi)模的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是無(wú)靜差的。然而這只是在假定為線性負(fù)載的條件下得到的結(jié)論。實(shí)際負(fù)載要比這復(fù)雜的多，而且大多為整流性負(fù)載。這樣的負(fù)載電流是非正弦的，其中包含了基波以及基波頻率整數(shù)倍的多重諧波。因此實(shí)際的擾動(dòng)頻率成分是很豐富的，如果對(duì)所有的這些頻率的擾動(dòng)均實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，植入正弦信號(hào)內(nèi)模的方法就不適合了。
　　
擾動(dòng)信號(hào)都有一個(gè)共同特征，即在每一個(gè)基波周期都以相同的波形重復(fù)出現(xiàn)。因此，基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制可采用如下的一種“重復(fù)信號(hào)發(fā)生器”內(nèi)模。其傳遞函數(shù)為：

       （1-2）

其中L為逆變器輸出基波周期。將其離散化，得到延遲一個(gè)周期的正反饋環(huán)節(jié)。這一延遲環(huán)節(jié)正是重復(fù)控制的致命缺點(diǎn)，它對(duì)跟蹤誤差的調(diào)節(jié)作用滯后一個(gè)工頻周期。因此考慮將PID控制方式與重復(fù)控制方式結(jié)合在一起，形成了基于PID和重復(fù)控制的新型UPS逆變器波形控制方法，利用重復(fù)控制改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出波形質(zhì)量，利用數(shù)字PID控制提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)兼具良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

前饋控制的目的是改善數(shù)字PID控制器的控制效果，進(jìn)一步減小動(dòng)態(tài)過(guò)程中輸出電壓的波動(dòng)和波形畸變，改善數(shù)字PID控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。離散重復(fù)控制器,用來(lái)消除系統(tǒng)的周期性跟蹤誤差，減小UPS逆變器帶非線性整流負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形畸變。數(shù)字PID控制器，作用是對(duì)輸出電壓跟蹤誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，減小系統(tǒng)受到干擾時(shí)的輸出電壓波動(dòng)和畸變?？刂瓶驁D如圖3所示。圖中主要環(huán)節(jié)介紹如下：
       1）z－N ：周期延遲環(huán)節(jié)，使本周期誤差信息從下一周期開(kāi)始影響矯正量。
       2）Q(z) ：為克服對(duì)象模型不精確，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性而設(shè)置的?？扇∫粋€(gè)小于1的常數(shù)。
       3）S(z) ：補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用于改造對(duì)象特性。
       4）zk ：相位補(bǔ)償，滿足系統(tǒng)頻率響應(yīng)要求。
       5）a ：比例因子。用來(lái)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3基于PID控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制框圖

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依照上述模型，用simulink仿真可初步確定控制器的參數(shù)，開(kāi)始用較保守的參數(shù)在10KVA的逆變模塊上試驗(yàn).，調(diào)整參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到較好的靜動(dòng)態(tài)特性。系統(tǒng)參數(shù)為：輸入直流電壓為200V、輸出頻率50HZ、開(kāi)關(guān)頻率19.6HZ、濾波電感120uH、濾波電容15uF。圖4左為帶阻性負(fù)載，電流為36A時(shí)的電壓電流波形；右為帶整流性負(fù)載

圖4 帶阻性、整流性負(fù)載時(shí)電壓電流波形圖

從以上兩圖可以看出，基于PID控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制策略具有較好的波形控制效果，特別是對(duì)非線性整流負(fù)載具有很好的諧波抑制效果，同時(shí)系統(tǒng)還具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。因此，本文介紹的基于PID控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制策略具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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