單相UPS逆變器復(fù)合控制策略

　　1.引言

　　UPS通常用在對(duì)電源質(zhì)量要求很高的場(chǎng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗擾能力強(qiáng)。近年來(lái)，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(wú)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(duì)UPS逆變電源波形不能兼顧穩(wěn)態(tài)效果和動(dòng)態(tài)效果的問(wèn)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(duì)非周期擾動(dòng)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(dòng)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(kāi)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(gè)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(shí)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(hào)與參考信號(hào)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(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)控制性能良好。接下來(lái)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(duì)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(dòng)靜態(tài)特性達(dá)到最佳：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時(shí)，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(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可得到針對(duì)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(hào)發(fā)生器模塊和補(bǔ)償器模塊。

　　它將重復(fù)信號(hào)發(fā)生器作為周期性擾動(dòng)信號(hào)植入控制系統(tǒng)中，能有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)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(hào)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(hào)，y為逆變器輸出電壓，e為誤差信號(hào)，d為死區(qū)、負(fù)載等其它周期性擾動(dòng)等效信號(hào)，z?N為周期延遲環(huán)節(jié)，N為一個(gè)工頻周期的采樣次數(shù)，Q（z）通過(guò)正反饋環(huán)節(jié)將誤差信號(hào)進(jìn)行周期性累加，它可以是一個(gè)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(hào)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(duì)象P（z）的特性設(shè)置，在檢測(cè)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(gè)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(gè)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(kāi)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(shí)，穩(wěn)態(tài)精度為0.14%,T H D = 0 . 1 1 %;半載突加滿載時(shí)電壓跌落為19.8V,電壓變化率為6.4%.

　　6.結(jié)論

　　本文針對(duì)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(guò)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快。諧波畸變較小，獲得了預(yù)期效果。