UPS 逆变器数字化控制技术

近年来 , 随着大规模集成电路 ASIC、现场可 编程逻辑器件 FP GA 及数字信号处理器 DSP 技术 的发展 , U PS 逆变器的控制逐渐由模拟转向数字 , 即向数字化方向发展 。U PS 逆变器实现数字化可 带来以下好处 : ①减少控制元件数量 , 提高系统抗 干扰能力 。 ②设计和制造灵活 , 每台电源间的一致 性好 。一旦控制方法改变 , 只需要修改程序即可 , 无需变动硬件电路 , 大大缩短了设计周期 。 ③可以 采用更先进的控制方法 。输出电能质量好 , 可靠性 高 , 便于实现智能控制 。 ④由于控制方法灵活 , 便 于几台 U PS 的并联运行控制 , 从而实现 U PS 的并 机。
d vc
dt d ic
= A · vc + B ·uin
ic
(1)
dt
式中 uin为一个开关周期内逆变桥输出 PWM 脉 冲的平均值 。采用状态空间法将上式离散化 , 得离
散化状态方程
vc ( k + 1)
f 11
=
ic ( k + 1)
f 21
f 12 · vc ( k) f 22 ic ( k)
采用状态反馈可以任意配置闭环系统的极点 , 从而改善系统的动态特性和稳定性 。状态反馈系数 的确定大致有两种方法 : ①根据系统要求给出期望 闭环极点 , 推算状态反馈增益矩阵 。 ②应用最优控 制原理 , 使系统的阶跃响应接近理想输出 , 据此确 定状态反馈增益[2 ] 。 213 无差拍控制
无差拍控制是一种基于电路方程的控制方式 , 取输出滤波电容电压和电流为状态变量 , 逆变器状 态方程表示如下
一个致命的弱点 。由于延迟因子 z - N 的存在 , 重复
控制得到的控制指令并不是立即输出 , 而是滞后一
个参考周期后才输出。这样 , 如果系统内部出现干
扰 , 消除干扰对输出的影响至少要一个参考周期。
干扰出现后的一个参考周期内 , 系统对干扰并不产
生任何调节作用 , 这一个周期系统近乎处于开环控
(11)
式中
v
3 c
,
i
3 c
———参考正弦信号
由上式可得前馈控制规律为
uf ( k)
=
1 g1
[
vc3
(
k
+
1)
-
( f 11 + f 22)
vc3 ( k)
-
( f 12 f 21 -
f 11 f 22)
v
3 c
(k
-
1)
-
( f 12 g2 - f 22 g1) uf ( k - 1) ]
(12)
量好 , 总谐波畸变率 ( THD) 低 。另外 , 如果系 统出现扰动使输出电压偏离参考电压 , 系统将在一 个采样周期后再次跟踪给定 , 动态响应速度非常 快 。因此 , 不论是从稳态特性还是从动态特性上 讲 , 无差拍控制都是一种非常好的 U PS 逆变器控 制方案 。
当然 , 无差拍控制也有其自身的局限性 。首 先 , 无差拍控制要求当拍计算 、当拍输出 , 由于采 样和计算延时的影响 , 输出脉冲的宽度受到限制 , 造成直流电压利用率不高 。其次 , 无差拍控制是一 种基于电路模型的控制方法 , 其控制效果取决于模 型估计的准确程度 。实际上 , 无法对电路模型做出 非常精确的估计 , 而且系统模型随着负载不同而变 化 , 实际中并不能保证采样点上电压跟踪无误差 。 另外 , 无差拍控制极快的动态响应既是其优势 , 又 导致了其不足 , 一旦系统模型不准 , 很容易使系统 进入不稳定运行区域造成振荡 。 214 重复控制
1 引言
随着不间断电源 (U PS) 应用越来越广泛 , 对 U PS 的研究也日益深入 。在 U PS 的各个组成部分 中 , 最关键的部分是逆变器 , 它在很大程度上决定 了整个电源的性能 。目前 , U PS 逆变器输出波形 的控制多采用模拟电路 , 控制方法为传统的 PID 调节器 。传统模拟控制的局限性为 : ①电源的生产 一致性不好 。 ②设计周期长 , 调试复杂 。 ③无法采 用一些先进的控制方法 。
控制 us ( k) 。当然这不是一种连续控制 , 而是一种 开关控制 。
从以上分析得知 , 滑模控制使系统的跟踪误差
及其导数运行于相平面的一条固定的滑模曲线上 ,
+
g1 ·uin ( k)
g2
(2)
上式取第一行可得
vc ( k + 1) = f 11·vc ( k) + f 12·ic ( k) + g1·uin ( k)
(3)
使输出电压在 k + 1 时刻达到参考值 , 即用 v ref ( k + 1) 代替 vc ( k + 1) , 从式 (3) 可得 k 时刻的控 制量 uin ( k) 应为
制状态 。因此重复控制系统的动态响应特性很差 。
215 滑模变结构控制
同其他几种 U PS 逆变器的数字控制策略相比 ,
离散滑模变结构控制的最大优势是对参数变动和外
部扰动不敏感 , 系统的鲁棒性特别强 。图 2a 给出
一种离散滑模变结构控制逆变器系统的原理框图 。
取输出滤波电容电压和滤波电容电流为状态变量 ,
扰动输入 d ( k) 到跟踪误差 e ( k) 的传递函数可 表示为
H ( z)
≡E( z)
D( z)
=
1
1+ 1-
z- N Q ( z)
z-
NS ( z)
PB ( z )
(5)
式中 N ———一个基波周期内的采样次数
对应 s 域中的频率响应为
H (jω)
=
H( z) |
z
=
jωT e
(6)
式中 T ———采样周期
推导系统的离散状态方程如下
图 2 U PS 逆变器滑模控制框图和滑模运动曲线
vc ( k + 1)
f 11 f 12
=
ic ( k + 1)
f 21 f 22
vc ( k)
g1
+
u ( k)
ic ( k)
g2
(9)
u ( k) = uf ( k) + us ( k)
(10)
控制作用 u ( k) 包括两个部分 : 前馈控制 uf ( k)
为了消除非线性负载对逆变器输出的影响 , 在 U PS 逆变器控制中引入重复控制技术 。图 1 表示 出了一种重复控制系统 。
PB ( z ) ———有瞬时跟踪闭环反馈控制的 U PS 逆变器系统 S ( z ) 、Q ( z ) ———重复控制器的补偿环节
r ( k) ———参考信号 y ( k) ———系统输出电压 e ( k) ———跟踪误差 rc ( k) ———重复控制器补偿后的参考指令
《电工技术杂志》2001 年第 12 期
·综 述·
UPS 逆 变 器 数 字 化 控 制 技 术
高 军 黎 辉 杨 旭 王兆安 (西安交通大学 710049)
摘 要 介绍了 U PS 逆变电源实现由模拟控制向数字化控制方向转变的重要意义 , 分析了 目前处于实用阶段或研究阶段的各种 U PS 逆变器数字化控制方法 , 指出今后 U PS 逆变器控制策 略的发展方向 。 关键词 U PS 正弦波逆变器 数字控制
(13)
选取滑模控制曲线 s ( k) = c1 e1 ( k) + c2 e2 ( k) ,滑模 运动的存在性条件为| s ( k + 1) | < | s ( k) | ,保证系
统状态 e1 和 e2 在相平面上的轨迹为 s ( k) = 0 。根 据以上条件 , 结合系统的稳定性要求 , 可求得滑模
| H (jω) | = 0
(7)
这表明重复控制器消除了频率为基波周期整数倍干
扰产生的跟踪误差 , 跟踪效果非常好 。为了保证系
统稳定 , 一般取 Q ( z ) < 1 , 这样有
| H (jω) | < μ(jω)
(8)
式中μ(jω) 为一很小的数 。
重复控制虽然可以保证输出波形质量 , 但却有
如果 d ( k) 的频率是基波周期的整数倍 , 并假
—7 —
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《电工技术杂志》2001 年第 12 期
U PS 逆变器数字化控制技术
定 Q ( z ) = 1 且 PB ( z ) 稳定 , 则有
(2) PID 控制算法在设计过程中不过分依赖系 统参数 , 因此系统参数的变化对控制效果的影响很 小 , 控制的适应性好 , 有较强鲁棒性 。
(3) PID 算法简单明了 , 已经形成一套完整的 设计和参数调整方法 。
但是 , 数字 PID 控制算法应用到 U PS 逆变器 中 , 不可避免的产生了一些局限性 。首先 , PID 算 法控制的精度取决于比例项和积分项的选取 , 这两 项越大 , 控制精度越高 。但是 , 积分项的加入会使 输出电压与给定信号之间产生相位偏移 。在 U PS 中 , 由于锁相同步的要求 , 这种相位偏移是绝对不 允许的 , 这样 , 算法中积分作用必须取得很小甚至 不加 。其次 , 输出电压信号经采样离散化后 , 不可 避免存在量化误差 , 即算法可以觉察到的误差最小 值为一个量化单位 。由于量化误差的影响 , 比例作 用不能取得太大 , 否则系统不稳定 。最后 , 由于采 样和计算延时的影响 , 控制信号要延迟一个采样周 期输出 。这等同于在系统中串联了一个纯延迟环 节 , 减小了系统的稳定裕度 。这几种作用的结果势 必造成稳态误差大 , 输出电压波形畸变高 。当然 , 采用高速率 A/ D 和高速处理器以及提高开关频率