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智能UPS控制技术研究

http://www.dykf.com 2009/2/4 电源开发网

Abstract：This paper focus on two control strategies for intelligent UPS. After analyzing the performance of this two control strategies, above two control strategies have applied to 10KVA inverter module. It can be seen from the experiment that the compound control strategy based on PID and repetitive control performs good dynamic and static performances.

Keyword：PID control; Repetitive control ; Harmonic

1　引言

　　在计算机网络及其相关网络通信技术迅猛发展的推动下，为确保在进行信息资源共享时所获得的数据、文件和图形等资料具有高度的真实可靠性、连续性和高保真度UPS(不间断电源)正越来越广泛地被应用到国民经济的各个领域。同时，随着信息技术的发展，智能信息处理以及基于网络的远程监控等新技术逐步应用于UPS中，构成了全智能化的UPS系统，方便了用户、提高了可靠性。本文着重介绍UPS控制技术，分析了UPS的PID控制技术的特性并深入分析了基于PID控制和重复控制的复合控制策略。

2　控制策略概述

　　UPS逆变器的数字控制技术成为了当前逆变器研究领域的一个热点，出现了多种逆变器数字化控制方法，包括数字PID控制、状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制等，有力地推动了UPS技术的发展。
　　每一种控制方案都各有其长短。某些控制方法虽然具有较好的动态响应速度，但稳态输出电压谐波失真度又达不到要求；某些控制方法虽然同时具有较高的动态和稳态精度，但它对参数变化很敏感，鲁棒性不好；某些控制方法有很好的稳态精度，但动态响应效果却很差；某些控制方法受硬件水平的限制，目前还不能得到很好的应用。因此，一种必然的发展趋势是各种控制方案互相渗透，相互取长补短，构成复合的控制方案。

3　数字PID控制

　　在UPS逆变器控制中，最常用、最简单的方法是PID控制，具体实现方式包括电压瞬时值反馈控制和电压电流双闭环反馈控制，图1所示为电压瞬时值反馈控制。

图1　UPS逆变器数字PID控制
　　电压瞬时值反馈的控制策略优点是只使用了一个电压传感器，缺点是系统动态响应特性不好，跟踪特性不是很好, 波形质量欠佳。图2为采用此控制方法在10KVA逆变器上带容性负载时的输出电压波形。从图中可以看出波形失真度较大，难以满足高质量电源的要求。

图2 带感性负载电流为33A和20A时电压波形
　　改善电压源逆变器的动态特性的方法之一是增加一个电流闭环。在这种控制策略中，滤波电容的电流（也就是输出电压的微分）作为一个反馈变量引入到控制系统中，达到改善输出波形质量，它必须使用一个霍尔传感器来检测滤波电容电流，增加了系统的复杂性和成本。

4　基于PID控制和重复控制的复合控制

　　逆变器控制器是一个参考给定呈正弦变化的调节系统，而不是一个恒值给定的调节系统。同时，系统的扰动即负载电流，也不是一个恒值扰动，当接线性负载时，负载电流呈正弦变化；而当带非线性负载时，电流按非正弦规律变化。针对正弦指令的无静差跟踪问题，可以在控制器中植入一个与参考给定同频的正弦信号模型。

（1-1）
　　其中ω为正弦指令的角频率。可以验证，当指令和扰动都以角频率ω做正弦变化时，一个稳定的包含（1-1）所示内模的调节系统是无静差的。然而这只是在假定为线性负载的条件下得到的结论。实际负载要比这复杂的多，而且大多为整流性负载。这样的负载电流是非正弦的，其中包含了基波以及基波频率整数倍的多重谐波。因此实际的扰动频率成分是很丰富的，如果对所有的这些频率的扰动均实现无静差，植入正弦信号内模的方法就不适合了。
　　扰动信号都有一个共同特征，即在每一个基波周期都以相同的波形重复出现。因此，基于内模原理的重复控制可采用如下的一种“重复信号发生器”内模。其传递函数为：

　　　　　（1-2）
　　其中L为逆变器输出基波周期。将其离散化，得到延迟一个周期的正反馈环节。这一延迟环节正是重复控制的致命缺点，它对跟踪误差的调节作用滞后一个工频周期。因此考虑将PID控制方式与重复控制方式结合在一起，形成了基于PID和重复控制的新型UPS逆变器波形控制方法，利用重复控制改善系统的稳态输出波形质量，利用数字PID控制提高系统的动态特性，使系统兼具良好的稳态和动态特性。
　　前馈控制的目的是改善数字PID控制器的控制效果，进一步减小动态过程中输出电压的波动和波形畸变，改善数字PID控制系统的稳定性。离散重复控制器,用来消除系统的周期性跟踪误差，减小UPS逆变器带非线性整流负载时的输出电压波形畸变。数字PID控制器，作用是对输出电压跟踪误差进行实时调整，减小系统受到干扰时的输出电压波动和畸变。控制框图如图3所示。图中主要环节介绍如下：
　　1）z－N ：周期延迟环节，使本周期误差信息从下一周期开始影响矫正量。
　　2）Q(z) ：为克服对象模型不精确，增强系统稳定性而设置的。可取一个小于1的常数。
　　3）S(z) ：补偿环节，用于改造对象特性。
　　4） zk ：相位补偿，满足系统频率响应要求。
　　5）a ：比例因子。用来维持系统的稳定性。

图3基于PID控制和重复控制的复合控制框图

5　实验结果

　　依照上述模型，用simulink仿真可初步确定控制器的参数，开始用较保守的参数在10KVA的逆变模块上试验.，调整参数使系统达到较好的静动态特性。系统参数为：输入直流电压为200V、输出频率50HZ、开关频率19.6HZ、滤波电感120uH、滤波电容15uF。图4左为带阻性负载，电流为36A时的电压电流波形；右为带整流性负载，电流为20A时的电压电流波形。

图4 带阻性、整流性负载时电压电流波形图
　　从以上两图可以看出，基于PID控制和重复控制的复合控制策略具有较好的波形控制效果，特别是对非线性整流负载具有很好的谐波抑制效果，同时系统还具有较好的动态响应特性。因此，本文介绍的基于PID控制和重复控制的复合控制策略具有较高的应用价值。

参考文献

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作者：池从伟 … 来源：《电源世界》点击数：

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