鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1348次 | 2019年11月19日
單相UPS逆變器的多環(huán)控制策略研究
1引言UpS主要由蓄電池、充放電電路、逆變電路和控制系統(tǒng)等幾部分組成，其中逆變電路及其控制系統(tǒng)是UpS電源的核心部分。單相UpS逆變器的被控量是50Hz的交流量，而pI調(diào)節(jié)器不能對(duì)交流量實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)，要減小穩(wěn)態(tài)誤差，必須提高比例增益，但過高的比例增益，會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此pI控制算法不適合控制交流量。根據(jù)內(nèi)模原理，要實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制，控制環(huán)前向通道上必須含有外部輸入量的動(dòng)態(tài)模型。重復(fù)控制算法能根據(jù)被控對(duì)象，在控制環(huán)的前向通道上形成被控對(duì)象的內(nèi)模，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流量的無(wú)靜差控制。采用重復(fù)控制策略控制單相正弦波逆變器能得到較滿意的性能，但算法較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)也較困難。單相逆變器的多環(huán)控制策略與雙環(huán)控制策略相比，逆變器輸出電壓的波形有所改善，但仍存在靜態(tài)誤差。文獻(xiàn)研究了單相逆變器的比例諧振控制算法，但沒有考慮負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)的影響。針對(duì)以上問題，這里提出了基于比例諧振控制的多環(huán)控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與其他單相逆變器的控制策略相比，該控制方案是一種理想的控制方案。2單相UpS逆變器工作原理及數(shù)學(xué)模型所研究的單相UpS逆變器采用單相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。
圖中負(fù)載可為線性負(fù)載或非線性負(fù)載。對(duì)單相逆變器的4個(gè)IGBT開關(guān)VS1～VS4進(jìn)行調(diào)制，將直流電壓Udc調(diào)制成pWM脈沖電壓，通過LC濾波器濾除高頻諧波，在輸出端得到幅值和頻率都可調(diào)的正弦波電壓。設(shè)m為調(diào)制度，根據(jù)電路定律，單相逆變器的數(shù)學(xué)模型為：
3雙環(huán)控制策略及其調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定采用電感電流反饋控制(內(nèi)環(huán))和輸出電壓反饋控制組成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。采用比例諧振調(diào)節(jié)器對(duì)輸出電壓進(jìn)行無(wú)靜差調(diào)節(jié)，采用比例調(diào)節(jié)器控制電感電流。為應(yīng)對(duì)負(fù)載變化引起的大范圍擾動(dòng)，在電壓外環(huán)中引入負(fù)載電流前饋控制，負(fù)載電流前饋控制與電壓調(diào)節(jié)器的輸出共同構(gòu)成了電感電流指令信號(hào)，整個(gè)控制框圖如圖2所示，Kdc為輸出電壓前饋系數(shù)。因?yàn)殡妷涵h(huán)與電流內(nèi)環(huán)之間存在耦合，因此在電流內(nèi)環(huán)中引入了輸出電壓的前饋。
[page]3．1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)圖3示出電流環(huán)控制框圖。電流調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)器，Gci(s)=kip。電流環(huán)必須具有較高的動(dòng)態(tài)性能，所以動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)設(shè)定為：調(diào)整時(shí)間ts≤2ms，最大超調(diào)量Mp<20％，上升時(shí)間tr≤0．3ms。為有效抑制開關(guān)頻率附近(10kHz及以上)的諧波，電流環(huán)截止頻率應(yīng)小于2kHz；為跟蹤50Hz的電流指令，電流環(huán)截止頻率要大于500Hz，因此電流環(huán)截止頻率選擇在500Hz～2kHz之間。
確定了上述指標(biāo)和參數(shù)后，采用根軌跡法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。調(diào)整kip使閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)在合適位置。根據(jù)上述動(dòng)態(tài)指標(biāo)，最終選擇kip=4．96，此時(shí)系統(tǒng)截止頻率為1．572kHz，阻尼比為0．521。當(dāng)kip=4．96時(shí)，電流環(huán)根軌跡及階躍響應(yīng)如圖4所示。
由圖4b可得：tr=0．38ms，tr=1．2ms，Mp=10％，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)基本滿足要求。此時(shí)電流環(huán)的幅值裕度為15．9dB，相位裕量為56．2°，表明電流環(huán)具有良好的相對(duì)穩(wěn)定性。3．2電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器為比例諧振調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為：截止頻率ω、比例系數(shù)Kp、諧振系數(shù)K，決定調(diào)節(jié)器的特性。ωc決定了調(diào)節(jié)器的帶寬，減小ωc，可使調(diào)節(jié)器帶寬變窄，帶寬變窄后，調(diào)節(jié)器對(duì)控制信號(hào)的頻率非常敏感，當(dāng)頻率等于ω0時(shí)，產(chǎn)生無(wú)窮大的增益，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制；當(dāng)頻率在ω0附近時(shí)，增益較小，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制；當(dāng)增加Kp，頻帶以外的幅值增加，而諧振頻率處的幅值增幅不大，說(shuō)明Kp對(duì)諧振環(huán)節(jié)無(wú)影響；隨著Kr的增加，諧振頻率以外的幅值幾乎不變，但諧振頻率處的幅值增幅相對(duì)明顯，此特點(diǎn)有利于消除靜態(tài)誤差。Kp，Kr的變化，對(duì)諧振頻率處的相位影響都很小。根據(jù)圖2可得逆變器輸出電壓為：由式(3)可知，uo與指令電壓uref負(fù)載電流io都有關(guān)。由于Gu在諧振頻率附近有足夠大的增益，故式(3)中第1項(xiàng)的值趨近于uref，而第2項(xiàng)的值趨近于零，即只要合理地整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，uo即可準(zhǔn)確跟蹤uref，此時(shí)系統(tǒng)具有較高的抗干擾特性。
