基于雙環反饋控制的單相UPS逆變器的控制算法研究

西南科技大學信息工程學院 趙 亮 武 麗

基于雙環反饋控制的單相UPS逆變器的控制算法研究

西南科技大學信息工程學院 趙 亮 武 麗

本文針對單相UPS逆變器輸出電壓、電流波形不穩定和畸變的問題，設計了雙環反饋控制算法。分析并建立了單相UPS逆變器控制系統的模型，構建了系統輸出電壓、電流的反饋環路，分別在開環、單環反饋和雙環反饋控制方式下進行仿真，并對比了逆變器輸出的電壓、電流波形。通過仿真和實驗證明該雙環反饋控制算法應用在單相UPS逆變器中較開環和單環反饋控制算法具有更好的控制效果。

雙環反饋；單相；UPS；逆變器

引言

隨著科學技術的飛速發展，特別是電力電子技術的廣泛應用，人們的工作條件越來越好,生活水平也逐漸提高。同時，各行各業的一些重要用電設備對供電質量也提出了更高的要求。因此，UPS(Uninterruptible Power System)作為一種為用電設備提供穩定、不間斷的電源裝置也得到了迅速的發展，表現最為突出的在于逆變器的控制策略上，從早期的模擬控制方式到數字控制方式，再到目前新興的各類復雜的數字控制算法。

本文首先分析了雙極性SPWM波形的數字式產生方法和對逆變器的控制方式，采用雙極性SPWM控制方式會給逆變器的輸出電壓、電流波形帶來不穩定和畸變的問題；然后在此基礎上把逆變器的輸出電容電壓作為反饋量實現系統的單環反饋控制，該方法可以在一定程度上解決逆變器輸出電壓波形不穩定和畸變的問題，但是逆變器輸出電流的波形并未得到優化；最后再把逆變器輸出電感電流作為反饋量實現系統的雙環反饋控制，這樣一來，逆變器輸出的電壓、電流波形均得到改善。

1 單相UPS逆變器主電路拓撲

單相UPS逆變器主要由控制器、IGBT驅動模塊、IGBT全橋電路和LC濾波電路構成。本文的研究背景是一臺10KVA單相UPS逆變器，逆變器輸入端的直流電壓為310VDC，輸出端的交流電壓為220VAC。單相UPS逆變器主電路拓撲結構圖如圖1所示。

圖1 單相UPS逆變器主電路拓撲結構圖

2 雙極性SPWM控制方式

SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）技術即是指調制信號按正弦規律變化的PWM技術。SPWM技術之所以成為目前應用在逆變器中最為廣泛的PWM技術，主要是由于其具有開關頻率固定、逆變器輸出電壓含有的高次諧波分量頻率固定以及SPWM波形數字化易于實現等特點。由于雙極性SPWM控制波形具有對稱性，故可消除逆變器輸出的偶次諧波，這也是本文采用雙極性SPWM控制方式的主要原因。雙極性SPWM控制方式波形圖如圖2所示。

圖3 單相UPS逆變器仿真模型

圖2 雙極性SPWM控制方式波形圖

產生SPWM波形最常用的方式是把調制信號與載波做比較。但隨著數字可編程邏輯器件的快速發展，逆變器的控制方式已由早期的模擬式發展為半數字式或全數字式控制方式。本文在實驗中采用的控制器是Altera公司生產的型號為EP4CE15F17C8N的FPGA。由于FPGA的并行運行機制，在設計時，需要4路輸出信號，其中兩路產生相同的正向SPWM波形，另外兩路產生相同的負向SPWM波形，正向的SPWM波形輸出經過驅動模塊后給開關管V1和V4，負向的SPWM波形輸出經過驅動模塊后給開關管V2和V3。

采用FPGA作為控制器的優勢在于可以省去調制信號和載波的發生器件，從而可以節約部分器件成本和減小硬件系統的體積；同時由于FPGA的并行運行機制，可以產生兩路并行的驅動信號。采用計算法可以方便地推導出利用FPGA產生SPWM波形的方式，如公式（1）和公式（2）所示。

上式中，把半周期的調制信號等分成等份，其中表示一個控制周期中的正向SPWM時間、表示一個控制周期中的負向SPWM時間，為調制比,的取值從0到。經上述兩個公式聯立求解可分別求得與的表達式分別如公式（3）和公式（4）所示。

根據公式（3）和公式（4）可以非常方便地在FPGA中設計并產生雙極性SPWM波。

3 仿真研究

在MATLAB/Simulink中搭建單相UPS逆變器的仿真模型，如圖3所示，仿真時間設置為0.3s，通過Timer模塊設置在0.15s之前逆變器輸出帶負載Load1，功率為10KVA；在0.15s時候投入負載Load2，此時功率達到15KVA。

3.1 開環控制

在開環控制下的仿真輸出波形圖如圖4所示。圖4中的實線波形為負載兩端的電壓波形曲線，虛線波形為流過負載Load1的電流波形曲線，可以看到在仿真開始的0.1s內電壓、電流的波動都比較大，整個仿真過程中，逆變器輸出電壓、電流的波形都表現出不穩定和畸變的情況。

3.2 單環反饋控制

為了解決輸出電壓、電流波形不穩定和畸變的問題，在控制器中引入反饋量，通常的做法是把輸出電容電壓或者輸出電感電流作為反饋量，來實現系統的閉環控制。由于電感電流滯后于電壓，且電容電壓超前于電流，所以，把電容電壓作為反饋量是比較合適的。電壓閉環控制系統框圖如圖5所示。在電壓閉環控制系統下的仿真輸出波形如圖6所示，從圖6中可以看到輸出電壓明顯比開環控制系統下的更加穩定，但是仿真的前0.1s內輸出的電壓和電流波形畸變依然比較嚴重。

3.3 雙環反饋控制

在電壓閉環反饋控制的基礎上，再引入電感電流作為反饋量，在這里把電感電流作為內環反饋，電容電壓作為外環 反饋，以實現雙環反饋控制。雙環反饋控制系統框圖如圖7所示。在雙環反饋控制系統下的仿真輸出波形如圖8所示，從圖8中可以看到在整個仿真過程中逆變器輸出的電壓、電流波形都非常穩定且基本無畸變，解決了逆變器輸出電壓、電流波形不穩定和畸變的問題。

圖4 開環控制仿真輸出波形圖

圖6 電壓閉環控制仿真輸出波形圖

圖8 雙閉環控制仿真輸出波形圖

圖5 電壓閉環控制系統框圖

圖7 雙閉環控制系統框圖

4 結論

在單相UPS逆變系統中，采用雙環反饋控制和數字式SPWM控制方式相結合。經過理論分析和仿真實驗，表明這種雙環反饋控制策略對逆變器輸出電壓、電流波形具有較好的控制效果，特別是在負載擾動情況下，逆變系統輸出依然比較穩定。進而在以FPGA為控制器的實際UPS逆變系統中實驗，其結果也表明了該方案的可行性。

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Research on control algorithm of single phase UPS inverter based on double loop feedback control

Zhao Liang , Wu Li
(School of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621000, China)

In this paper, a dual loop feedback control algorithm is designed for the Problem of the single-phase UPS inverter output voltage and current waveform instability and distortion. The model of the control system of single phase UPS inverter is analyzed and established, the feedback loop of the output voltage and current of the system is constructed, and the simulation is carried out in the open loop, single loop feedback and double loop feedback control mode, and then the output voltage and current waveform of the inverter are compared. The simulation and experiment show that the algorithm has better control effect than the open loop and single loop feedback control algorithm for single phase UPS inverter.

double loop feedback; single phase; UPS; inverter

趙亮（1990—），男，四川德陽人，西南科技大學信息工程學院2013級碩士研究生，主要研究方向：數字式大功率逆變器的控制策略。

武麗（1967—），女，山東加祥人，西南科技大學信息工程學院自動化系主任，副教授。