單相UPS主逆變電路控制策略研究

陳瑞霞

（山西省晉煤集團通信分公司成莊站， 山西 晉城 048021）

引言

社會進入了互聯網時代，特別是在國家提出建設“中國制造2025”之后，對電能的需求日益增加，對供電的質量、安全等各方面也都提出了新的更高的要求，在民用行業，比如銀行、醫療、證券等領域，在煤炭等工業生產領域，特別是通信領域，一旦發生供電故障造成通信網絡中斷，將有可能引發后續災難，造成不可挽回的經濟和社會損失，因此本文就單相UPS正弦逆變電路控制策略進行深入分析研究，以從根本上保證通信電源的安全可靠[1]。

1 UPS主逆變電路

UPS電源系統的基本構成主要包括主電路拓撲結構、主控單元、監測電路、保護電路等。本文將針對主電路拓撲結構的控制策略進行研究，圖1為傳統在線式雙邊UPS拓撲，是UPS的功率組成部分。其由市電輸入整流橋B1、逆變器、輸出變壓器、限流電阻、輸出濾波電容等組成。逆變器和輸出濾波電容、輸出變壓器是逆變電路中的主要控制對象。

圖1 UPS主電路拓撲結構

2 單相USP正弦逆變器數學模型及分析

圖2是單相UPS主電路拓撲結構的正弦逆變器等效圖的正弦逆變系統模型[1]。

圖2 UPS逆變系統模型

圖2 中的E為直流母線電壓，電感L和電容C構成了一個濾波器，它的作用是濾除脈寬調制波中的高次諧波，這些是UPS逆變系統的控制目標。圖2中的右半部分所示的晶閘管斬波電路和全橋整流電路用于衡量UPS的性能。

根據前面確定的控制對象，將電容C兩端的電壓VC和流過電感L的電流iL作為變量，列出如下方程：

其中：

為了便于分析，將系統的輸入電壓等效為SPMW波的平均電壓，這樣可以將連續系統離散化為：

其中：

在研究過程中，將采樣頻率f=1/Ts作為諧振頻率的設計值，使得 ω0·Ts＜＜1，上式可以進一步簡化為：

通過上述簡化后，可將UPS逆變器等效為圖3所示，單相UPS正弦逆變器被等效為如圖3所示的數學模型。

圖3 逆變器數字模型方框圖

3 控制策略研究

傳統的UPS電源采用的PID控制是通過采集輸出電壓作為系統的反饋信號，利用設計好的固定模式對整個系統進行調節，其動態性能差，隨著DSP芯片的出現，使這個問題得到較好的改善。本文將PID理論應用于UPS的控制[3]。

連續時域PID控制器方程如下：

可以將上述方程離散化為：

在運行過程中，非線性的周期性負載會有輸出誤差，為了降低這種誤差，本文采取如下方法提高控制性能，如圖4所示。

圖4 控制原理圖

通過增加重復控制器，可以減小非線性等因素帶來的誤差，從而增加系統的相應精度。這種策略的本質上是誤差積分器，通過對輸出的誤差進行不斷的累計，并將其累計得出的誤差結果向系統中反饋，從而消除誤差。

重復控制器的方程如下：

式中：e（k）表示系統輸出誤差，C為重復控制器增益，N為時間超前步數，n為采樣數。

通過分析方程可以得出，C是重復控制系統的關鍵參數，其值的選取直接影響系統的響應、乃至整個系統的穩定性。如果C的值較大，則反饋給系統的信號也就較大，系統的誤差回落就較快，但是其弊端是，會造成整個系統的穩定性下降。

通過對帶重復控制器的PID系統方程的分析計算，可得：

當整個控制系統具有良好的響應極點時，我們可以確定PID控制器的K1、K2，從而使得控制系統對阻性負載的相應特性得到優化控制。

4 控制器的設計與仿真

4.1 控制器的設計原理與設計過程

將UPS的逆變電源等價為正弦波隨動系統，為控制系統設計雙環控制。根據數學模型的分析，將負載電流作為系統的擾動因素，內環的作用即消除擾動，利用數字誤差拍的原理，實現輸出對輸入的跟隨，使控制系統的輸出保持穩定，從而降低輸出畸變，提高動態響應特性。外環為一個積分器，其作用是減小靜態誤差，提高靜態響應特性。其結構原理圖如圖5所示[4]。

由圖5可知，內環由狀態反饋組成，外環由誤差積分器配合輸出的反饋信號組成，且結構簡單，效果明顯。其系統方程如式5所示。

圖5 單相UPS逆變器控制原理圖

于是：

因此，整個系統的狀態方程和解如下：

對于階躍輸入，r（k）=r，當 k=+∞，x（k）、y（k）、i0（k）趨于常數，因此，

定義：

則式（9）可轉化為：

式中，

式（13）和（14）為標準的狀態空間方程式，此系統包括自身狀態反饋和負載誤差兩個輸入，其中負載誤差為系統的干擾因素。矩陣K^可以通過極點配置，使干擾誤差減小為0而求解，進而求解K，和KI。

4.2 仿真

本文采用美國mathworks的MATLAB軟件對系統進行仿真。MATLAB6.5環境下的動態仿真工具simulink軟件包在建模、仿真、分析等方面應用非常廣泛，其界面采取交互式設計，直觀形象，對于仿真過程中的參數修改、結果觀察都非常方便。參數如下：濾波電感L=1.8mH、濾波電容C=120uF、增益E=311V、參考正弦波r=1 V、f=50 Hz、采樣頻率10 kHz。

4.3 控制器校正后的系統階躍響應

經控制器校正后，正弦變系統的極點被配置在零點處。通過觀察可以發現，系統的輸出對參考輸入的跟隨性有了明顯的改善。在校正前，輸出的調節時間和超調量都明顯過大，如果系統的負載發生變化時，系統的輸出性能也會發生類似的變化。因此，采用基于PID控制的控制器，去除負載的干擾影響，對UPS的運行非常重要。

對比圖6中的階躍響應圖，校正前系統的調整時間為1.2 ms，校正后降低為0.6 ms，而且沒有出現響應超調，說明控制效果良好，系統的動態性能得到了較為明顯的提高。

圖6 單位階躍響應圖

5 結論

經過理論分析和仿真實驗的結果可以看出，采用基于PID控制理論的正弦UPS逆變電源，在抑制負載對UPS逆變器的負面干擾方面有著較為明顯的改進作用，而且能夠提高整個系統的動態性能和控制精度。該控制策略及系統結構簡單易行，通過對UPS正弦逆變系統進行仿真，驗證了其可行性和控制效果。

[1]劉豹.現代控制理論：第2版[M].北京：機械工業出版計，1992.

[2]馮國楠.現代伺服系統的分析與設計[M].北京：機械工業出版社，1990.

[3]魏克新，王云亮，陳志敏.MATLAB語言與自動控制系統設計[M].北京：機械工業出版社，1997.

[4]薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.