基于双环反馈控制的单相UPS逆变器的控制算法研究

西南科技大学信息工程学院 赵 亮 武 丽

基于双环反馈控制的单相UPS逆变器的控制算法研究

西南科技大学信息工程学院 赵 亮 武 丽

本文针对单相UPS逆变器输出电压、电流波形不稳定和畸变的问题，设计了双环反馈控制算法。分析并建立了单相UPS逆变器控制系统的模型，构建了系统输出电压、电流的反馈环路，分别在开环、单环反馈和双环反馈控制方式下进行仿真，并对比了逆变器输出的电压、电流波形。通过仿真和实验证明该双环反馈控制算法应用在单相UPS逆变器中较开环和单环反馈控制算法具有更好的控制效果。

双环反馈；单相；UPS；逆变器

引言

随着科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术的广泛应用，人们的工作条件越来越好,生活水平也逐渐提高。同时，各行各业的一些重要用电设备对供电质量也提出了更高的要求。因此，UPS(Uninterruptible Power System)作为一种为用电设备提供稳定、不间断的电源装置也得到了迅速的发展，表现最为突出的在于逆变器的控制策略上，从早期的模拟控制方式到数字控制方式，再到目前新兴的各类复杂的数字控制算法。

本文首先分析了双极性SPWM波形的数字式产生方法和对逆变器的控制方式，采用双极性SPWM控制方式会给逆变器的输出电压、电流波形带来不稳定和畸变的问题；然后在此基础上把逆变器的输出电容电压作为反馈量实现系统的单环反馈控制，该方法可以在一定程度上解决逆变器输出电压波形不稳定和畸变的问题，但是逆变器输出电流的波形并未得到优化；最后再把逆变器输出电感电流作为反馈量实现系统的双环反馈控制，这样一来，逆变器输出的电压、电流波形均得到改善。

1 单相UPS逆变器主电路拓扑

单相UPS逆变器主要由控制器、IGBT驱动模块、IGBT全桥电路和LC滤波电路构成。本文的研究背景是一台10KVA单相UPS逆变器，逆变器输入端的直流电压为310VDC，输出端的交流电压为220VAC。单相UPS逆变器主电路拓扑结构图如图1所示。

图1 单相UPS逆变器主电路拓扑结构图

2 双极性SPWM控制方式

SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）技术即是指调制信号按正弦规律变化的PWM技术。SPWM技术之所以成为目前应用在逆变器中最为广泛的PWM技术，主要是由于其具有开关频率固定、逆变器输出电压含有的高次谐波分量频率固定以及SPWM波形数字化易于实现等特点。由于双极性SPWM控制波形具有对称性，故可消除逆变器输出的偶次谐波，这也是本文采用双极性SPWM控制方式的主要原因。双极性SPWM控制方式波形图如图2所示。

图3 单相UPS逆变器仿真模型

图2 双极性SPWM控制方式波形图

产生SPWM波形最常用的方式是把调制信号与载波做比较。但随着数字可编程逻辑器件的快速发展，逆变器的控制方式已由早期的模拟式发展为半数字式或全数字式控制方式。本文在实验中采用的控制器是Altera公司生产的型号为EP4CE15F17C8N的FPGA。由于FPGA的并行运行机制，在设计时，需要4路输出信号，其中两路产生相同的正向SPWM波形，另外两路产生相同的负向SPWM波形，正向的SPWM波形输出经过驱动模块后给开关管V1和V4，负向的SPWM波形输出经过驱动模块后给开关管V2和V3。

采用FPGA作为控制器的优势在于可以省去调制信号和载波的发生器件，从而可以节约部分器件成本和减小硬件系统的体积；同时由于FPGA的并行运行机制，可以产生两路并行的驱动信号。采用计算法可以方便地推导出利用FPGA产生SPWM波形的方式，如公式（1）和公式（2）所示。

上式中，把半周期的调制信号等分成等份，其中表示一个控制周期中的正向SPWM时间、表示一个控制周期中的负向SPWM时间，为调制比,的取值从0到。经上述两个公式联立求解可分别求得与的表达式分别如公式（3）和公式（4）所示。

根据公式（3）和公式（4）可以非常方便地在FPGA中设计并产生双极性SPWM波。

3 仿真研究

在MATLAB/Simulink中搭建单相UPS逆变器的仿真模型，如图3所示，仿真时间设置为0.3s，通过Timer模块设置在0.15s之前逆变器输出带负载Load1，功率为10KVA；在0.15s时候投入负载Load2，此时功率达到15KVA。

3.1 开环控制

在开环控制下的仿真输出波形图如图4所示。图4中的实线波形为负载两端的电压波形曲线，虚线波形为流过负载Load1的电流波形曲线，可以看到在仿真开始的0.1s内电压、电流的波动都比较大，整个仿真过程中，逆变器输出电压、电流的波形都表现出不稳定和畸变的情况。

3.2 单环反馈控制

为了解决输出电压、电流波形不稳定和畸变的问题，在控制器中引入反馈量，通常的做法是把输出电容电压或者输出电感电流作为反馈量，来实现系统的闭环控制。由于电感电流滞后于电压，且电容电压超前于电流，所以，把电容电压作为反馈量是比较合适的。电压闭环控制系统框图如图5所示。在电压闭环控制系统下的仿真输出波形如图6所示，从图6中可以看到输出电压明显比开环控制系统下的更加稳定，但是仿真的前0.1s内输出的电压和电流波形畸变依然比较严重。

3.3 双环反馈控制

在电压闭环反馈控制的基础上，再引入电感电流作为反馈量，在这里把电感电流作为内环反馈，电容电压作为外环 反馈，以实现双环反馈控制。双环反馈控制系统框图如图7所示。在双环反馈控制系统下的仿真输出波形如图8所示，从图8中可以看到在整个仿真过程中逆变器输出的电压、电流波形都非常稳定且基本无畸变，解决了逆变器输出电压、电流波形不稳定和畸变的问题。

图4 开环控制仿真输出波形图

图6 电压闭环控制仿真输出波形图

图8 双闭环控制仿真输出波形图

图5 电压闭环控制系统框图

图7 双闭环控制系统框图

4 结论

在单相UPS逆变系统中，采用双环反馈控制和数字式SPWM控制方式相结合。经过理论分析和仿真实验，表明这种双环反馈控制策略对逆变器输出电压、电流波形具有较好的控制效果，特别是在负载扰动情况下，逆变系统输出依然比较稳定。进而在以FPGA为控制器的实际UPS逆变系统中实验，其结果也表明了该方案的可行性。

[1]梁达．不间断电源系统的组成[J]．石油化工自动化,2005,5:19-21．

[2]崔彬,钱照明,丁新平,等．Z源逆变器的电压电流双闭环控制[J]．电力电子技术,2007,9(41):1-3．

[3]李桂梅,戴瑜兴,易龙强．数字伺服控制技术在UPS逆变系统中的应用[J]．系统仿真学报,2008,15(20):4146-4149．

[4]董钊,王跃龙,林琼斌．单相逆变器新型双闭环控制算法的研究[J]．电气开关,2014,3:53-56．

[5]张凯,熊健,康勇,等．一种简单有效的UPS逆变器抗直流偏置技术[J]．电力电子技术,2006,2(40):37-39．

[6]闵晶妍,程琼．单相UPS逆变器的多环控制策略研究[J]．电力电子技术,2012,2(46):13-15．

[7]李晨光,王 毅,李建飞．一种新型的复合控制方案在UPS中的应用[J]．电力电子技术,2008,11(24):71-74．

[8]伍家驹,林金城,王文婷,等．单相全桥SPWM逆变器的仿真研究[J]．系统仿真学报,2008,21(20):6002-6005．

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

赵亮（1990—），男，四川德阳人，西南科技大学信息工程学院2013级硕士研究生，主要研究方向：数字式大功率逆变器的控制策略。

武丽（1967—），女，山东加祥人，西南科技大学信息工程学院自动化系主任，副教授。