单相UPS主逆变电路控制策略研究

2018-07-06陈瑞霞

机械管理开发 2018年6期

陈瑞霞

（山西省晋煤集团通信分公司成庄站，山西晋城 048021）

引言

社会进入了互联网时代，特别是在国家提出建设“中国制造2025”之后，对电能的需求日益增加，对供电的质量、安全等各方面也都提出了新的更高的要求，在民用行业，比如银行、医疗、证券等领域，在煤炭等工业生产领域，特别是通信领域，一旦发生供电故障造成通信网络中断，将有可能引发后续灾难，造成不可挽回的经济和社会损失，因此本文就单相UPS正弦逆变电路控制策略进行深入分析研究，以从根本上保证通信电源的安全可靠[1]。

1 UPS主逆变电路

UPS电源系统的基本构成主要包括主电路拓扑结构、主控单元、监测电路、保护电路等。本文将针对主电路拓扑结构的控制策略进行研究，图1为传统在线式双边UPS拓扑，是UPS的功率组成部分。其由市电输入整流桥B1、逆变器、输出变压器、限流电阻、输出滤波电容等组成。逆变器和输出滤波电容、输出变压器是逆变电路中的主要控制对象。

图1 UPS主电路拓扑结构

2 单相USP正弦逆变器数学模型及分析

图2是单相UPS主电路拓扑结构的正弦逆变器等效图的正弦逆变系统模型[1]。

图2 UPS逆变系统模型

图2 中的E为直流母线电压，电感L和电容C构成了一个滤波器，它的作用是滤除脉宽调制波中的高次谐波，这些是UPS逆变系统的控制目标。图2中的右半部分所示的晶闸管斩波电路和全桥整流电路用于衡量UPS的性能。

根据前面确定的控制对象，将电容C两端的电压VC和流过电感L的电流iL作为变量，列出如下方程：

其中：

为了便于分析，将系统的输入电压等效为SPMW波的平均电压，这样可以将连续系统离散化为：

其中：

在研究过程中，将采样频率f=1/Ts作为谐振频率的设计值，使得 ω0·Ts＜＜1，上式可以进一步简化为：

通过上述简化后，可将UPS逆变器等效为图3所示，单相UPS正弦逆变器被等效为如图3所示的数学模型。

图3 逆变器数字模型方框图

3 控制策略研究

传统的UPS电源采用的PID控制是通过采集输出电压作为系统的反馈信号，利用设计好的固定模式对整个系统进行调节，其动态性能差，随着DSP芯片的出现，使这个问题得到较好的改善。本文将PID理论应用于UPS的控制[3]。

连续时域PID控制器方程如下：

可以将上述方程离散化为：

在运行过程中，非线性的周期性负载会有输出误差，为了降低这种误差，本文采取如下方法提高控制性能，如图4所示。

图4 控制原理图

通过增加重复控制器，可以减小非线性等因素带来的误差，从而增加系统的相应精度。这种策略的本质上是误差积分器，通过对输出的误差进行不断的累计，并将其累计得出的误差结果向系统中反馈，从而消除误差。

重复控制器的方程如下：

式中：e（k）表示系统输出误差，C为重复控制器增益，N为时间超前步数，n为采样数。

通过分析方程可以得出，C是重复控制系统的关键参数，其值的选取直接影响系统的响应、乃至整个系统的稳定性。如果C的值较大，则反馈给系统的信号也就较大，系统的误差回落就较快，但是其弊端是，会造成整个系统的稳定性下降。

通过对带重复控制器的PID系统方程的分析计算，可得：

当整个控制系统具有良好的响应极点时，我们可以确定PID控制器的K1、K2，从而使得控制系统对阻性负载的相应特性得到优化控制。

4 控制器的设计与仿真

4.1 控制器的设计原理与设计过程

将UPS的逆变电源等价为正弦波随动系统，为控制系统设计双环控制。根据数学模型的分析，将负载电流作为系统的扰动因素，内环的作用即消除扰动，利用数字误差拍的原理，实现输出对输入的跟随，使控制系统的输出保持稳定，从而降低输出畸变，提高动态响应特性。外环为一个积分器，其作用是减小静态误差，提高静态响应特性。其结构原理图如图5所示[4]。

由图5可知，内环由状态反馈组成，外环由误差积分器配合输出的反馈信号组成，且结构简单，效果明显。其系统方程如式5所示。

图5 单相UPS逆变器控制原理图

于是：

因此，整个系统的状态方程和解如下：

对于阶跃输入，r（k）=r，当 k=+∞，x（k）、y（k）、i0（k）趋于常数，因此，

定义：

则式（9）可转化为：

式中，

式（13）和（14）为标准的状态空间方程式，此系统包括自身状态反馈和负载误差两个输入，其中负载误差为系统的干扰因素。矩阵K^可以通过极点配置，使干扰误差减小为0而求解，进而求解K，和KI。

4.2 仿真

本文采用美国mathworks的MATLAB软件对系统进行仿真。MATLAB6.5环境下的动态仿真工具simulink软件包在建模、仿真、分析等方面应用非常广泛，其界面采取交互式设计，直观形象，对于仿真过程中的参数修改、结果观察都非常方便。参数如下：滤波电感L=1.8mH、滤波电容C=120uF、增益E=311V、参考正弦波r=1 V、f=50 Hz、采样频率10 kHz。