单相UPS逆变器复合控制策略

【摘要】本文通过对脉宽调制（pulse width modulation，PWM）单相不间断逆变电源（UPS）输出特性的分析。提出了一种基于重复控制和模糊PI控制相结合的UPS逆变器的综合控制策略。模糊PI控制提高UPS逆变器的动态特性，重复控制改善UPS逆变器的稳态精度。实验结果表明，该策略能获得具有良好的动态和稳态特性的波形。

【关键词】不间断电源；重复控制；模糊PI控制

1.引言

UPS通常用在对电源质量要求很高的场合，如金融部门、医疗中心、通信系统、军用设备等。一般要求UPS的输出波形质量好，动态响应快，抗扰能力强。近年来，中外学者发展出了多种逆变电源波形控制技术：PID控制，无差拍控制，滑模变结构控制，重复控制，模糊控制等。各种控制方法均具有各自的特点，表现出优良的特性和不足。本文针对UPS逆变电源波形不能兼顾稳态效果和动态效果的问题，建立了单相逆变器的数学模型，提出了基于重复控制和模糊PI控制相结合的新型控制策略。利用重复控制消除逆变器周期性干扰，提高其稳态精度，利用模糊PI控制改善逆变器对非周期扰动的瞬态响应速度。实验结果表明，基于该控制器控制的UPS输出波形质量好，稳态精度高，动态响应快。

2.单相全桥PWM逆变器的结构

单相全桥逆变器主电路结构如图1所示。图中，T1～T4为IGBT开关器件，E为直流输入电压，滤波电感L和滤波电容C构成低通滤波器，电阻r与滤波电感L相串联，它为死区效应和各环节的损耗提供了一个小的阻尼。

选取电容C与电感L作为状态变量，根据基尔霍夫电压定理KVL和电流定理KCL，我们可以得到逆变器的数学模型如下：

其中：

3.模糊PI控制器

模糊PI控制器主要由参数模糊化、模糊推理、解模糊和PI控制器组成，图2示出其原理框图。本文采用二维结构模糊控制器，以采样信号与参考信号的误差e和误差的变化率ec为输入量，以控制量的变化为输出量，这样的模糊PI控制结构简单，动态控制性能良好。接下来将输入量进行模糊化处理得到误差E和误差的微分量EC，控制器的输出量为，。先找出，与E和EC之间的模糊关系，再根据模糊控制规则进行模糊推理，对参数进行在线修正，将算出的参数代入下式计算：

式中，为PI参数的初始设定值，由控制系统的特性决定。

建立模糊规则的原则是使系统输出响应的动静态特性达到最佳：当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；当误差较小时，选择控制变量要以系统的稳定性为主，防止系统超调。因此通过仿真和实验设计可得到针对，的模糊规则表。

4.重复控制器设计

重复控制是基于内模原理的一种控制方法，包括重复信号发生器模块和补偿器模块。它将重复信号发生器作为周期性扰动信号植入控制系统中，能有效实现系统的无静差跟踪控制。本设计采用改进型重复控制器，即在重复信号发生器内模中附加一滤波器，如图3所示。

图3中，r为逆变器给定信号，y为逆变器输出电压，e为误差信号，d为死区、负载等其它周期性扰动等效信号，为周期延迟环节，N为一个工频周期的采样次数，Q（z）通过正反馈环节将误差信号进行周期性累加，它可以是一个略小于l的参数或低通滤波器，工程上常取Q（z）=0.9。和Q（z）构成了重复信号发生器。C（z）为重复控制环路补偿器。

补偿器C（z）根据控制对象P（z）的特性设置，在检测到上一周期的误差信息后，补偿器C（z）负责在下一周期给出幅值相位准确的控制量。通常可以采用以下形式实现：

其中：为可调增益。越小，稳定裕度越大；反之，越大，误差收敛速度越快，稳态误差越小，本文取为0.86。为超前环节，是补偿器进行相位补偿所必需的，本文k取6。常取为一个截止频率与P（z）近似的二阶低通滤波器以实现高频衰减，提高稳定性和抗高频干扰能力。与模糊PI自整定控制构成复合控制器如图4所示。

5.仿真实验分析

本文研究一个11KV的UPS电源，基本技术参数如下：直流母线电压E=380V；额定输出电压UO=220V；额定输出电压频率：f=50Hz；额定输出功率：P=11KVA；输出滤波电感：L=0.43mH；输出滤波电容：C=140uF；等效阻尼电阻：r=0.1Ω，PWM开关频率fSW=10KHz。基于MATALAB仿真软件进行仿真试验。

（a）阻性半载时电压电流仿真波形 （b）突加半载的电压电流仿真波形

图5 复合控制电压电流仿真波形

由图5可知，稳态时，稳态精度为0.14%，THD=0.11%；半载突加满载时电压跌落为19.8V，电压变化率为6.4%。

6.结论

本文针对UPS逆变电源，提出一种将重复控制与模糊PI控制相结合的控制策略，并通过仿真实验验证了该方法的可行性，结果表明所采用的控制方案使UPS的输出电压稳态精度高，稳态误差小，动态响应快。谐波畸变较小，获得了预期效果。

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作者简介：兖文宇（1987—），男，河北唐山人，太原科技大学硕士研究生，主要研究方向：现代控制理论在电气传动中的应用。