鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2019年11月19日
單相UPS逆變器的多環控制策略研究
1引言UpS主要由蓄電池、充放電電路、逆變電路和控制系統等幾部分組成，其中逆變電路及其控制系統是UpS電源的核心部分。單相UpS逆變器的被控量是50Hz的交流量，而pI調節器不能對交流量實現無靜差調節，要減小穩態誤差，必須提高比例增益，但過高的比例增益，會降低系統的穩定性，因此pI控制算法不適合控制交流量。根據內模原理，要實現無靜差控制，控制環前向通道上必須含有外部輸入量的動態模型。重復控制算法能根據被控對象，在控制環的前向通道上形成被控對象的內模，從而實現對交流量的無靜差控制。采用重復控制策略控制單相正弦波逆變器能得到較滿意的性能，但算法較復雜，實現也較困難。單相逆變器的多環控制策略與雙環控制策略相比，逆變器輸出電壓的波形有所改善，但仍存在靜態誤差。文獻研究了單相逆變器的比例諧振控制算法，但沒有考慮負載變化對系統的影響。針對以上問題，這里提出了基于比例諧振控制的多環控制策略。實驗結果表明，與其他單相逆變器的控制策略相比，該控制方案是一種理想的控制方案。2單相UpS逆變器工作原理及數學模型所研究的單相UpS逆變器采用單相全橋拓撲結構，如圖1所示。
圖中負載可為線性負載或非線性負載。對單相逆變器的4個IGBT開關VS1～VS4進行調制，將直流電壓Udc調制成pWM脈沖電壓，通過LC濾波器濾除高頻諧波，在輸出端得到幅值和頻率都可調的正弦波電壓。設m為調制度，根據電路定律，單相逆變器的數學模型為：
3雙環控制策略及其調節器參數的整定采用電感電流反饋控制(內環)和輸出電壓反饋控制組成的級聯結構。采用比例諧振調節器對輸出電壓進行無靜差調節，采用比例調節器控制電感電流。為應對負載變化引起的大范圍擾動，在電壓外環中引入負載電流前饋控制，負載電流前饋控制與電壓調節器的輸出共同構成了電感電流指令信號，整個控制框圖如圖2所示，Kdc為輸出電壓前饋系數。因為電壓環與電流內環之間存在耦合，因此在電流內環中引入了輸出電壓的前饋。
[page]3．1電流調節器設計圖3示出電流環控制框圖。電流調節器采用比例調節器，Gci(s)=kip。電流環必須具有較高的動態性能，所以動態特性指標設定為：調整時間ts≤2ms，最大超調量Mp<20％，上升時間tr≤0．3ms。為有效抑制開關頻率附近(10kHz及以上)的諧波，電流環截止頻率應小于2kHz；為跟蹤50Hz的電流指令，電流環截止頻率要大于500Hz，因此電流環截止頻率選擇在500Hz～2kHz之間。
確定了上述指標和參數后，采用根軌跡法整定調節器的參數。調整kip使閉環主導極點在合適位置。根據上述動態指標，最終選擇kip=4．96，此時系統截止頻率為1．572kHz，阻尼比為0．521。當kip=4．96時，電流環根軌跡及階躍響應如圖4所示。
由圖4b可得：tr=0．38ms，tr=1．2ms，Mp=10％，系統動態性能指標基本滿足要求。此時電流環的幅值裕度為15．9dB，相位裕量為56．2°，表明電流環具有良好的相對穩定性。3．2電壓調節器設計電壓調節器為比例諧振調節器，傳遞函數為：截止頻率ω、比例系數Kp、諧振系數K，決定調節器的特性。ωc決定了調節器的帶寬，減小ωc，可使調節器帶寬變窄，帶寬變窄后，調節器對控制信號的頻率非常敏感，當頻率等于ω0時，產生無窮大的增益，此時可實現無靜差控制；當頻率在ω0附近時，增益較小，不能實現無靜差控制；當增加Kp，頻帶以外的幅值增加，而諧振頻率處的幅值增幅不大，說明Kp對諧振環節無影響；隨著Kr的增加，諧振頻率以外的幅值幾乎不變，但諧振頻率處的幅值增幅相對明顯，此特點有利于消除靜態誤差。Kp，Kr的變化，對諧振頻率處的相位影響都很小。根據圖2可得逆變器輸出電壓為：由式(3)可知，uo與指令電壓uref負載電流io都有關。由于Gu在諧振頻率附近有足夠大的增益，故式(3)中第1項的值趨近于uref，而第2項的值趨近于零，即只要合理地整定調節器的參數，uo即可準確跟蹤uref，此時系統具有較高的抗干擾特性。
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