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(多图) 智能UPS控制技术研究

来源:电源世界/作者:池从伟 秦娟英?? 2007年04月19日 ?? 收藏0

  1 引言

  在计算机网络及其相关网络通信技术迅猛发展的推动下,为确保在进行信息资源共享时所获得的数据、文件和图形等资料具有高度的真实可靠性、连续性和高保真度UPS(不间断电源)正越来越广泛地被应用到国民经济的各个领域。同时,随着信息技术的发展,智能信息处理以及基于网络的远程监控等新技术逐步应用于UPS中,构成了全智能化的UPS系统,方便了用户、提高了可靠性。本文着重介绍UPS控制技术,分析了UPS的PID控制技术的特性并深入分析了基于PID控制和重复控制的复合控制策略。

  2 控制策略概述

  UPS逆变器的数字控制技术成为了当前逆变器研究领域的一个热点,出现了多种逆变器数字化控制方法,包括数字PID控制、状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制等,有力地推动了UPS技术的发展。
  
?????? 每一种控制方案都各有其长短。某些控制方法虽然具有较好的动态响应速度,但稳态输出电压谐波失真度又达不到要求;某些控制方法虽然同时具有较高的动态和稳态精度,但它对参数变化很敏感,鲁棒性不好;某些控制方法有很好的稳态精度

,但动态响应效果却很差;某些控制方法受硬件水平的限制,目前还不能得到很好的应用。因此,一种必然的发展趋势是各种控制方案互相渗透,相互取长补短,构成复合的控制方案。

  3 数字PID控制

  在UPS逆变器控制中,最常用、最简单的方法是PID控制,具体实现方式包括电压瞬时值反馈控制和电压电流双闭环反馈控制,图1所示为电压瞬时值反馈控制。

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UPS逆变器数字PID控制

图1 UPS逆变器数字PID控制

  电压瞬时值反馈的控制策略优点是只使用了一个电压传感器,缺点是系统动态响应特性不好,跟踪特性不是很好, 波形质量欠佳。图2为采用此控制方法在10KVA逆变器上带容性负载时的输出电压波形。从图中可以看出波形失真度较大,难以满足高质量电源的要求。

带感性负载电流为33A和20A时电压波形

  
图2 带感性负载电流为33A和20A时电压波形

  改善电压源逆变器的动态特性的方法之一是增加一个电流闭环。在这种控制策略中,滤波电容的电流(也就是输出电压的微分)作为一个反馈变量引入到控制系统中,达到改善输出波形质量,它必须使用一个霍尔传感器来检测滤波电容电流,增加了系统的复杂性和成本。

  4 基于PID控制和重复控制的复合控制

  逆变器控制器是一个参考给定呈正弦变化的调节系统,而不是一个恒值给定的调节系统。同时,系统的扰动即负载电流,也不是一个恒值扰动,当接线性负载时,负载电流呈正弦变化;而当带非线性负载时,电流按非正弦规律变化。针对正弦指令的无静差跟踪问题,可以在控制器中植入一个与参考给定同频的正弦信号模型。

  

正弦信号模型

?????? (1-1)

  其中ω为正弦指令的角频率。可以验证,当指令和扰动都以角频率ω做正弦变化时,一个稳定的包含(1-1)所示内模的调节系统是无静差的。然而这只是在假定为线性负载的条件下得到的结论。实际负载要比这复杂的多,而且大多为整流性负载。这样的负载电流是非正弦的,其中包含了基波以及基波频率整数倍的多重谐波。因此实际的扰动频率成分是很丰富的,如果对所有的这些频率的扰动均实现无静差,植入正弦信号内模的方法就不适合了。
  
?????? 扰动信号都有一个共同特征,即在每一个基波周期都以相同的波形重复出现。因此,基于内模原理的重复控制可采用如下的一种“重复信号发生器”内模。其传递函数为:

  

传递函数

?????? (1-2)

  其中L为逆变器输出基波周期。将其离散化,得到延迟一个周期的正反馈环节。这一延迟环节正是重复控制的致命缺点,它对跟踪误差的调节作用滞后一个工频周期。因此考虑将PID控制方式与重复控制方式结合在一起,形成了基于PID和重复控制的新型UPS逆变器波形控制方法,利用重复控制改善系统的稳态输出波形质量,利用数字PID控制提高系统的动态特性,使系统兼具良好的稳态和动态特性。


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PID控制? 重复控制? 谐波?

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