单相UPS逆变器重复控制与模糊PI控制相结合的控制策略

2018-9-26 15:48:10

1582 UPS 逆变器瞬态

　　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。
　　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威廉希尔官方网站：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：

　　得出单相逆变器的连续时间状态方程：

　　由此状态方程我们可以得到逆变器通用连续状态空间模型为：

　　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p Δk , i Δk .先找出p Δk , i Δk 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0p k , 0i k 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p Δk , i Δk 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，z?N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.z?N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： r K 为可调增益。r K 越小，稳定裕度越大；反之， r K 越大，误差收敛速度越快，稳态误差越小，本文r K 取为0.86.zk为超前环节，是补偿器C（z）进行相位补偿所必需的，本文k取6. （） 1 C z 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，基本威廉希尔官方网站参数如下：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。

　　由图5可知，稳态时，稳态精度为0.14%,T H D = 0 . 1 1 %;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。（作者：兖文宇，于少娟，赵飞）