陳瑞霞

（山西省晉煤集團(tuán)通信分公司成莊站， 山西 晉城 048021）

引言

社會(huì)進(jìn)入了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，特別是在國(guó)家提出建設(shè)“中國(guó)制造2025”之后，對(duì)電能的需求日益增加，對(duì)供電的質(zhì)量、安全等各方面也都提出了新的更高的要求，在民用行業(yè)，比如銀行、醫(yī)療、證券等領(lǐng)域，在煤炭等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是通信領(lǐng)域，一旦發(fā)生供電故障造成通信網(wǎng)絡(luò)中斷，將有可能引發(fā)后續(xù)災(zāi)難，造成不可挽回的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失，因此本文就單相UPS正弦逆變電路控制策略進(jìn)行深入分析研究，以從根本上保證通信電源的安全可靠[1]。

1 UPS主逆變電路

UPS電源系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要包括主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、主控單元、監(jiān)測(cè)電路、保護(hù)電路等。本文將針對(duì)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制策略進(jìn)行研究，圖1為傳統(tǒng)在線(xiàn)式雙邊UPS拓?fù)?，是UPS的功率組成部分。其由市電輸入整流橋B1、逆變器、輸出變壓器、限流電阻、輸出濾波電容等組成。逆變器和輸出濾波電容、輸出變壓器是逆變電路中的主要控制對(duì)象。

圖1 UPS主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 單相USP正弦逆變器數(shù)學(xué)模型及分析

圖2是單相UPS主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正弦逆變器等效圖的正弦逆變系統(tǒng)模型[1]。

圖2 UPS逆變系統(tǒng)模型

圖2 中的E為直流母線(xiàn)電壓，電感L和電容C構(gòu)成了一個(gè)濾波器，它的作用是濾除脈寬調(diào)制波中的高次諧波，這些是UPS逆變系統(tǒng)的控制目標(biāo)。圖2中的右半部分所示的晶閘管斬波電路和全橋整流電路用于衡量UPS的性能。

根據(jù)前面確定的控制對(duì)象，將電容C兩端的電壓VC和流過(guò)電感L的電流iL作為變量，列出如下方程：

其中：

為了便于分析，將系統(tǒng)的輸入電壓等效為SPMW波的平均電壓，這樣可以將連續(xù)系統(tǒng)離散化為：

其中：

在研究過(guò)程中，將采樣頻率f=1/Ts作為諧振頻率的設(shè)計(jì)值，使得 ω0·Ts＜＜1，上式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

通過(guò)上述簡(jiǎn)化后，可將UPS逆變器等效為圖3所示，單相UPS正弦逆變器被等效為如圖3所示的數(shù)學(xué)模型。

圖3 逆變器數(shù)字模型方框圖

3 控制策略研究

傳統(tǒng)的UPS電源采用的PID控制是通過(guò)采集輸出電壓作為系統(tǒng)的反饋信號(hào)，利用設(shè)計(jì)好的固定模式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其動(dòng)態(tài)性能差，隨著DSP芯片的出現(xiàn)，使這個(gè)問(wèn)題得到較好的改善。本文將PID理論應(yīng)用于UPS的控制[3]。

連續(xù)時(shí)域PID控制器方程如下：

可以將上述方程離散化為：

在運(yùn)行過(guò)程中，非線(xiàn)性的周期性負(fù)載會(huì)有輸出誤差，為了降低這種誤差，本文采取如下方法提高控制性能，如圖4所示。

圖4 控制原理圖

通過(guò)增加重復(fù)控制器，可以減小非線(xiàn)性等因素帶來(lái)的誤差，從而增加系統(tǒng)的相應(yīng)精度。這種策略的本質(zhì)上是誤差積分器，通過(guò)對(duì)輸出的誤差進(jìn)行不斷的累計(jì)，并將其累計(jì)得出的誤差結(jié)果向系統(tǒng)中反饋，從而消除誤差。

重復(fù)控制器的方程如下：

式中：e（k）表示系統(tǒng)輸出誤差，C為重復(fù)控制器增益，N為時(shí)間超前步數(shù)，n為采樣數(shù)。

通過(guò)分析方程可以得出，C是重復(fù)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，其值的選取直接影響系統(tǒng)的響應(yīng)、乃至整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果C的值較大，則反饋給系統(tǒng)的信號(hào)也就較大，系統(tǒng)的誤差回落就較快，但是其弊端是，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。

通過(guò)對(duì)帶重復(fù)控制器的PID系統(tǒng)方程的分析計(jì)算，可得：

當(dāng)整個(gè)控制系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)極點(diǎn)時(shí)，我們可以確定PID控制器的K1、K2，從而使得控制系統(tǒng)對(duì)阻性負(fù)載的相應(yīng)特性得到優(yōu)化控制。

4 控制器的設(shè)計(jì)與仿真

4.1 控制器的設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)過(guò)程

將UPS的逆變電源等價(jià)為正弦波隨動(dòng)系統(tǒng)，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙環(huán)控制。根據(jù)數(shù)學(xué)模型的分析，將負(fù)載電流作為系統(tǒng)的擾動(dòng)因素，內(nèi)環(huán)的作用即消除擾動(dòng)，利用數(shù)字誤差拍的原理，實(shí)現(xiàn)輸出對(duì)輸入的跟隨，使控制系統(tǒng)的輸出保持穩(wěn)定，從而降低輸出畸變，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。外環(huán)為一個(gè)積分器，其作用是減小靜態(tài)誤差，提高靜態(tài)響應(yīng)特性。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示[4]。

由圖5可知，內(nèi)環(huán)由狀態(tài)反饋組成，外環(huán)由誤差積分器配合輸出的反饋信號(hào)組成，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效果明顯。其系統(tǒng)方程如式5所示。

圖5 單相UPS逆變器控制原理圖

于是：

因此，整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和解如下：

對(duì)于階躍輸入，r（k）=r，當(dāng) k=+∞，x（k）、y（k）、i0（k）趨于常數(shù)，因此，

定義：

則式（9）可轉(zhuǎn)化為：

式中，

式（13）和（14）為標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)空間方程式，此系統(tǒng)包括自身狀態(tài)反饋和負(fù)載誤差兩個(gè)輸入，其中負(fù)載誤差為系統(tǒng)的干擾因素。矩陣K^可以通過(guò)極點(diǎn)配置，使干擾誤差減小為0而求解，進(jìn)而求解K，和KI。

4.2 仿真

本文采用美國(guó)mathworks的MATLAB軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。MATLAB6.5環(huán)境下的動(dòng)態(tài)仿真工具simulink軟件包在建模、仿真、分析等方面應(yīng)用非常廣泛，其界面采取交互式設(shè)計(jì)，直觀形象，對(duì)于仿真過(guò)程中的參數(shù)修改、結(jié)果觀察都非常方便。參數(shù)如下：濾波電感L=1.8mH、濾波電容C=120uF、增益E=311V、參考正弦波r=1 V、f=50 Hz、采樣頻率10 kHz。

4.3 控制器校正后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)

經(jīng)控制器校正后，正弦變系統(tǒng)的極點(diǎn)被配置在零點(diǎn)處。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的輸出對(duì)參考輸入的跟隨性有了明顯的改善。在校正前，輸出的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量都明顯過(guò)大，如果系統(tǒng)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出性能也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的變化。因此，采用基于PID控制的控制器，去除負(fù)載的干擾影響，對(duì)UPS的運(yùn)行非常重要。

對(duì)比圖6中的階躍響應(yīng)圖，校正前系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間為1.2 ms，校正后降低為0.6 ms，而且沒(méi)有出現(xiàn)響應(yīng)超調(diào)，說(shuō)明控制效果良好，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到了較為明顯的提高。

圖6 單位階躍響應(yīng)圖

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，采用基于PID控制理論的正弦UPS逆變電源，在抑制負(fù)載對(duì)UPS逆變器的負(fù)面干擾方面有著較為明顯的改進(jìn)作用，而且能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和控制精度。該控制策略及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行，通過(guò)對(duì)UPS正弦逆變系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了其可行性和控制效果。

[1]劉豹.現(xiàn)代控制理論：第2版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版計(jì)，1992.

[2]馮國(guó)楠.現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[3]魏克新，王云亮，陳志敏.MATLAB語(yǔ)言與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[4]薛定宇，陳陽(yáng)泉.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.