UPS逆变器控制方法比较分析

北京沃茵得科技发展有限公司 UPS 技术资料汇编 1 北京市海淀区太平路 25 瑞兴写字楼 H 座 203 室，邮编：100036，Tel: 010-68182826，Fax: 010-68182826 Http://www.bwind.net UPS 逆变器控制比较分析 1 引言 UPS 被广泛地应用在保护敏感负载，如 PC 机，服务器，医疗设备，通讯系统的电源故 障或者电源的干扰，为这些重要负载提供了高质量高可靠性的纯净电源。 逆变器是 UPS 的核心，它把直流电转换成用户所需的稳压稳频的交流电。对于 UPS 来 说，逆变器输出电压的质量决定了其整体性能。下面对近年来的各种控制方法做一个比较分 析。 2 目前流行的控制方法评析 半个多世纪以来，在很多工业生产过程控制中，应用模拟 PID 控制器获得了良好的效果。 近年来，随着数字控制器的不断发展，数字控制器亦得到了广泛的应用。数字 PID 控制算法 由比例、积分、微分三种算法组成，它克服了模拟 PID 控制器的许多不足和缺点，可以方便 地调整 PID 参数，具有很大的灵活性和很强的适用性。与其它控制方法相比，数字 PID 控制 具有以下优点： 1）PID 算法蕴含了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，控制过程快速、准 确、平稳，具有良好的控制效果； 2）PID 算法在设计过程中不过分依赖系统参数，系统参数的变化对控制效果的影响很 小，控制的适应性好，具有较强的鲁棒性； 3）PID 算法简单明了，便于用单片机或 DSP 实现。 但是，UPS 逆变器采用数字 PID 控制算法也有两方面的局限性。一是系统的采样量化误 差降低了算法的控制精度；二是采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后的系 统，造成了 PID 控制器稳定域减少，增加了设计难度。 2.1 预测控制 预测控制可以实现很小的电流畸变，抗噪音能力强，但是，这种算法要求知道精确的负 载模型和电路参数，而且有数值计算造成的延时在实际应用中也是一个问[1]。 2.2 滞环控制 滞环控制具有快速的响应速度，较高的稳定性，但是，滞环控制的开关频率不固定，使 北京沃茵得科技发展有限公司 UPS 技术资料汇编 2 北京市海淀区太平路 25 瑞兴写字楼 H 座 203 室，邮编：100036，Tel: 010-68182826，Fax: 010-68182826 Http://www.bwind.net 电路工作可靠性下降，输出电压的频谱变差，对系统性能不利。 2.3 无差拍控制 无差拍控制最先是由卡尔曼提出的，它是一种基于被控制对象精确数学模型的控制方法。 无差拍控制的基本思想是根据逆变器的状态方程和输出反馈信号（通常是输出滤波电容的电 压和电流）推算出下一个开关周期的 PWM 脉冲宽度。PWM 脉冲宽度是根据当前时刻状态 向量和下一采样时刻的参考正弦值计算出来的，因此，从理论上可以使输出电压在相位和幅 值上都非常接近参考电压，由负载变化或非线性负载引起的输出电压误差可在一个开关周期 内得到校正。无差拍控制要求控制脉宽必须当拍计算当拍输出，否则不仅会破坏了控制特性， 甚至还会影响系统的稳定性。由于采样和计算延时，要做到当拍计算当拍输出必然使输出脉 冲的占空比受到限制，这就降低了输入直流电压的利用率。无差拍控制的控制参数是和输出 滤波器参数、直流母线电压以及负载息息相关的，只要它们当中的一个发生变化，控制参数 就得作相应的调整，否则就会导致控制失效，所以，无差拍控制系统的鲁棒性很差。 2.4 滑模控制 滑模控制是一种非线性控制，这种控制的特点是控制的非连续性，它使系统在一定条件 下沿着的轨迹做高频率、小振幅的上下运动[2]。这种控制既可以用于线性系统也可用 于非线性系统。对于连续系统，由于控制的不连续使其变为非线性系统，对于非连续系统， 不仅有非连续特性还包含有非线性系统的动力学特性。这种控制方法具有很强的鲁棒性。U 是切换函数 u= 式中：s=c1x＋c2x＋…＋cnx； x 是系统的状态信息； u（x）是所采取的控制策略。 这种控制的目的是通过求取切换函数中的各常数值，使得所采取的控制策略满足 滑模运动所要求的稳定性和动态特性。这种控制的缺点是要得到一个令人满意的滑模面是很 困难的。 2.5 重复控制 重复控制是一种基于内模原理的控制方法，内模原理是把作用于系统的外部信号的动力 学模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理[3]。逆变器采用重复控制的 北京沃茵得科技发展有限公司 UPS 技术资料汇编 3 北京市海淀区太平路 25 瑞兴写字楼 H 座 203 室，邮编：100036，Tel: 010-68182826，Fax: 010-68182826 Http://www.bwind.net 目的是为了消除因整流桥负载引起的输出电压波形周期性的畸变。其控制思想是假定前一周 期出现的输出电压波形畸变将在下一周期的同一时刻再次出现，控制器根据参考信号和输出 电压反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后，在下一个基波周期将此校正信号叠加在 原控制信号上，这样就可以消除输出电压的周期性畸变。重复控制器可以消除周期性干扰产 生的稳态误差，但是，由于重复控制延时一个工频周期的控制特点，使得单独使用重复控制 的 UPS 逆变器动态特性极差，无法满足 UPS 逆变器的指标要求。 2.6 模糊控制 模糊控制属于智能控制的范畴。系统的复杂性和模型的精确性总是存在着矛盾，许多控 制方法都要求有被控对象的精确模型，而模糊控制器的设计不需要被控对象的精确数学模型， 因此，具有很强的鲁棒性和自适应性。模糊控制有 3 个基本组成部分，即模糊化、模糊决策 和精确化计算。其工作过程可简单描述如下：首先将信息模糊化，然后经模糊推理规则得到 模糊控制输出，最后将模糊指令进行精确化计算最终输出控制值。模糊控制勿须知道输入输 出间的数学依存关系，给定一个输入，便可以根据控制规则得到一个合适的输出，控制算 法简单、计算时间较少。逆变器采用模糊控制有利于提高控制的实时性，改善逆变器输出电 压波形质量。模糊控制主要依赖模糊规则和模糊变量的隶属度函数。如果对信息进行简单的 模糊化处理会导致被控系统控制精度的降低和动态品质变差，为了提高系统精度必然要增加 量化等级，这样就使得规则迅速增多，影响了规则库的最佳生成，而且会增加系统的复杂性 和推理时间。模糊控制是主要用于滞后系统、非线性系统、时变系统，这种控制不要求知道 系统的精确数学模型，这种控制根据控制量的个数可以分为一维模糊控制器、二维模糊控制 器和三维模糊控制器。模糊控制类似于传统的 PD 控制，因而，这种控制有很快的响应速度， 但是，其静态特性不令人满意。模糊控制框图如图 1 所示。 图 1 模糊控制框图 北京沃茵得科技发展有限公司 UPS 技术资料汇编 4 北京市海淀区太平路 25 瑞兴写字楼 H 座 203 室，邮编：100036，Tel: 010-68182826，Fax: 010-68182826 Http://www.bwind.net 2.7 神经网络控制 神经网络控制是模拟人脑神经中枢系统智能活动的一种控制方式。神经网络具有非线性 映射能力，并行计算能力和较强的鲁棒性等优点，已广泛地应用于控制领域，尤其是非线性 系统领域。随着神经网络控制芯片的出现，一些学者正在研究神经网络控制在逆变电源中的 应用，目前在神经网络结构的设计、学习算法等方面已取得了一定成果。但是，由于硬件系 统的限制，目前神经网络控制还无法实现对逆变器输出电压波形进行在线控制，多数应用都 是采用离线学习获得优化的控制规律，然后利用得到的规律实现在线控制。 2.8 空间矢量 PWM 技术 空间矢量 PWM 技术既可以用在开环控制也可以用在闭环系统中，空间矢量控制可以获 得 100％的直流母线电压利用率。空间矢量方法把三相逆变桥所有开关状态分为 8 种，2 种 状态为 0。这 8 种矢量的合成就产生了空间矢量波形。每一时刻给定的电压矢量都可以由 2 个非零矢量合成产生，这个二维空间被 6 个非零矢量分为相等的 6 个区域，首先计算给定的 电压矢量处于哪个区域，然后用该区域相邻的两个矢量合成出所需的电压矢量，为了保证每 一个开关器件在一个开关周期中最多只开通关断一次，所以，要根据一定的开关顺序将 2 个电压矢量发出，中间按一定的原则插入零矢量。这种控制方式也需要电路的精确模型。 3 同反馈环路数目的逆变器控制 3.1 电压瞬时值单环反馈 电压瞬时值单环控制框图如图 2 所示。电压瞬时值反馈控制的原理是：用参考正弦波电 压与输出电压瞬时反馈值进行比较得到电压误差，电压误差经 PI 或 PID 调节后的控制输出 量与三角波比较得到 PWM 控制脉冲。这种控制方法能够实时地调节输出电压的波形，比较 好地抑制元器件的非线性特性和直流母线电压波动带来的影响，在一定程度上改善了逆变器 的静态和动态特性。但是，由于这种控制方法只有单电压环控制，当负载发生比较大的动态 变化（如负载的电流突然变大）时，逆变器的输出电压会有比较大的畸变，而且动态调节比 较慢。 北京沃茵得科技发展有限公司 UPS 技术资料汇编 5 北京市海淀区太平路 25 瑞兴写字楼 H 座 203 室，邮编：100036，Tel: 010-68182826，Fax: 010-68182826 Http://www.bwind.net 图 2 电压单环控制框图 3.2 电压电流双环反馈 图 3 是输出电压和电感电流双环控制框图。 图 3 电压电流双环控制框图 北京沃茵得科技发展有限公司 UPS 技术资料汇编 6 北京市海淀区太平路 25 瑞兴写字楼 H 座 203 室，邮编：100036，Tel: 010-68182826，Fax: 010-68182826 Http://www.bwind.net 在这种控制模式下，参考正弦电压与输出电压相减后得到的误差电压经过 PI 调节之后 的输出作为电感电流的指令，电流误差信号经过比例调节之后与三角波比较产生控制信号。 这种方法是目前应用最为普遍的控制方法之一。电感电流中包含了负载电流，因此可以起到 对负载限流的作用。电感电流的方向是进行死区效应补偿的必要条件，采用电感电流模式可 以方便地对死区进行补偿。 3.3 多环反馈策略 多环控制框图如图 4 所示。电路中采用了输出电压反馈、滤波电容电流反馈和参考电压 前馈。前馈环节的加入减小了负载的扰动效应。输出电容电流则是输出电压的真正微分，它 对于负载电流的突变非常敏感，能在输出电压发生畸变之前做出校正，因此，电容电流采样 的双环控制可以极大地提高系统的动态反应速度，使逆变器输出电压在整流型负载下也能获 得较好的波形。 图 4 多环控制框图 4 逆变器的并联策略 要实现逆变器的并联运行，关键是各逆变器应共同负担负载电流，即要实现均流控制。 环流的大小，不仅跟逆变器输出电压的幅值有关，而且跟输出电压的相位也有关系。因此， UPS 的并联比一般的直流电源并联要复杂得多，它必须满足以下 3 个条件： 1）各个逆变器的输出电压的幅值必须相等； 2）各个逆变器的输出电压的频率必须相等； 北京沃茵得科技发展有限公司 UPS 技术资料汇编 7 北京市海淀区太平路 25 瑞兴写字楼 H 座 203 室，邮编：100036，Tel: 010-68182826，Fax: 010-68182826 Http://www.bwind.net 3）各个逆变器的输出电压的相位必须一致。 逆变电源并联控制方法一般分为集中控制、主从控制、分散式控制和无互联线控制 4 种。 采用冗余并机技术，即将逆变器的输出端直接连接同时给负载供电，可以提高 UPS 的 容量和系统的可靠性，使成本下降，可维护性增强，但是，并联模块越多，各模块间的均流 问题越难解决。 4.1 集中式控制 在早期的逆变器并联控制中多采用集中式控制技术，其控制框图如图 5 所示。 图 5 集中式并联系统图 集中控制的特点是存在一个集中控制器。集中控制器给每个并联逆变器提供统一的基准 信号，由各个逆变器的锁相电路保证其输出电压的频率和相位与基准信号保持一致。由集中 控制器检测出总负载电流 IL，然后将 IL 除以 n 作为各台逆变电源的电流指令，各逆变电源 检测出各自的实际输出电流后，求出电流偏差。假如各逆变器输出电压的频率和相位偏差不 大时，可以认为电流的偏差主要是由于电压幅值的不一致引起的。因此，这种控制方式可将 电流偏差作为电压输出指令的补偿量，用于消除电流的不平衡。 由于集中控制器的作用，这种控制方式比较简单，且均流的效果也较好。但是，集中控 北京沃茵得科技发展有限公司 UPS 技术资料汇编 8 北京市海淀区太平路 25 瑞兴写字楼 H 座 203 室，邮编：100036，Tel: 010-68182826，Fax: 010-68182826 Http://www.bwind.net 制器的存在使得系统的可靠性有所下降，一旦控制器发生故障将导致整个供电系统的崩溃， 所以，集中控制式并联的可靠性不高。 4.2 主从式并联控制 为了避免集中控制器故障而引起系统的崩溃，提出了一种主从并联控制。通过将并联控 制器放到每台逆变器中，通过一定的逻辑确定一台为主机，如将最先启动的一台或固定的某 台逆变器确定为主机。当主机出现故障时，故障机自动的退出系统，一台从机自动地切换为 主机，执行主机可控制功能。这种控制方法的原理与集中控制是一样的，只是避免了控制器 出现故障时整个系统的崩溃，提高了系统的可靠性。 在一些主从控制并联系统中，正常运行时只有主机的内部存在电压环，从机内部没有电 压环，从机接收主机的电压环输出作为电流环的电流指令，因此，主机是电压型逆变电源， 从机是电流型逆变电源。 主从控制解决了单个逆变器故障的问题，但是，由于存在主从切换的问题，其可靠性也 就打了一定的折扣。一旦主从切换失败，必将导致系统的瘫痪。 4.3 分散式并联控制 ave 是一个求平均值的电路，通过这个电路，逆变器之间的反馈电压 vf，参考电压 vr 及反馈电流 if 的平均值都被用于每个逆变器的控制，各个逆变器的控制功能完全一致，加入 或者去掉一个逆变器模块对系统来说也就不需要额外的逻辑判断了，很适合冗余系统的维护。 在分散式控制中，整个系统中各台逆变器的地位是相等的。当某台逆变器一旦发生故障， 该台逆变器就自动的退出系统，而其余的逆变器不受影响。分散控制的并联系统解决了集中 控制和主从控制中存在的单台逆变器故障导致整个系统瘫痪的缺点，使并联系统的可靠性大 大的提高。 虽然分散式控制方案使系统运行具有较高的可靠性，但是，随着并联系统中逆变器数量 的增加，逆变器之间的相互连线将变得复杂；同时，各台逆变器之间的距离也将随之扩大， 从而导致连线的困难，干扰也比较严重。总之，随着并联逆变器的增多，将降低系统的可靠 性。 4.4 无互连线式并联 为了减少逆变器之间的连线，近年来提出了一种无互连线式的 UPS 并联系统。这种无 互连线式的并联的原理是基于逆变器的外特性下垂法[5]。模块间没有控制信号连线。它仅 北京沃茵得科技发展有限公司 UPS 技术资料汇编 9 北京市海淀区太平路 25 瑞兴写字楼 H 座 203 室，邮编：100036，Tel: 010-68182826，Fax: 010-68182826 Http://www.bwind.net 以本模块有功功率、无功功率和失真功率为控制变量，从而使各模块独立工作。各模块有自 己的控制电路，之间唯一的?接是各模块交流并联功率输出线。均流靠模块内部输出频率、 电压和谐波电压分别随输出的有功功率、无功功率和失真功率呈下垂特性，从而实现同步和 均流。在具体的实现中，一般通过逆变器的控制器，使它的频率和电压外特性下垂。但是， 这种控制方法存在一个严重的缺陷，即逆变器的输出特性必须设计为软特性，输出电压和频 率必须随着负载的大小变化，对于一个利用下垂特性的系统来说在从空载到满载变化时，频 率将会变化 2rad/s，幅值将会变化 10％，这对于一个电源来说是不可接受的。 5 逆变器控制的发展方向 逆变器可采用的控制方法种类繁多，每一种控制方法都有其独特的优点及适用场合，也 有其不足之处。同时采用不同的控制方法形成复合控制，可以实现取长补短、优势互济的目 的，因此，复合控制是逆变器控制方法的一个发展趋势。随着控制理论和数字处理芯片的迅 速发展，使各种先进控制方法的实现成为可能，逆变器的数字化控制方法成了今后交流电源 领域中的一个研究热点和发展趋势。