UPS逆变器数字化控制技术

UPS逆 变 器 数 字 化 控 制 技 术 高 � 军 � 黎 � 辉 � 杨 � 旭 � 王兆安 (西安交通大学 � 710049) � � 摘 � 要 � 介绍了 U PS逆变电源实现由模拟控制向数字化控制方向转变的重要意义, 分析了 目前处于实用阶段或研究阶段的各种 UPS 逆变器数字化控制方法, 指出今后 UPS 逆变器控制策 略的发展方向。 � � 关键词 � U PS � 正弦波逆变器 � 数字控制 1 � 引言 随着不间断电源 ( U PS) 应用越来越广泛, 对 U PS的研究也日益深入。在 U PS的各个组成部分 中, 最关键的部分是逆变器, 它在很大程度上决定 了整个电源的性能。目前, U PS 逆变器输出波形 的控制多采用模拟电路, 控制方法为传统的 PID 调节器。传统模拟控制的局限性为: � 电源的生产 一致性不好。 设计周期长, 调试复杂。! 无法采 用一些先进的控制方法。 近年来, 随着大规模集成电路 ASIC、现场可 编程逻辑器件 FPGA 及数字信号处理器 DSP 技术 的发展, U PS逆变器的控制逐渐由模拟转向数字, 即向数字化方向发展。UPS 逆变器实现数字化可 带来以下好处: �减少控制元件数量, 提高系统抗 干扰能力。 设计和制造灵活, 每台电源间的一致 性好。一旦控制方法改变, 只需要修改程序即可, 无需变动硬件电路, 大大缩短了设计周期。 !可以 采用更先进的控制方法。输出电能质量好, 可靠性 高, 便于实现智能控制。∀由于控制方法灵活, 便 于几台 UPS的并联运行控制, 从而实现 UPS 的并 机。 与U PS的数字化相对应, 各种各样的离散控 制方法成为研究的热点, 如无差拍控制、重复控 制、离散滑模控制及人工神经网络控制等。总之, 数字化控制技术是 UPS的一个必然发展方向。 2 � UPS逆变器数字控制技术 2�1 � 数字 PID控制 PID控制是目前为止应用最为广泛、最为成熟 的一种控制技术, 已经在模拟 U PS 逆变器控制系 统中得到了很好的应用。PID 控制具有以下优越 性[ 1] : ( 1) 算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和 将来的主要信息。其中, 比例 ( P) 代表了当前的 信息, 起校正偏差的作用, 使过程反应迅速。微分 ( D) 在信号变化时有超前控制作用, 代表了将来 的信息。在过程开始时强迫过程加速进行, 过程结 束时减小超调, 克服振荡, 提高系统的稳定性, 加 快系统的过渡过程。积分 ( I) 代表了过去积累的 信息, 它能消除静差, 改善系统的静态特性。此三 个作用配合得当, 可使动态过程快速、平稳、准 确, 收到良好的效果。 ( 2) PID控制算法在设计过程中不过分依赖系 统参数, 因此系统参数的变化对控制效果的影响很 小, 控制的适应性好, 有较强鲁棒性。 ( 3) PID算法简单明了, 已经形成一套完整的 设计和参数调整方法。 但是, 数字 PID控制算法应用到 U PS 逆变器 中, 不可避免的产生了一些局限性。首先, P ID算 法控制的精度取决于比例项和积分项的选取, 这两 项越大, 控制精度越高。但是, 积分项的加入会使 输出电压与给定信号之间产生相位偏移。在 U PS 中, 由于锁相同步的要求, 这种相位偏移是绝对不 允许的, 这样, 算法中积分作用必须取得很小甚至 不加。其次, 输出电压信号经采样离散化后, 不可 避免存在量化误差, 即算法可以觉察到的误差最小 值为一个量化单位。由于量化误差的影响, 比例作 用不能取得太大, 否则系统不稳定。最后, 由于采 样和计算延时的影响, 控制信号要延迟一个采样周 期输出。这等同于在系统中串联了一个纯延迟环 节, 减小了系统的稳定裕度。这几种作用的结果势 必造成稳态误差大, 输出电压波形畸变高。当然, 采用高速率 A/ D和高速处理器以及提高开关频率 #6# ∃电工技术杂志% 2001 年第 12 期 &综 � 述& 可以缓解上述矛盾, 但实现起来有一定困难。 2�2 � 状态反馈控制 U PS逆变器对输出波形的要求包括两个方面: �输出电压准确跟踪参考正弦信号, 波形畸变率 低。 系统负载突变时动态响应速度快, 输出电压 波动小。改善逆变电源动态特性的一个方法是采用 电压电流双闭环控制, 通过设置电容电流内环 来改善系统的动态特性。但双环型的控制方案对控 制速度要求较高, 不适合数字实现。 采用状态反馈可以任意配置闭环系统的极点, 从而改善系统的动态特性和稳定性。状态反馈系数 的确定大致有两种方法: �根据系统要求给出期望 闭环极点, 推算状态反馈增益矩阵。 应用最优控 制原理, 使系统的阶跃响应接近理想输出, 据此确 定状态反馈增益[ 2]。 2�3 � 无差拍控制 无差拍控制是一种基于电路方程的控制方式, 取输出滤波电容电压和电流为状态变量, 逆变器状 态方程表示如下 dv c dt di c dt = A & v c i c + B&u in ( 1) 式中 � u in为一个开关周期内逆变桥输出 PWM 脉 冲的平均值。采用状态空间法将上式离散化, 得离 散化状态方程 v c( k+ 1) i c( k+ 1) = f 11 f 12 f 21 f 22 & v c( k) i c( k ) + g1 g2 &u in( k) ( 2) 上式取第一行可得 v c( k+ 1) = f 11&v c( k ) + f 12&i c ( k ) + g1&u in( k ) ( 3) 使输出电压在 k+ 1时刻达到参考值, 即用 v ref ( k + 1) 代替 v c ( k+ 1) , 从式 ( 3) 可得 k 时刻的控 制量u in( k)应为 u in( k ) = 1 g 1 v ref( k+ 1) - f 11&v c( k ) - f 12&i c( k ) ( 4) 式 ( 4) 即为无差拍控制公式[ 3]。 由以上分析可以看出, 如果系统模型预测的非 常准确, 输出电压在每个采样点上将保持与参考电 压相等。因此, 无差拍控制逆变器输出电压波形质 量好, 总谐波畸变率 ( THD) 低。另外, 如果系 统出现扰动使输出电压偏离参考电压, 系统将在一 个采样周期后再次跟踪给定, 动态响应速度非常 快。因此, 不论是从稳态特性还是从动态特性上 讲, 无差拍控制都是一种非常好的 UPS 逆变器控 制方案。 当然, 无差拍控制也有其自身的局限性。首 先, 无差拍控制要求当拍计算、当拍输出, 由于采 样和计算延时的影响, 输出脉冲的宽度受到限制, 造成直流电压利用率不高。其次, 无差拍控制是一 种基于电路模型的控制方法, 其控制效果取决于模 型估计的准确程度。实际上, 无法对电路模型做出 非常精确的估计, 而且系统模型随着负载不同而变 化, 实际中并不能保证采样点上电压跟踪无误差。 另外, 无差拍控制极快的动态响应既是其优势, 又 导致了其不足, 一旦系统模型不准, 很容易使系统 进入不稳定运行区域造成振荡。 2�4 � 重复控制 为了消除非线性负载对逆变器输出的影响, 在 UPS逆变器控制中引入重复控制技术。图 1表示 出了一种重复控制系统。 � � � P B( z ) # # # 有瞬时跟踪闭环反馈控制的U PS逆变器系统 S ( z )、Q( z ) # # # 重复控制器的补偿环节 r ( k) # # # 参考信号 � y ( k) # # # 系统输出电压 e( k) # # # 跟踪误差 � r c( k) # # # 重复控制器补偿后的参考指令 扰动输入d ( k)到跟踪误差 e( k )的传递函数可 表示为 � H ( z ) ∋ E ( z ) D( z ) = 1 1+ z - N 1- Q ( z ) z - NS ( z ) P B( z ) ( 5) 式中 � N # # # 一个基波周期内的采样次数 对应 s 域中的频率响应为 H ( j�) = H ( z ) | z= ej�T ( 6) 式中 � T # # # 采样周期 如果d( k )的频率是基波周期的整数倍, 并假 #7# UPS 逆变器数字化控制技术 ∃电工技术杂志% 2001 年第 12 期 定Q ( z )= 1且 PB( z )稳定, 则有 | H ( j�) | = 0 ( 7) 这表明重复控制器消除了频率为基波周期整数倍干 扰产生的跟踪误差, 跟踪效果非常好。为了保证系 统稳定, 一般取Q ( z ) < 1 , 这样有 | H ( j �) | < �( j �) ( 8) 式中�( j �)为一很小的数。 重复控制虽然可以保证输出波形质量, 但却有 一个致命的弱点。由于延迟因子 z - N的存在, 重复 控制得到的控制指令并不是立即输出, 而是滞后一 个参考周期后才输出。这样, 如果系统内部出现干 扰, 消除干扰对输出的影响至少要一个参考周期。 干扰出现后的一个参考周期内, 系统对干扰并不产 生任何调节作用, 这一个周期系统近乎处于开环控 制状态。因此重复控制系统的动态响应特性很差。 2�5 � 滑模变结构控制 同其他几种 U PS逆变器的数字控制策略相比, 离散滑模变结构控制的最大优势是对参数变动和外 部扰动不敏感, 系统的鲁棒性特别强。图 2a 给出 一种离散滑模变结构控制逆变器系统的原理框图。 取输出滤波电容电压和滤波电容电流为状态变量, 推导系统的离散状态方程如下 图 2� UPS 逆变器滑模控制框图和滑模运动曲线 v c( k+ 1) i c( k+ 1) = f 11 f 12 f 21 f 22 v c( k) i c( k ) + g1 g2 u( k ) ( 9) u( k )= u f ( k )+ us( k ) ( 10) 控制作用u( k )包括两个部分: 前馈控制u f ( k ) 和滑模控制u s( k )。前馈控制保证系统输出电压有 较好的跟踪质量, 滑模控制则使系统运行于一种滑 动模态, 保证系统的鲁棒性。因此, 假定有 v * c ( k+ 1) i * c ( k+ 1) = f � 11 f � 12 f � 21 f � 22 v * c ( k ) i * c ( k ) + g � 1 g � 2 u f ( k ) ( 11) 式中 � v *c , i *c # # # 参考正弦信号 由上式可得前馈控制规律为 u f( k) = 1 g1 [ v*c ( k+ 1) - ( f 11+ f 22) v * c ( k) - ( f 12f 21- f 11 f 22) v * c ( k- 1) - ( f 12g2- f 22g 1) u f ( k- 1) ] ( 12) 取输出电压跟踪误差及电流跟踪误差分别为 e1( k) = v * c ( k) - v c ( k) e2( k) = i * c ( k) - i c ( k) 用式( 11)减式( 9)得 e1( k+ 1) e2( k+ 1) = f 11 f 12 f 21 f 22 e1( k) e2( k) + g1 g2 us( k) ( 13) 选取滑模控制曲线s ( k ) = c1 e1( k ) + c2 e2( k ) ,滑模 运动的存在性条件为| s ( k+ 1) | < | s ( k ) | ,保证系 统状态 e1和 e2在相平面上的轨迹为 s ( k ) = 0。根 据以上条件, 结合系统的稳定性要求, 可求得滑模 控制us( k )。当然这不是一种连续控制, 而是一种 开关控制。 从以上分析得知, 滑模控制使系统的跟踪误差 及其导数运行于相平面的一条固定的滑模曲线上, 与系统参数变动及外部扰动无关, 因此系统鲁棒性 较强。但是, 就波形跟踪质量来说, 滑模控制不及 重复控制和无差拍控制。 2�6 � 神经网络控制 神经网络控制是近几年来兴起的一种智能控制 方式, 它模仿人的大脑实现对系统的控制。它适用 于线性及非线性系统, 而大多数系统 (包括 U PS 逆变电源系统) 或多或少的都带有非线性因素。 图 3给出了一种神经网络控制 UPS 逆变器框 图。系统采用了三层神经网络结构, 神经网络的输 入是当前滤波电容电流及前次采样值、输出电压、 输出负载电流及当前跟踪误差, 神经网络的输出与 参考给定结合, 构成逆变器的控制输入。神经网络 学习所需的各种实例来自于实验和仿真得到的数 #8# ∃电工技术杂志% 2001 年第 12 期 UPS 逆变器数字化控制技术 据, 包括线性和非线性负载条件。选择一种学习算 法, 应用所获实例, 通过离线学习获得系统的最佳 控制规律 u = u ref+ f ( i c, i dc , i o, uo , e o )。然 后, 将这一控制规律应用到实际系统中去实现在线 控制。由于其控制规律的获得不依赖于系统模型, 而且学习实例包含了各种情况, 因此系统的控制鲁 棒性很强。 图 3� 神经网络控制 UPS 框图 3 � 结论 通过以上分析, 可以得出如下结论: ( 1) 数字 PID控制、无差拍控制和重复控制 是目前比较实用的三种 UPS 逆变器控制方案。 ( 2) 状态反馈控制单独用于逆变器控制效果不 好, 但可以和其他控制方式结合, 用来改善系统的 动态特性。 ( 3) 离散滑模变结构控制由于具有极强的控制 鲁棒性, 将来在 UPS逆变器控制系统中也会占有 一席之地。 ( 4) 受硬件水平的限制, 神经网络控制等智能 控制方式用于逆变电源系统目前还只是处于实验研 究阶段, 但随着硬件水平的提高, 智能控制将取代 传统控制而成为 UPS逆变电源系统控制的主流。 从上述各种控制方案的分析可以看出, 每一种 控制方案都有其特长, 但都在某些方面存在某些问 题。因此, 一种必然的发展趋势是各种控制方案互 相渗透, 取长补短, 优势互补, 结合成复合的控制 方案。可以说, 复合控制是 UPS逆变器控制策略 的一个发展方向。 参考文献 1 � 袁南儿, 王万良等� 计算机新型控制策略及其应用 � 北 京(清华大学出版社, 1998 2� Jung S, T zou Y�DSP�Based digital control of a PWM in� ver ter for sine w ave tracking by optimal state feedback tech� nique� IEEE- PESC ) 94 Conf�Rec�1994(546~ 551 3 � Hua C� Two�level sw itching pattern deadbeat DSP controlled PWM Inverter� IEEE Trans� Power Electr� 1995, 10 ( 5)( 310~ 317 Digital Control Technology for UPS Inverters GaoJun � L i H ui ( Xi ) an Jiaotong University) Abstract � Introduce the significance of the change for the UPS inverters from analog�based control digital�based control� Furth� ermore detailed analy ze all kinds of digital control str ategies that are on using or r esearching for the UPS inverters�F inally the developing direct ion of the control strategies for UPS inver ters is pointed out� Keywords � uninterruptable pow er supply � sine wave inver ter � digital control 收稿日期: 2001 08 10 &新推荐& ∃电力电子设备用器件与集成电路应用% � � 第 1分册 ∗电力半导体器件及其驱动集成电路+ , 全面介绍了各种电力半 导体器件的内部结构、外形、工作原理、参数定义、保护技术、驱动技术和 使用技巧。涉及普通晶闸管、门极关断晶闸管、电力晶体管、M OS 场效 应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、静电感应晶闸管、静电感应晶体管、MOS 控制晶闸管、快恢复二极管、联栅晶体管、MOS 双门极发射极关断晶闸管、 集成门极换向晶闸管、注入增强栅晶体管、电力半导体模块和组件、固态继 电器等, 给出了上述部分器件的分类、型号、参数、各公司产品型号互换对 照代用表。该分册定价 69元。 第 2分册 ∗控制用集成电路+, 介绍了 PWM 和 SPWM、功率因数校正、 电子镇流器控制、锁相环、频率�电压 ( f/ V) 与电压�频率 ( V/ f) 变换器、电 池充电器控制、谐振变换器等 132个系列 (或型号) 集成电路 (或模块) 的 引脚排列、各引脚的名称、功能和用法、内容结构及工作原理、主要设计特 点和参数限制、应用技术和典型应和电路及应用实例。该分册定价 78 元。 第 3分册 ∗传感、保护用和功率集成电路+ , 介绍了功率运算放大器与智 能运算放大器、功率开关与智能功率开关、DC/ DC变换器与智能功率模块、电 压基准、调节器、各种传感器集成电路、保护用集成电路共计143个系列 (或型 号) 的引脚排列、各引脚的名称、功能和用法、内部结构和工作原理、主要设计 特点及参数限制、应用技术及使用技巧, 给出了应用实例。该分册定价69元。 第4 分册 ∗ 其他配套元器件+, 介绍了瞬态电压抑制器 ( TVS)、电阻和 电容、滤波器、液晶显示器及其驱动集成电路和模块、光耦合器集成电路、 光电继电器、熔断器和散热器的结构、工作原理、性能参数、选型指南、与 电力半导体器件的合理配用、使用方法及应用实例等。该分册定价 78元。 该书大16开本精装包封, 另收 15%邮寄包装费。 订购请按以下方式汇款: 信汇: 开户行: 工商银行北京百万庄分理处 账号: 0200001409014473834 户名: 机械工业信息研究院工业装备咨询服务中心 ( 60) 邮汇: 北京百万庄大街22号 ∃电工技术杂志% 编辑部 ( 100037) #9# UPS 逆变器数字化控制技术 ∃电工技术杂志% 2001 年第 12 期