基于雙環(huán)反饋控制的單相UPS逆變器的控制算法研究

西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 趙 亮 武 麗

基于雙環(huán)反饋控制的單相UPS逆變器的控制算法研究

西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 趙 亮 武 麗

本文針對(duì)單相UPS逆變器輸出電壓、電流波形不穩(wěn)定和畸變的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙環(huán)反饋控制算法。分析并建立了單相UPS逆變器控制系統(tǒng)的模型，構(gòu)建了系統(tǒng)輸出電壓、電流的反饋環(huán)路，分別在開(kāi)環(huán)、單環(huán)反饋和雙環(huán)反饋控制方式下進(jìn)行仿真，并對(duì)比了逆變器輸出的電壓、電流波形。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明該雙環(huán)反饋控制算法應(yīng)用在單相UPS逆變器中較開(kāi)環(huán)和單環(huán)反饋控制算法具有更好的控制效果。

雙環(huán)反饋；單相；UPS；逆變器

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們的工作條件越來(lái)越好,生活水平也逐漸提高。同時(shí)，各行各業(yè)的一些重要用電設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量也提出了更高的要求。因此，UPS(Uninterruptible Power System)作為一種為用電設(shè)備提供穩(wěn)定、不間斷的電源裝置也得到了迅速的發(fā)展，表現(xiàn)最為突出的在于逆變器的控制策略上，從早期的模擬控制方式到數(shù)字控制方式，再到目前新興的各類復(fù)雜的數(shù)字控制算法。

本文首先分析了雙極性SPWM波形的數(shù)字式產(chǎn)生方法和對(duì)逆變器的控制方式，采用雙極性SPWM控制方式會(huì)給逆變器的輸出電壓、電流波形帶來(lái)不穩(wěn)定和畸變的問(wèn)題；然后在此基礎(chǔ)上把逆變器的輸出電容電壓作為反饋量實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單環(huán)反饋控制，該方法可以在一定程度上解決逆變器輸出電壓波形不穩(wěn)定和畸變的問(wèn)題，但是逆變器輸出電流的波形并未得到優(yōu)化；最后再把逆變器輸出電感電流作為反饋量實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的雙環(huán)反饋控制，這樣一來(lái)，逆變器輸出的電壓、電流波形均得到改善。

1 單相UPS逆變器主電路拓?fù)?/h2>

單相UPS逆變器主要由控制器、IGBT驅(qū)動(dòng)模塊、IGBT全橋電路和LC濾波電路構(gòu)成。本文的研究背景是一臺(tái)10KVA單相UPS逆變器，逆變器輸入端的直流電壓為310VDC，輸出端的交流電壓為220VAC。單相UPS逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 單相UPS逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 雙極性SPWM控制方式

SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）技術(shù)即是指調(diào)制信號(hào)按正弦規(guī)律變化的PWM技術(shù)。SPWM技術(shù)之所以成為目前應(yīng)用在逆變器中最為廣泛的PWM技術(shù)，主要是由于其具有開(kāi)關(guān)頻率固定、逆變器輸出電壓含有的高次諧波分量頻率固定以及SPWM波形數(shù)字化易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。由于雙極性SPWM控制波形具有對(duì)稱性，故可消除逆變器輸出的偶次諧波，這也是本文采用雙極性SPWM控制方式的主要原因。雙極性SPWM控制方式波形圖如圖2所示。

圖3 單相UPS逆變器仿真模型

圖2 雙極性SPWM控制方式波形圖

產(chǎn)生SPWM波形最常用的方式是把調(diào)制信號(hào)與載波做比較。但隨著數(shù)字可編程邏輯器件的快速發(fā)展，逆變器的控制方式已由早期的模擬式發(fā)展為半數(shù)字式或全數(shù)字式控制方式。本文在實(shí)驗(yàn)中采用的控制器是Altera公司生產(chǎn)的型號(hào)為EP4CE15F17C8N的FPGA。由于FPGA的并行運(yùn)行機(jī)制，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要4路輸出信號(hào)，其中兩路產(chǎn)生相同的正向SPWM波形，另外兩路產(chǎn)生相同的負(fù)向SPWM波形，正向的SPWM波形輸出經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊后給開(kāi)關(guān)管V1和V4，負(fù)向的SPWM波形輸出經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊后給開(kāi)關(guān)管V2和V3。

采用FPGA作為控制器的優(yōu)勢(shì)在于可以省去調(diào)制信號(hào)和載波的發(fā)生器件，從而可以節(jié)約部分器件成本和減小硬件系統(tǒng)的體積；同時(shí)由于FPGA的并行運(yùn)行機(jī)制，可以產(chǎn)生兩路并行的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。采用計(jì)算法可以方便地推導(dǎo)出利用FPGA產(chǎn)生SPWM波形的方式，如公式（1）和公式（2）所示。

上式中，把半周期的調(diào)制信號(hào)等分成等份，其中表示一個(gè)控制周期中的正向SPWM時(shí)間、表示一個(gè)控制周期中的負(fù)向SPWM時(shí)間，為調(diào)制比,的取值從0到。經(jīng)上述兩個(gè)公式聯(lián)立求解可分別求得與的表達(dá)式分別如公式（3）和公式（4）所示。

根據(jù)公式（3）和公式（4）可以非常方便地在FPGA中設(shè)計(jì)并產(chǎn)生雙極性SPWM波。

3 仿真研究

在MATLAB/Simulink中搭建單相UPS逆變器的仿真模型，如圖3所示，仿真時(shí)間設(shè)置為0.3s，通過(guò)Timer模塊設(shè)置在0.15s之前逆變器輸出帶負(fù)載Load1，功率為10KVA；在0.15s時(shí)候投入負(fù)載Load2，此時(shí)功率達(dá)到15KVA。

3.1 開(kāi)環(huán)控制

在開(kāi)環(huán)控制下的仿真輸出波形圖如圖4所示。圖4中的實(shí)線波形為負(fù)載兩端的電壓波形曲線，虛線波形為流過(guò)負(fù)載Load1的電流波形曲線，可以看到在仿真開(kāi)始的0.1s內(nèi)電壓、電流的波動(dòng)都比較大，整個(gè)仿真過(guò)程中，逆變器輸出電壓、電流的波形都表現(xiàn)出不穩(wěn)定和畸變的情況。

3.2 單環(huán)反饋控制

為了解決輸出電壓、電流波形不穩(wěn)定和畸變的問(wèn)題，在控制器中引入反饋量，通常的做法是把輸出電容電壓或者輸出電感電流作為反饋量，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。由于電感電流滯后于電壓，且電容電壓超前于電流，所以，把電容電壓作為反饋量是比較合適的。電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。在電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)下的仿真輸出波形如圖6所示，從圖6中可以看到輸出電壓明顯比開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)下的更加穩(wěn)定，但是仿真的前0.1s內(nèi)輸出的電壓和電流波形畸變依然比較嚴(yán)重。

3.3 雙環(huán)反饋控制

在電壓閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，再引入電感電流作為反饋量，在這里把電感電流作為內(nèi)環(huán)反饋，電容電壓作為外環(huán) 反饋，以實(shí)現(xiàn)雙環(huán)反饋控制。雙環(huán)反饋控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。在雙環(huán)反饋控制系統(tǒng)下的仿真輸出波形如圖8所示，從圖8中可以看到在整個(gè)仿真過(guò)程中逆變器輸出的電壓、電流波形都非常穩(wěn)定且基本無(wú)畸變，解決了逆變器輸出電壓、電流波形不穩(wěn)定和畸變的問(wèn)題。

圖4 開(kāi)環(huán)控制仿真輸出波形圖

圖6 電壓閉環(huán)控制仿真輸出波形圖

圖8 雙閉環(huán)控制仿真輸出波形圖

圖5 電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

圖7 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

4 結(jié)論

在單相UPS逆變系統(tǒng)中，采用雙環(huán)反饋控制和數(shù)字式SPWM控制方式相結(jié)合。經(jīng)過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，表明這種雙環(huán)反饋控制策略對(duì)逆變器輸出電壓、電流波形具有較好的控制效果，特別是在負(fù)載擾動(dòng)情況下，逆變系統(tǒng)輸出依然比較穩(wěn)定。進(jìn)而在以FPGA為控制器的實(shí)際UPS逆變系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果也表明了該方案的可行性。

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Research on control algorithm of single phase UPS inverter based on double loop feedback control

Zhao Liang , Wu Li
(School of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621000, China)

In this paper, a dual loop feedback control algorithm is designed for the Problem of the single-phase UPS inverter output voltage and current waveform instability and distortion. The model of the control system of single phase UPS inverter is analyzed and established, the feedback loop of the output voltage and current of the system is constructed, and the simulation is carried out in the open loop, single loop feedback and double loop feedback control mode, and then the output voltage and current waveform of the inverter are compared. The simulation and experiment show that the algorithm has better control effect than the open loop and single loop feedback control algorithm for single phase UPS inverter.

double loop feedback; single phase; UPS; inverter

趙亮（1990—），男，四川德陽(yáng)人，西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院2013級(jí)碩士研究生，主要研究方向：數(shù)字式大功率逆變器的控制策略。

武麗（1967—），女，山東加祥人，西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系主任，副教授。