UPS（不間斷電源）逆變器控制措施

李坤龍

摘要：優化逆變器的控制方法是提高UPS性能的重要途徑，基于此，文章以UPS為研究對象，提出一種UPS逆變電源控制方法， 并對復合控制系統的整體結構及系統設計進行了分析。

關鍵詞：不間斷電源；逆變器主電路；模糊控制器

前言

隨著科學技術的不斷發展，電氣產品已越來越趨向精密化，UPS（不間斷電源）作為一種能夠有效改善供電質量的電力裝置，已被廣泛的應用于各個行業中。同時，市場以對其提出了更高的要求，即提高其性能與運行的效率，這給UPS的發展帶來了新的機遇，但也對它的控制提出了更高的要求。其中，逆變器是不間斷電源最核心的組成部分，逆變器的控制方式最終決定了UPS的性能。

1.逆變器主電路

單相全橋逆變電路拓撲結構如圖1所示。其中，r0為等效串聯電阻，L，C為輸出濾波器的濾波電感和電容，ui，uo。為濾波電路的輸入和輸出電壓。

由圖1可得傳遞函數為

式（1）為逆變器帶電阻負載時的系統函數。當UPS空載時，RL，此時傳遞函數為

（2）

式中：wn為自然角頻率，wn=1/ 為阻尼比 。取L=2.4mH，C=35uf，r0=0.8Ω空載時，有

（3）

采樣頻率與開關頻率均為10kHz，則式（1）可離散化為

（4）

改進型重復控制器重復信號發生器的純積分環節雖然在理論上可實現對誤差的無靜差跟蹤，但影響了系統的穩定性和魯棒性。傳統方法是在重復控制器的內模中引入補償器Q（z）和周期延遲環節一Z-N，前者用于減小誤差信號的積分速率，后者可以對超前環節進行設置，Q（z）一般為略小于1的常數。為了更好地減小穩態誤差，此處Q（z）選用了梳狀濾波器。

梳狀濾波器Q（z）將第一個波谷設在KrZkP（z）.S（z）才迅速衰減的位置，其中k=5，Kt=0.5。此時口更好地對誤差軌跡進行跟蹤， 尤其是在高頻的情況下，其表達式為

其中，濾波器S（z）采用二階低通濾波器與零相移濾波器相結合，前者提供高頻衰減，后者P（z）的諧振尖峰，使系統的魯棒性增強。

二階低通濾波器的參數選擇時，其轉折頻率w。應小于P（s）的轉折頻率， 選取w=3.4×103rad.s-1。為防止二階低通濾波器傳遞函數S1（z）振蕩，選擇ξ=1，因此S1（z）的離散式為

（6）

零相移濾波器的選用是為了對待定頻率進行衰減，不僅衰減速度快，而且對周圍頻段有很小的影響。可通過對零相移濾波器函數合理的設計，使其最大衰減處位置與逆變器的諧振點恰好重合，并且諧振峰值得到了最大程度的衰減，其函數的離散式為式（5）。

2.模糊控制器

模糊控制器利用模糊邏輯算法按照一定的模糊規則對控制器的個參數進行實時優化，從而使最終的控制達到較為理想的效果。模糊控制器主要由參數模糊化、模糊推理、解模糊和控制器組成。

具體實現過程為計算機根據設定的輸入和反饋信號，計算實際位置與理論位置的偏差及當前的偏差變化率EC，并根據模糊規則進行模糊推理，最后對模糊參數進行解模糊，輸出△Kp，△K1，△KD進行修正后分別與初值△Kpo，△KI0，△KDo相加得到調整后的參數Kp，K1，KD，再在控制器作用下得到逆變器輸出電壓值。

此處主要采用模糊查詢表法，即建立Kp，K1，KD變化的3個控制查詢表格，控制查詢表是輸入論域上的點到輸出論域的對應關系，它已經過模糊化、模糊推理和解模糊的過程，查表法結構簡單，實施方便，在線運行速度快。模糊自整定PID控制原理如下

（7）

式中：KE為E的量化因子；KDC為EC的量化因子，Kup，KuL，KuD為PID修正系數。

3.復合控制系統

系統采用改進重復控制器和模糊PID控制器相并聯，共同對輸出電壓進行調節。

當系統處于穩定運行狀態時，系統的跟蹤誤差較小，主要由改進型重復控制器提供控制作用，來消除系統輸出電壓的周期性波形畸變。當系統出現負載突增或突減等大的擾動時，由于改進型重復控制器要延時一個參考周期，所以不能對大擾動產生迅速反應。這時模糊PID控制器就可對誤差的突變進行跟蹤， 并立即對輸出波形進行調節，在此周期中，并不能保證有很好的輸出波形質量，但可抑制輸出電壓波形的突變。一個參考周期后，由于改進型重復控制器的調節作用，使跟蹤誤差減小，模糊控制器產生的控制作用逐漸減弱，直到系統達到新的穩定運行狀態。

4.結論

總之，對于整個UPS系統，逆變器是其核心，決定著輸出電壓的質量和系統的帶負載的能力。逆變器的控制方式最終決定了UPS的性能。實驗結果表明，該復合控制系統很好地改善了輸出波形，減小了周期性擾動輸出波形的畸變，并具有較快的動態響應速度，提高了系統的穩定性能，獲得了預期效果，能夠為UPS提供廣闊的發展空間和良好的應用前景。

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