UPS逆變器控制方法比較分析

1、UPS逆變器控制方法比較分析        摘要：對逆變器控制中的各種方法進行了對比分析，簡要敘述了各種控制方法的控制原理和優(yōu)缺點。最后指出了逆變器控制的發(fā)展方向。 關鍵詞：不間斷電源；逆變器并聯(lián)；數(shù)字控制引言UPS被廣泛地應用在保護敏感負載，如PC機，服務器，醫(yī)療設備，通訊系統(tǒng)的電源故障或者電源的干擾，為這些重要負載提供了高質(zhì)量高可靠性的純凈電源。逆變器是UPS的核心，它把直流電轉(zhuǎn)換成用戶所需的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。對于UPS來說，逆變器輸出電壓的質(zhì)量決定了其整體性能。下面對近年來的各種控制方法做一個比較分析。1 目

2、前流行的控制方法評析半個多世紀以來，在很多工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，應用模擬PID控制器獲得了良好的效果。近年來，隨著數(shù)字控制器的不斷發(fā)展，數(shù)字控制器亦得到了廣泛的應用。數(shù)字PID控制算法由比例、積分、微分三種算法組成，它克服了模擬PID控制器的許多不足和缺點，可以方便地調(diào)整PID參數(shù)，具有很大的靈活性和很強的適用性。與其它控制方法相比，數(shù)字PID控制具有以下優(yōu)點：1）PID算法蘊含了動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在和將來的主要信息，控制過程快速、準確、平穩(wěn)，具有良好的控制效果；2）PID算法在設計過程中不過分依賴系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)的變化對控制效果的影響很小，控制的適應性好，具有較強的魯棒性；3）PID算法

3、簡單明了，便于用單片機或DSP實現(xiàn)。    但是，UPS逆變器采用數(shù)字PID控制算法也有兩方面的局限性。一是系統(tǒng)的采樣量化誤差降低了算法的控制精度；二是采樣和計算延時使得被控系統(tǒng)成為一個具有純時間滯后的系統(tǒng)，造成了PID控制器穩(wěn)定域減少，增加了設計難度。1.1 預測控制預測控制可以實現(xiàn)很小的電流畸變，抗噪音能力強，但是，這種算法要求知道精確的負載模型和電路參數(shù)，而且有數(shù)值計算造成的延時在實際應用中也是一個問題1。1.2 滯環(huán)控制滯環(huán)控制具有快速的響應速度，較高的穩(wěn)定性，但是，滯環(huán)控制的開關頻率不固定，使電路工作可靠性下降，輸出電壓的頻譜變差，對系統(tǒng)性能不

4、利。1.3 無差拍控制無差拍控制最先是由卡爾曼提出的，它是一種基于被控制對象精確數(shù)學模型的控制方法。無差拍控制的基本思想是根據(jù)逆變器的狀態(tài)方程和輸出反饋信號（通常是輸出濾波電容的電壓和電流）推算出下一個開關周期的PWM脈沖寬度。PWM脈沖寬度是根據(jù)當前時刻狀態(tài)向量和下一采樣時刻的參考正弦值計算出來的，因此，從理論上可以使輸出電壓在相位和幅值上都非常接近參考電壓，由負載變化或非線性負載引起的輸出電壓誤差可在一個開關周期內(nèi)得到校正。無差拍控制要求控制脈寬必須當拍計算當拍輸出，否則不僅會破壞了控制特性，甚至還會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于采樣和計算延時，要做到當拍計算當拍輸出必然使輸出脈沖的占空比受到限制

5、，這就降低了輸入直流電壓的利用率。無差拍控制的控制參數(shù)是和輸出濾波器參數(shù)、直流母線電壓以及負載息息相關的，只要它們當中的一個發(fā)生變化，控制參數(shù)就得作相應的調(diào)整，否則就會導致控制失效，所以，無差拍控制系統(tǒng)的魯棒性很差。    1.4 滑?？刂苹？刂剖且环N非線性控制，這種控制的特點是控制的非連續(xù)性，它使系統(tǒng)在一定條件下沿著規(guī)定的軌跡做高頻率、小振幅的上下運動2。這種控制既可以用于線性系統(tǒng)也可用于非線性系統(tǒng)。對于連續(xù)系統(tǒng)，由于控制的不連續(xù)使其變?yōu)榉蔷€性系統(tǒng)，對于非連續(xù)系統(tǒng)，不僅有非連續(xù)特性還包含有非線性系統(tǒng)的動力學特性。這種控制方法具有很強的魯棒性。U是切換

6、函數(shù)式中：s=x；x是系統(tǒng)的狀態(tài)信息；u（x）是所采取的控制策略。這種控制的目的是通過求取切換函數(shù)中的各常數(shù)值，使得所采取的控制策略滿足滑模運動所要求的穩(wěn)定性和動態(tài)特性。這種控制的缺點是要得到一個令人滿意的滑模面是很困難的。    1.5 重復控制重復控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方法，內(nèi)模原理是把作用于系統(tǒng)的外部信號的動力學模型植入控制器以構(gòu)成高精度反饋控制系統(tǒng)的一種設計原理3。逆變器采用重復控制的目的是為了消除因整流橋負載引起的輸出電壓波形周期性的畸變。其控制思想是假定前一周期出現(xiàn)的輸出電壓波形畸變將在下一周期的同一時刻再次出現(xiàn)，控制

7、器根據(jù)參考信號和輸出電壓反饋信號的誤差來確定所需的校正信號，然后，在下一個基波周期將此校正信號疊加在原控制信號上，這樣就可以消除輸出電壓的周期性畸變。重復控制器可以消除周期性干擾產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，但是，由于重復控制延時一個工頻周期的控制特點，使得單獨使用重復控制的UPS逆變器動態(tài)特性極差，無法滿足UPS逆變器的指標要求。1.6 模糊控制模糊控制屬于智能控制的范疇。系統(tǒng)的復雜性和模型的精確性總是存在著矛盾，許多控制方法都要求有被控對象的精確模型，而模糊控制器的設計不需要被控對象的精確數(shù)學模型，因此，具有很強的魯棒性和自適應性。模糊控制有3個基本組成部分，即模糊化、模糊決策和精確化計算。其工作過程可

8、簡單描述如下：首先將信息模糊化，然后經(jīng)模糊推理規(guī)則得到模糊控制輸出，最后將模糊指令進行精確化計算最終輸出控制值。模糊控制勿須知道輸入輸出間的數(shù)學依存關系，給定一個輸入，便可以根據(jù)控制規(guī)則表得到一個合適的輸出，控制算法簡單、計算時間較少。逆變器采用模糊控制有利于提高控制的實時性，改善逆變器輸出電壓波形質(zhì)量。模糊控制主要依賴模糊規(guī)則和模糊變量的隸屬度函數(shù)。如果對信息進行簡單的模糊化處理會導致被控系統(tǒng)控制精度的降低和動態(tài)品質(zhì)變差，為了提高系統(tǒng)精度必然要增加量化等級，這樣就使得規(guī)則迅速增多，影響了規(guī)則庫的最佳生成，而且會增加系統(tǒng)的復雜性和推理時間。模糊控制是主要用于滯后系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時變系統(tǒng)，這種

9、控制不要求知道系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，這種控制根據(jù)控制量的個數(shù)可以分為一維模糊控制器、二維模糊控制器和三維模糊控制器。模糊控制類似于傳統(tǒng)的PD控制，因而，這種控制有很快的響應速度，但是，其靜態(tài)特性不令人滿意。模糊控制框圖如圖1所示。    1.7 神經(jīng)網(wǎng)絡控制神經(jīng)網(wǎng)絡控制是模擬人腦神經(jīng)中樞系統(tǒng)智能活動的一種控制方式。神經(jīng)網(wǎng)絡具有非線性映射能力，并行計算能力和較強的魯棒性等優(yōu)點，已廣泛地應用于控制領域，尤其是非線性系統(tǒng)領域。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡控制芯片的出現(xiàn)，一些學者正在研究神經(jīng)網(wǎng)絡控制在逆變電源中的應用，目前在神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的設計、學習算法等方面已取得了一定成果。但是

10、，由于硬件系統(tǒng)的限制，目前神經(jīng)網(wǎng)絡控制還無法實現(xiàn)對逆變器輸出電壓波形進行在線控制，多數(shù)應用都是采用離線學習獲得優(yōu)化的控制規(guī)律，然后利用得到的規(guī)律實現(xiàn)在線控制。1.8 空間矢量PWM技術(shù)空間矢量PWM技術(shù)既可以用在開環(huán)控制也可以用在閉環(huán)系統(tǒng)中，空間矢量控制可以獲得100的直流母線電壓利用率?？臻g矢量方法把三相逆變橋所有開關狀態(tài)分為8種，2種狀態(tài)為0。這8種矢量的合成就產(chǎn)生了空間矢量波形。每一時刻給定的電壓矢量都可以由2個非零矢量合成產(chǎn)生，這個二維空間被6個非零矢量分為相等的6個區(qū)域，首先計算給定的電壓矢量處于哪個區(qū)域，然后用該區(qū)域相鄰的兩個矢量合成出所需的電壓矢量，為了保證每一個開關器件在一個開

11、關周期中最多只開通關斷一次，所以，要根據(jù)一定的開關順序?qū)?個電壓矢量發(fā)出，中間按一定的原則插入零矢量。這種控制方式也需要電路的精確模型。2 不同反饋環(huán)路數(shù)目的逆變器控制2.1 電壓瞬時值單環(huán)反饋電壓瞬時值單環(huán)控制框圖如圖2所示。電壓瞬時值反饋控制的原理是：用參考正弦波電壓與輸出電壓瞬時反饋值進行比較得到電壓誤差，電壓誤差經(jīng)PI或PID調(diào)節(jié)后的控制輸出量與三角波比較得到PWM控制脈沖。這種控制方法能夠?qū)崟r地調(diào)節(jié)輸出電壓的波形，比較好地抑制元器件的非線性特性和直流母線電壓波動帶來的影響，在一定程度上改善了逆變器的靜態(tài)和動態(tài)特性。但是，由于這種控制方法只有單電壓環(huán)控制，當負載發(fā)生比較大的動態(tài)變化（如

12、負載的電流突然變大）時，逆變器的輸出電壓會有比較大的畸變，而且動態(tài)調(diào)節(jié)比較慢。2.2 電壓電流雙環(huán)反饋圖3是輸出電壓和電感電流雙環(huán)控制框圖4。在這種控制模式下，參考正弦電壓與輸出電壓相減后得到的誤差電壓經(jīng)過PI調(diào)節(jié)之后的輸出作為電感電流的指令，電流誤差信號經(jīng)過比例調(diào)節(jié)之后與三角波比較產(chǎn)生控制信號。這種方法是目前應用最為普遍的控制方法之一。電感電流中包含了負載電流，因此可以起到對負載限流的作用。電感電流的方向是進行死區(qū)效應補償?shù)谋匾獥l件，采用電感電流模式可以方便地對死區(qū)進行補償。    2.3 多環(huán)反饋策略多環(huán)控制框圖如圖4所示。電路中采用了輸出電壓反饋、

13、濾波電容電流反饋和參考電壓前饋。前饋環(huán)節(jié)的加入減小了負載的擾動效應。輸出電容電流則是輸出電壓的真正微分，它對于負載電流的突變非常敏感，能在輸出電壓發(fā)生畸變之前做出校正，因此，電容電流采樣的雙環(huán)控制可以極大地提高系統(tǒng)的動態(tài)反應速度，使逆變器輸出電壓在整流型負載下也能獲得較好的波形。3 逆變器的并聯(lián)策略要實現(xiàn)逆變器的并聯(lián)運行，關鍵是各逆變器應共同負擔負載電流，即要實現(xiàn)均流控制。環(huán)流的大小，不僅跟逆變器輸出電壓的幅值有關，而且跟輸出電壓的相位也有關系。因此，UPS的并聯(lián)比一般的直流電源并聯(lián)要復雜得多，它必須滿足以下3個條件：1）各個逆變器的輸出電壓的幅值必須相等；2）各個逆變器的輸出電壓的頻率必須相

14、等；3）各個逆變器的輸出電壓的相位必須一致。逆變電源并聯(lián)控制方法一般分為集中控制、主從控制、分散式控制和無互聯(lián)線控制4種方案。采用冗余并機技術(shù)，即將逆變器的輸出端直接連接同時給負載供電，可以提高UPS的容量和系統(tǒng)的可靠性，使成本下降，可維護性增強，但是，并聯(lián)模塊越多，各模塊間的均流問題越難解決。3.1 集中式控制在早期的逆變器并聯(lián)控制中多采用集中式控制技術(shù)，其控制框圖如圖5所示。    集中控制的特點是存在一個集中控制器。集中控制器給每個并聯(lián)逆變器提供統(tǒng)一的基準信號，由各個逆變器的鎖相電路保證其輸出電壓的頻率和相位與基準信號保持一致。由集中控制器檢測出總

15、負載電流IL，然后將IL除以n作為各臺逆變電源的電流指令，各逆變電源檢測出各自的實際輸出電流后，求出電流偏差。假如各逆變器輸出電壓的頻率和相位偏差不大時，可以認為電流的偏差主要是由于電壓幅值的不一致引起的。因此，這種控制方式可將電流偏差作為電壓輸出指令的補償量，用于消除電流的不平衡。由于集中控制器的作用，這種控制方式比較簡單，且均流的效果也較好。但是，集中控制器的存在使得系統(tǒng)的可靠性有所下降，一旦控制器發(fā)生故障將導致整個供電系統(tǒng)的崩潰，所以，集中控制式并聯(lián)的可靠性不高。3.2 主從式并聯(lián)控制主從式并聯(lián)系統(tǒng)圖如圖6所示。為了避免集中控制器故障而引起系統(tǒng)的崩潰，提出了一種主從并聯(lián)控制。通過將并聯(lián)控

16、制器放到每臺逆變器中，通過一定的邏輯確定一臺為主機，如將最先啟動的一臺或固定的某臺逆變器確定為主機。當主機出現(xiàn)故障時，故障機自動的退出系統(tǒng)，一臺從機自動地切換為主機，執(zhí)行主機可控制功能。這種控制方法的原理與集中控制是一樣的，只是避免了控制器出現(xiàn)故障時整個系統(tǒng)的崩潰，提高了系統(tǒng)的可靠性。在一些主從控制并聯(lián)系統(tǒng)中，正常運行時只有主機的內(nèi)部存在電壓環(huán)，從機內(nèi)部沒有電壓環(huán)，從機接收主機的電壓環(huán)輸出作為電流環(huán)的電流指令，因此，主機是電壓型逆變電源，從機是電流型逆變電源。主從控制解決了單個逆變器故障的問題，但是，由于存在主從切換的問題，其可靠性也就打了一定的折扣。一旦主從切換失敗，必將導致系統(tǒng)的癱瘓。33

17、 分散式并聯(lián)控制圖7是一種采用三個平均信號作為逆變器之間的并聯(lián)總線信號的控制框圖，從這個框圖中可以看出分布式系統(tǒng)的一般特點。圖7中ave是一個求平均值的電路，通過這個電路，逆變器之間的反饋電壓vf，參考電壓vr及反饋電流if的平均值都被用于每個逆變器的控制，各個逆變器的控制功能完全一致，加入或者去掉一個逆變器模塊對系統(tǒng)來說也就不需要額外的邏輯判斷了，很適合冗余系統(tǒng)的維護。在分散式控制中，整個系統(tǒng)中各臺逆變器的地位是相等的。當某臺逆變器一旦發(fā)生故障，該臺逆變器就自動的退出系統(tǒng)，而其余的逆變器不受影響。分散控制的并聯(lián)系統(tǒng)解決了集中控制和主從控制中存在的單臺逆變器故障導致整個系統(tǒng)癱瘓的缺點，使并聯(lián)系

18、統(tǒng)的可靠性大大的提高。雖然分散式控制方案使系統(tǒng)運行具有較高的可靠性，但是，隨著并聯(lián)系統(tǒng)中逆變器數(shù)量的增加，逆變器之間的相互連線將變得復雜；同時，各臺逆變器之間的距離也將隨之擴大，從而導致連線的困難，干擾也比較嚴重?？傊?，隨著并聯(lián)逆變器的增多，將降低系統(tǒng)的可靠性。34 無互連線式并聯(lián)為了減少逆變器之間的連線，近年來提出了一種無互連線式的UPS并聯(lián)系統(tǒng)，其控制框圖如圖8所示。這種無互連線式的并聯(lián)的原理是基于逆變器的外特性下垂法5。模塊間沒有控制信號連線。它僅以本模塊有功功率、無功功率和失真功率為控制變量，從而使各模塊獨立工作。各模塊有自己的控制電路，之間唯一的?接是各模塊交流并聯(lián)功率輸出線。均流靠模塊內(nèi)部輸出頻率、電壓和諧波電壓分別隨輸出的有功功率、無功功率和失真功率呈下垂特性，從而實現(xiàn)同步和均流。在具體的實現(xiàn)中，一般通過逆變器的控制器，使它的頻率和電壓外特性下垂。但是，這種控制方法存在一個嚴重的缺