智能UPS控制技术研究

1　引言

在计算机网络及其相关网络通信技术迅猛发展的推动下，为确保在进行信息资源共享时所获得的数据、文件和图形等资料具有高度的真实可靠性、连续性和高保真度UPS(不间断电源)正越来越广泛地被应用到国民经济的各个领域。同时，随着信息技术的发展，智能信息处理以及基于网络的远程监控等新技术逐步应用于UPS中，构成了全智能化的UPS系统，方便了用户、提高了可靠性。本文着重介绍UPS控制技术，分析了UPS的PID控制技术的特性并深入分析了基于PID控制和重复控制的复合控制策略。

2　控制策略概述

UPS逆变器的数字控制技术成为了当前逆变器研究领域的一个热点，出现了多种逆变器数字化控制方法，包括数字PID控制、状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制等，有力地推动了UPS技术的发展。

每一种控制方案都各有其长短。某些控制方法虽然具有较好的动态响应速度，但稳态输出电压谐波失真度又达不到要求；某些控制方法虽然同时具有较高的动态和稳态精度，但它对参数变化很敏感，鲁棒性不好；某些控制方法有很好的稳态精度，但动态响应效果却很差；某些控制方法受硬件水平的限制，目前还不能得到很好的应用。因此，一种必然的发展趋势是各种控制方案互相渗透，相互取长补短，构成复合的控制方案。

3　数字PID控制

在UPS逆变器控制中，最常用、最简单的方法是PID控制，具体实现方式包括电压瞬时值反馈控制和电压电流双闭环反馈控制，图1所示为电压瞬时值反馈控制。

图1　UPS逆变器数字PID控制

电压瞬时值反馈的控制策略优点是只使用了一个电压传感器，缺点是系统动态响应特性不好，跟踪特性不是很好, 波形质量欠佳。图2为采用此控制方法在10KVA逆变器上带容性负载时的输出电压波形。从图中可以看出波形失真度较大，难以满足高质量电源的要求。

图2 带感性负载电流为33A和20A时电压波形

改善电压源逆变器的动态特性的方法之一是增加一个电流闭环。在这种控制策略中，滤波电容的电流（也就是输出电压的微分）作为一个反馈变量引入到控制系统中，达到改善输出波形质量，它必须使用一个霍尔传感器来检测滤波电容电流，增加了系统的复杂性和成本。

4　基于PID控制和重复控制的复合控制

逆变器控制器是一个参考给定呈正弦变化的调节系统，而不是一个恒值给定的调节系统。同时，系统的扰动即负载电流，也不是一个恒值扰动，当接线性负载时，负载电流呈正弦变化；而当带非线性负载时，电流按非正弦规律变化。针对正弦指令的无静差跟踪问题，可以在控制器中植入一个与参考给定同频的正弦信号模型。

（1-1）

其中ω为正弦指令的角频率。可以验证，当指令和扰动都以角频率ω做正弦变化时，一个稳定的包含（1-1）所示内模的调节系统是无静差的。然而这只是在假定为线性负载的条件下得到的结论。实际负载要比这复杂的多，而且大多为整流性负载。这样的负载电流是非正弦的，其中包含了基波以及基波频率整数倍的多重谐波。因此实际的扰动频率成分是很丰富的，如果对所有的这些频率的扰动均实现无静差，植入正弦信号内模的方法就不适合了。

扰动信号都有一个共同特征，即在每一个基波周期都以相同的波形重复出现。因此，基于内模原理的重复控制可采用如下的一种“重复信号发生器”内模。其传递函数为：

（1-2）

其中L为逆变器输出基波周期。将其离散化，得到延迟一个周期的正反馈环节。这一延迟环节正是重复控制的致命缺点，它对跟踪误差的调节作用滞后一个工频周期。因此考虑将PID控制方式与重复控制方式结合在一起，形成了基于PID和重复控制的新型UPS逆变器波形控制方法，利用重复控制改善系统的稳态输出波形质量，利用数字PID控制提高系统的动态特性，使系统兼具良好的稳态和动态特性。

前馈控制的目的是改善数字PID控制器的控制效果，进一步减小动态过程中输出电压的波动和波形畸变，改善数字PID控制系统的稳定性。离散重复控制器,用来消除系统的周期性跟踪误差，减小UPS逆变器带非线性整流负载时的输出电压波形畸变。数字PID控制器，作用是对输出电压跟踪误差进行实时调整，减小系统受到干扰时的输出电压波动和畸变。控制框图如图3所示。图中主要环节介绍如下：

1）z－N ：周期延迟环节，使本周期误差信息从下一周期开始影响矫正量。
2）Q(z) ：为克服对象模型不精确，增强系统稳定性而设置的。可取一个小于1的常数。
3）S(z) ：补偿环节，用于改造对象特性。
4）zk ：相位补偿，满足系统频率响应要求。
5）a ：比例因子。用来维持系统的稳定性。


图3基于PID控制和重复控制的复合控制框图