基于重复控制的全数字UPS逆变器

考虑如何减小系统的稳态误差，抑制逆变器输出电压的谐波[5]。在UPS系统中，输出电压的谐波主要集中在中低频段，因此在进行重复控制器的设计时，只考虑中低频段系统的谐波抑制，在系统的稳定性分析时兼顾高频段即可。下面给出了一种重复控制器的设计方法：

　　1）确定周期延时系数N

　　输出电压的采样周期为Ts，则一个周期内的采样次数即延时系数N=T/Ts。

　　2）逆变器的简化离散数学模型P(z)

　　逆变器的数学模型可以有两种方法，第一种是实验的方法[5]描出逆变器的幅频特性曲线，通过软件拟合后得到模型。另一种是忽略开关器件，只考虑LC滤波器和寄生电阻的二阶模型。

　　3）补偿环节Q(z)

　　前面已经提到，Q(z)通常是一个接近于1的常数，或者是一个低通滤波器，设计中取Q(z)=0.95。

　　4）逆变器模型幅频特性补偿器S(z)

　　S(z)实际上是由S1(z)和S2(z)复合而成的。由于逆变器的LC滤波器在谐振频率点上增益很大（如果没有阻尼，则为无穷大），通过S(z)的补偿，希望频率从0到谐振点的增益接近于0dB，通过谐振点之后，增益大大减小。S1(z)通常采用梳状滤波器，这样没有相位延迟。S2(z)通常采用一个剪切频率等于LC谐振频率的二阶低通滤波器，通常可借助MATLAB进行设计。

　　5 复合控制方法

　　UPS逆变器采用重复控制技术，在线性和非线性负载下均可以获得良好的静态特性，但是由于重复控制延时1个工频周期的控制特点，使得单独使用重复控制的UPS逆变器动态特性极差，基本上无法满足UPS逆变器的各项指标，因此本文提出了双环PI控制和重复控制相结合的复合控制方法。图4是这种复合控制方法的结构框图。图中左上角虚线框内的控制器为离散重复控制器，主要用来消除输出电压周期性的跟踪误差，减小UPS逆变器在整流桥负载下的输出电压畸变。双环PI控制器主要是对输出电压跟踪误差进行实时的控制，减小不确定的干扰造成的输出电压畸变。

图4 双环PI和重复控制的复合控制框图

　　上述复合控制的结构实际上是一种并联的结构，重复控制器的输入为电压误差信号，输出为电压控制信号；双环PI控制器的输入为电压误差信号和电感电流信号，双环控制器的输出和重复控制器的输出相加之后再输入比较器，产生逆变桥的门极脉冲。两种控制方法的结合，一方面，当系统处在稳态时，重复控制器起主要的调节作用，使得稳态下输出电压能很好地跟踪参考正弦波。另一方面，当系统出现比较大的瞬态干扰时，双环PI控制会起到比较大的作用，调节输出电压，使跟踪误差迅速减小。

　　图5为MATLAB的SIMULINK工具箱下的仿真结果，图5（a）为双环控制，图5（b）复合控制。可以很明显得看到，采用复合控制的UPS逆变器的输出波形的畸变已经变得很小。

（a）双环控制

（b）复合控制

图5 整流桥负载下的电压电流仿真波形

　　图6为整流器负载下的电压电流实验波形比较，用LEM公司的钳表测得，图6(a)中的电压THD=8.2％，图6（b）中的电压THD=4.2％，采用复合控制的UPS逆变器的输出波形畸变有明显的减小。

（a）双环控制

（b）复合控制

图6 整流桥负载下的电压电流实验波形

　　6 结语

　　介绍了重复控制的原理和设计方法，提出了一种双环PI控制和重复控制相结合的复合控制方法。仿真和实验结果验证了复合控制方法的优越性。