智能UPS控制技術(shù)研究
在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)迅猛發(fā)展的推動下,為確保在進(jìn)行信息資源共享時(shí)所獲得的數(shù)據(jù)、文件和圖形等資料具有高度的真實(shí)可靠性、連續(xù)性和高保真度UPS(不間斷電源)正越來越廣泛地被應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí),隨著信息技術(shù)的發(fā)展,智能信息處理以及基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控等新技術(shù)逐步應(yīng)用于UPS中,構(gòu)成了全智能化的UPS系統(tǒng),方便了用戶、提高了可靠性。本文著重介紹UPS控制技術(shù),分析了UPS的PID控制技術(shù)的特性并深入分析了基于PID控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制策略。
2 控制策略概述
UPS逆變器的數(shù)字控制技術(shù)成為了當(dāng)前逆變器研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn),出現(xiàn)了多種逆變器數(shù)字化控制方法,包括數(shù)字PID控制、狀態(tài)反饋控制、無差拍控制、重復(fù)控制、模糊控制等,有力地推動了UPS技術(shù)的發(fā)展。
每一種控制方案都各有其長短。某些控制方法雖然具有較好的動態(tài)響應(yīng)速度,但穩(wěn)態(tài)輸出電壓諧波失真度又達(dá)不到要求;某些控制方法雖然同時(shí)具有較高的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)精度,但它對參數(shù)變化很敏感,魯棒性不好;某些控制方法有很好的穩(wěn)態(tài)精度,但動態(tài)響應(yīng)效果卻很差;某些控制方法受硬件水平的限制,目前還不能得到很好的應(yīng)用。因此,一種必然的發(fā)展趨勢是各種控制方案互相滲透,相互取長補(bǔ)短,構(gòu)成復(fù)合的控制方案。
3 數(shù)字PID控制
在UPS逆變器控制中,最常用、最簡單的方法是PID控制,具體實(shí)現(xiàn)方式包括電壓瞬時(shí)值反饋控制和電壓電流雙閉環(huán)反饋控制,圖1所示為電壓瞬時(shí)值反饋控制。
圖1 UPS逆變器數(shù)字PID控制
電壓瞬時(shí)值反饋的控制策略優(yōu)點(diǎn)是只使用了一個(gè)電壓傳感器,缺點(diǎn)是系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性不好,跟蹤特性不是很好, 波形質(zhì)量欠佳。圖2為采用此控制方法在10KVA逆變器上帶容性負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形。從圖中可以看出波形失真度較大,難以滿足高質(zhì)量電源的要求。
圖2 帶感性負(fù)載電流為33A和20A時(shí)電壓波形
改善電壓源逆變器的動態(tài)特性的方法之一是增加一個(gè)電流閉環(huán)。在這種控制策略中,濾波電容的電流(也就是輸出電壓的微分)作為一個(gè)反饋?zhàn)兞恳氲娇刂葡到y(tǒng)中,達(dá)到改善輸出波形質(zhì)量,它必須使用一個(gè)霍爾傳感器來檢測濾波電容電流,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。
4 基于PID控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制
逆變器控制器是一個(gè)參考給定呈正弦變化的調(diào)節(jié)系統(tǒng),而不是一個(gè)恒值給定的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。同時(shí),系統(tǒng)的擾動即負(fù)載電流,也不是一個(gè)恒值擾動,當(dāng)接線性負(fù)載時(shí),負(fù)載電流呈正弦變化;而當(dāng)帶非線性負(fù)載時(shí),電流按非正弦規(guī)律變化。針對正弦指令的無靜差跟蹤問題,可以在控制器中植入一個(gè)與參考給定同頻的正弦信號模型。
(1-1)
其中ω為正弦指令的角頻率。可以驗(yàn)證,當(dāng)指令和擾動都以角頻率ω做正弦變化時(shí),一個(gè)穩(wěn)定的包含(1-1)所示內(nèi)模的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是無靜差的。然而這只是在假定為線性負(fù)載的條件下得到的結(jié)論。實(shí)際負(fù)載要比這復(fù)雜的多,而且大多為整流性負(fù)載。這樣的負(fù)載電流是非正弦的,其中包含了基波以及基波頻率整數(shù)倍的多重諧波。因此實(shí)際的擾動頻率成分是很豐富的,如果對所有的這些頻率的擾動均實(shí)現(xiàn)無靜差,植入正弦信號內(nèi)模的方法就不適合了。
擾動信號都有一個(gè)共同特征,即在每一個(gè)基波周期都以相同的波形重復(fù)出現(xiàn)。因此,基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制可采用如下的一種“重復(fù)信號發(fā)生器”內(nèi)模。其傳遞函數(shù)為:
(1-2)
其中L為逆變器輸出基波周期。將其離散化,得到延遲一個(gè)周期的正反饋環(huán)節(jié)。這一延遲環(huán)節(jié)正是重復(fù)控制的致命缺點(diǎn),它對跟蹤誤差的調(diào)節(jié)作用滯后一個(gè)工頻周期。因此考慮將PID控制方式與重復(fù)控制方式結(jié)合在一起,形成了基于PID和重復(fù)控制的新型UPS逆變器波形控制方法,利用重復(fù)控制改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出波形質(zhì)量,利用數(shù)字PID控制提高系統(tǒng)的動態(tài)特性,使系統(tǒng)兼具良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性。
前饋控制的目的是改善數(shù)字PID控制器的控制效果,進(jìn)一步減小動態(tài)過程中輸出電壓的波動和波形畸變,改善數(shù)字PID控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。離散重復(fù)控制器,用來消除系統(tǒng)的周期性跟蹤誤差,減小UPS逆變器帶非線性整流負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形畸變。數(shù)字PID控制器,作用是對輸出電壓跟蹤誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,減小系統(tǒng)受到干擾時(shí)的輸出電壓波動和畸變??刂瓶驁D如圖3所示。圖中主要環(huán)節(jié)介紹如下:
1)z-N :周期延遲環(huán)節(jié),使本周期誤差信息從下一周期開始影響矯正量。
2)Q(z) :為克服對象模型不精確,增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性而設(shè)置的??扇∫粋€(gè)小于1的常數(shù)。
3)S(z) :補(bǔ)償環(huán)節(jié),用于改造對象特性。
4)zk :相位補(bǔ)償,滿足系統(tǒng)頻率響應(yīng)要求。
5)a :比例因子。用來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖3基于PID控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制框圖
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
依照上述模型,用simulink仿真可初步確定控制器的參數(shù),開始用較保守的參數(shù)在10KVA的逆變模塊上試驗(yàn).,調(diào)整參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到較好的靜動態(tài)特性。系統(tǒng)參數(shù)為:輸入直流電壓為200V、輸出頻率50HZ、開關(guān)頻率19.6HZ、濾波電感120uH、濾波電容15uF。圖4左為帶阻性負(fù)載,電流為36A時(shí)的電壓電流波形;右為帶整流性負(fù)載
圖4 帶阻性、整流性負(fù)載時(shí)電壓電流波形圖
從以上兩圖可以看出,基于PID控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制策略具有較好的波形控制效果,特別是對非線性整流負(fù)載具有很好的諧波抑制效果,同時(shí)系統(tǒng)還具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性。因此,本文介紹的基于PID控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制策略具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 候振義, 王義明, “UPS電路分析與維修”, 科學(xué)出版社, 2001
[2] 李成章, “現(xiàn)代UPS電源及電路圖集”, 電子工業(yè)出版社, 2001
[3] S. Karve, “Three of a kind [UPS topologies, IEC standard],” IEE Review, vol.46, no.2, pp.27-31, March 2000
[4] 馬旭東,基于DSP的UPS智能控制技術(shù),電氣自動化,2003年第一期,26-27
[5] H. Pinheiro, P. Jain, “Comparison of UPS topologies based on high frequency transformers for powering the emerging hybrid fiber-coaxial networks,” IEEE- INTELEC '99, pp.9-12, 1999
[6] 林新春,段善旭,基于DSP的UPS全數(shù)字化控制系統(tǒng),電力電子技術(shù),2001年第二期,51-53
pid控制器相關(guān)文章:pid控制器原理
評論