雙變流器補償式UPS控制研究

忽略電池充電功率和系統中電感、電容、開關器件的功率損耗，由系統功率平衡可知：

Psdc=Vs1I* s1=PLdc=VldILd+VLqILq

則有:

I* s1 = PLdc/ Vs1　　　　　 (3)

式中：Psdc為交流電源輸入功率;PLdc為負載有功功率;V s1為輸入電源電壓的基波幅值，

V s1=(V2sd + V2sq )½ 。

若考慮系統中的功率損耗，則需在I* s1中附加一增量ΔIs，其由直流母線電壓調節器Gd(s)產生。指令電流I* s1反映了負載所需有功功率的大小，此值除以串聯變壓器變比Ns后作為串聯變流器VSC的d軸電流控制指令。由于不希望電網電流中包含無功分量，因此q軸電流控制指令I* 1q=0。電流調節器Gc(s)的輸出結合解耦電壓反饋和電網電壓前饋合成控制量V1d,V1q經兩相同步旋轉到三相靜止坐標變換(dq/ABC)后生成三相調制電壓V1a,V1b,V1c。分別與三角載波Vtr進行比較，以獲得串聯變流器的PWM開關控制信號，使電源電流is跟蹤i*s，則可實現作為正弦電流源的串聯變流器對電源電流的控制功能。

區別于高頻PWM整流器，由于串聯變流器的輸入電網電壓考慮了較大的諧波成分，因此框圖中的電流調節器Gc(s)采用PID控制器。加入微分作用從而允許系統具有較高的開環增益，以提高系統的相應帶寬和相角裕度，從而增進系統的穩態精度和動態響應。

3.2、輸出電壓的控制

控制并聯變流器VSI作為基波正弦電壓源運行，輸出與Vs1同相的額定值正弦波電壓VR，則可以實現負載電壓的要求。其控制框圖如圖2所示，采用基于同步旋轉坐標系下的電壓電流雙環控制方案。令并聯變流器VSI經并聯變壓器TP后的輸出電壓、輸出電流為V2(a，b，c)，i：。。，i2(a，b，c)，負載電壓為VL(a，b，c)，輸出補償電流為i3(a，b，c)，則由圖3可得到三相靜止ABC系統電壓、電流平衡方程式為:

L2(di2/dt)=V2-VL　　　　　　　(4)

C2(dVL/dt)=ic=i2-i3　　　　　 (5)

利用三相靜止到兩相同步旋轉坐標變換關系，可得到兩相旋轉坐標系電壓、電流方程式:

V2d=VLd-ωL2i2q+L2(di2d/dt)　　　　　 (6)

V2q=VLq+ωL2i2d+L2(di2q/dt)　　　　　 (7)

i2d=i3d-ωC2VLq+C2(dVLd/dt)　　　　　 (8)

i2q=i3q+ωC2VLd+C2(dVLq/dt)　　　　　 (9)

由式(6)、式(7)、式(8)、式(9)可以構成如圖2所示的并聯變流器電壓電流雙環控制系統。其中電壓外環指令V* Ld=VR,V* Lq=0，而內環電流指令i* 2d，i* 2q取自電壓調節器Gv(s)輸出、補償電流前饋及電容電流交叉解耦電流之和，經電流調節Gi(s)作用后，結合負載電壓前饋及電感電壓交叉解耦電壓輸出并聯變流器控制量V2d和V2q。控制量V2d、V2q經(dq/ABC)變換后生成三相調制電壓V2a,V2b,V2c，分別與三角載波Vtr進行比較，以獲得并聯變流器的PWM開關控制信號，使負載電壓VL跟蹤V* Ld，則可實現作為正弦電壓源的并聯變流器對輸出電壓的控制功能。

根據以上控制策略，由于串聯變流器受控為基波正弦電流源，電源電流is為與電源基波電壓同相的正弦有功電流，從而使得非線性負載中的無功和諧波電流經并聯變流器得到補償。同時,并聯變流器受控為基波正弦電壓源，使負載輸入電壓VL為與電源基波電壓Vs1，同相的正弦波額定電壓VR，從而使得電源電壓中的諧波與基波偏差經串聯變流器得到補償(或隔離)。

3.3、重復控制的加入

眾所周知，重復控制理論是根據生產過程控制的實際需要而提出來的控制系統設計理論。由于重復控制將上一個基波周期前的誤差用于當前控制量的合成，對周期性擾動具有良好的抑制能力，逐周期減小了誤差，使得逆變器的輸出電壓逐周期地得到修正，穩態時具有很好的波形質量。所以我們在并聯變流器的控制中采用了電壓電流PI雙環加上重復控制來控制并聯變流器輸出電壓的波形質量。控制策略框圖如圖4示。

圖4　　嵌入式重復控制系統框圖

這樣，系統在加入重復控制器下動態響應會比原來直接用雙環PI控制慢一點，但是對整個UPS輸出電壓的波形質量有了大大的改善。因此我們在采取加入重復控制后，對系統進行仿真。結果證明重復控制對UPS輸出電壓波形確實有大大的改善，特別是對非線性負載，效果更明顯。

4 系統特性仿真結果

基于上述控制方案，在MATLAB　SIMULINK環境下建立了系統的數字化仿真模型，并對其工作特性進行了仿真。圖1中交流電源電壓Vs的基波Vs1在其額定值VR(線電壓380 V/相電壓220 V)的±15%范圍變化。Vs中的5次諧波電壓V5，7次諧波電壓V7各為基波電壓值的5%。負載為三相相控橋整流裝置，R=9.86Ω，L=50mH，相控角α=30º，直流負載功率20kW。直流端蓄電池Eb=440V，直流電容C=3300μF。串聯變壓器變比Ns=2，并聯變壓器變比Np=3½。濾波電感L1=7mH，L2=0.3mH，濾波電容C2=70μF。系統采樣頻率為10 kHz，三角載波頻率(開關頻率)為10 kHz。

仿真結果證實：所提出的控制方案可以較好地實現雙變流器串并聯補償式UPS的功能。非線性負載對負載電流iL的波形畸變及輸出電壓波形畸變的影響是明顯的。非線性負載越重，則影響也越突出，帶濾波電容的不控整流負載情況最為嚴重。

5 結束語

通過比較并聯變流器在不同控制策略下輸出電壓的控制效果，顯然非線性負載下，單電壓環控制對于輸出電壓波形的控制能力是有限的;若電壓環結合重復控制，利用重復控制對周期性干擾的周期性調節能力，可以有效的改善輸出電壓波形，其控制效果基本上和電壓電流雙環控制相當;而當系統采用電壓電流雙環再加上重復控制時，則輸出電壓的控制效果最好。

參考文獻:

[1]陳堅;電力電子學-電力電子變換和控制技術[M];北京：高等教育出版社，2002。

[2]王兆安，楊　君，劉進軍;諧波抑制和無功功率補償[M];北京：機械工業出版社，1998。