單相UPS逆變器的多環控制策略研究

摘要：在單相不間斷電源(UPS)控制系統中，UPS的被控量是交流量，常用的控制算法很難對交流量實現無差控制，因此提出了一種多環控制策略，以提高單相UPS逆變器的靜態和動態特性。采用比例諧振調節器控制逆變器的輸出電壓，極大地提高了系統的靜態特性；采用適當的前饋負載電流和負載電壓，有效地改善了單相UPS逆變器的動態特性。建立了單相UPS逆變器的數學模型，并給出了比例調節器和比例諧振調節器的設計方法。理論分析和一臺800 W逆變器樣機的實驗結果證明了該控制方案的可行性。
關鍵詞：逆變器；不間斷電源；比例諧振；多環控制

1 引言
UPS主要由蓄電池、充放電電路、逆變電路和控制系統等幾部分組成，其中逆變電路及其控制系統是UPS電源的核心部分。單相UPS逆變器的被控量是50 Hz的交流量，而PI調節器不能對交流量實現無靜差調節，要減小穩態誤差，必須提高比例增益，但過高的比例增益，會降低系統的穩定性，因此PI控制算法不適合控制交流量。根據內模原理，要實現無靜差控制，控制環前向通道上必須含有外部輸入量的動態模型。重復控制算法能根據被控對象，在控制環的前向通道上形成被控對象的內模，從而實現對交流量的無靜差控制。采用重復控制策略控制單相正弦波逆變器能得到較滿意的性能，但算法較復雜，實現也較困難。單相逆變器的多環控制策略與雙環控制策略相比，逆變器輸出電壓的波形有所改善，但仍存在靜態誤差。文獻研究了單相逆變器的比例諧振控制算法，但沒有考慮負載變化對系統的影響。針對以上問題，這里提出了基于比例諧振控制的多環控制策略。實驗結果表明，與其他單相逆變器的控制策略相比，該控制方案是一種理想的控制方案。

2 單相UPS逆變器工作原理及數學模型
所研究的單相UPS逆變器采用單相全橋拓撲結構，如圖1所示。

圖中負載可為線性負載或非線性負載。對單相逆變器的4個IGBT開關VS1～VS4進行調制，將直流電壓Udc調制成PWM脈沖電壓，通過LC濾波器濾除高頻諧波，在輸出端得到幅值和頻率都可調的正弦波電壓。設m為調制度，根據電路定律，單相逆變器的數學模型為：