基于重復控制的全數字UPS逆變器

摘要：分析了逆變器波形重復控制技術的原理和設計方法，提出了雙環PI控制和重復控制相結合的復合控制方法，仿真和實驗結果表明該方法對于非線性負載下的UPS逆變器輸出波形具有校正作用。

關鍵詞：重復控制；UPS逆變器；雙環PI控制

1 引言

衡量UPS逆變器性能的好壞，通常有以下一些指標：電壓、頻率、總諧波含量（THD）、負載調整率、動態響應等，上述這些指標的好壞是與逆變器的控制息息相關的。由于電力電子設備的模擬控制技術存在著一些其自身無法克服的缺點^[1]，控制手段已經大大落后于現代控制理論的發展，所以其向數字控制的轉變已是必然趨勢。

UPS的應用場合要求非常高，因此，單電壓環控制顯然無法滿足應用要求，為了提高逆變器的靜態動態特性，需要采用多環控制技術。電流模式控制是一種多環控制策略，它用誤差電壓的調節輸出作為反饋電流的指令，能夠獲得比較好的靜態動態特性,但是不能解決在非線性負載（如整流橋負載）下輸出電壓THD較高的問題。近年來，隨著電機控制的專用DSP的推出，基于DSP的逆變器數字控制技術發展很快，應用波形重復控制技術^[4，5]，可以有效地解決上面提到的問題。但是重復控制也有缺點，就是其動態特性非常差。本文介紹的復合控制把上述兩種控制方法結合在一起，揚長避短，獲得了很好的效果。

2 電感電流模式控制

一般有以下幾種電流模式控制方法^[3]：滯環電流控制，電流預測控制和SPWM電流控制。其中SPWM電流控制方法是將電流誤差信號與三角波比較，產生4路SPWM控制信號，它的開關頻率是恒定的，同時控制邏輯也很容易實現。SPWM電流控制在電感電流模式控制中是一種比較好的控制方法。圖1是電感電流模式控制框圖，參考正弦電壓與輸出電壓相減后得到誤差電壓，誤差電壓經過PI調節之后的輸出作為電感電流的指令，電流誤差信號經過比例調節之后與三角波比較產生控制信號。由于電感電流等于電容電流與負載電流之和，其中電容電流為輸出電壓的微分，電感電流模式控制相當于使系統能超前對輸出電壓進行控制，因此能夠取得比較好的動態特性。另外電感電流中包含了負載電流，所以又可以起到對負載限流的作用。

圖1 電感電流模式雙環控制

3 重復控制

重復控制是一種基于內模原理的控制方法[4]，內模原理指出：系統在穩定狀態下無穩態誤差地跟蹤參考輸入信號的前提條件是閉環控制系統穩定且閉環控制系統中包含有參考輸入信號的傳遞函數。

為了實現重復控制系統，必須首先產生一個周期性的激勵信號來消除由參考輸入信號或干擾產生的周期性誤差。圖2是產生這個周期性激勵信號的兩種方法。

(a)方法1

(b)方法2

圖2重復控制器中的內模原理

圖2（a）中的周期激勵信號由模擬的方法實現，圖2（b）中的周期激勵信號由數字的方法實現。圖2（b）中的N為每個工頻周期內輸出電壓的采樣次數，滿足關系式：

L=NT_s（1）

式中：T_s為輸出電壓的采樣周期。

輸入信號E對應的是逆變器控制中的輸出電壓的誤差信號，圖中的內模結構是一個正反饋系統，輸出C是對E的逐周期累加，只要輸入不為零，輸出就將逐周期變化，直至系統的輸出電壓跟蹤誤差為零。這時，輸出C將保持不變，從而使系統的輸出電壓一直能夠無誤差的跟蹤輸入參考信號。

逆變器的重復控制結構框圖[4]如圖3所示，虛線框內即為離散重復控制器，各環節的傳遞函數介紹如下：

圖3逆變器重復控制結構框圖