李坤龙

摘要：优化逆变器的控制方法是提高UPS性能的重要途径，基于此，文章以UPS为研究对象，提出一种UPS逆变电源控制方法， 并对复合控制系统的整体结构及系统设计进行了分析。

关键词：不间断电源；逆变器主电路；模糊控制器

前言

随着科学技术的不断发展，电气产品已越来越趋向精密化，UPS（不间断电源）作为一种能够有效改善供电质量的电力装置，已被广泛的应用于各个行业中。同时，市场以对其提出了更高的要求，即提高其性能与运行的效率，这给UPS的发展带来了新的机遇，但也对它的控制提出了更高的要求。其中，逆变器是不间断电源最核心的组成部分，逆变器的控制方式最终决定了UPS的性能。

1.逆变器主电路

单相全桥逆变电路拓扑结构如图1所示。其中，r0为等效串联电阻，L，C为输出滤波器的滤波电感和电容，ui，uo。为滤波电路的输入和输出电压。

由图1可得传递函数为

式（1）为逆变器带电阻负载时的系统函数。当UPS空载时，RL，此时传递函数为

（2）

式中：wn为自然角频率，wn=1/ 为阻尼比 。取L=2.4mH，C=35uf，r0=0.8Ω空载时，有

（3）

采样频率与开关频率均为10kHz，则式（1）可离散化为

（4）

改进型重复控制器重复信号发生器的纯积分环节虽然在理论上可实现对误差的无静差跟踪，但影响了系统的稳定性和鲁棒性。传统方法是在重复控制器的内模中引入补偿器Q（z）和周期延迟环节一Z-N，前者用于减小误差信号的积分速率，后者可以对超前环节进行设置，Q（z）一般为略小于1的常数。为了更好地减小稳态误差，此处Q（z）选用了梳状滤波器。

梳状滤波器Q（z）将第一个波谷设在KrZkP（z）.S（z）才迅速衰减的位置，其中k=5，Kt=0.5。此时口更好地对误差轨迹进行跟踪， 尤其是在高频的情况下，其表达式为

其中，滤波器S（z）采用二阶低通滤波器与零相移滤波器相结合，前者提供高频衰减，后者P（z）的谐振尖峰，使系统的鲁棒性增强。

二阶低通滤波器的参数选择时，其转折频率w。应小于P（s）的转折频率， 选取w=3.4×103rad.s-1。为防止二阶低通滤波器传递函数S1（z）振荡，选择ξ=1，因此S1（z）的离散式为

（6）

零相移滤波器的选用是为了对待定频率进行衰减，不仅衰减速度快，而且对周围频段有很小的影响。可通过对零相移滤波器函数合理的设计，使其最大衰减处位置与逆变器的谐振点恰好重合，并且谐振峰值得到了最大程度的衰减，其函数的离散式为式（5）。

2.模糊控制器

模糊控制器利用模糊逻辑算法按照一定的模糊规则对控制器的个参数进行实时优化，从而使最终的控制达到较为理想的效果。模糊控制器主要由参数模糊化、模糊推理、解模糊和控制器组成。

具体实现过程为计算机根据设定的输入和反馈信号，计算实际位置与理论位置的偏差及当前的偏差变化率EC，并根据模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出△Kp，△K1，△KD进行修正后分别与初值△Kpo，△KI0，△KDo相加得到调整后的参数Kp，K1，KD，再在控制器作用下得到逆变器输出电压值。

此处主要采用模糊查询表法，即建立Kp，K1，KD变化的3个控制查询表格，控制查询表是输入论域上的点到输出论域的对应关系，它已经过模糊化、模糊推理和解模糊的过程，查表法结构简单，实施方便，在线运行速度快。模糊自整定PID控制原理如下

（7）

式中：KE为E的量化因子；KDC为EC的量化因子，Kup，KuL，KuD为PID修正系数。

3.复合控制系统

系统采用改进重复控制器和模糊PID控制器相并联，共同对输出电压进行调节。

当系统处于稳定运行状态时，系统的跟踪误差较小，主要由改进型重复控制器提供控制作用，来消除系统输出电压的周期性波形畸变。当系统出现负载突增或突减等大的扰动时，由于改进型重复控制器要延时一个参考周期，所以不能对大扰动产生迅速反应。这时模糊PID控制器就可对误差的突变进行跟踪， 并立即对输出波形进行调节，在此周期中，并不能保证有很好的输出波形质量，但可抑制输出电压波形的突变。一个参考周期后，由于改进型重复控制器的調节作用，使跟踪误差减小，模糊控制器产生的控制作用逐渐减弱，直到系统达到新的稳定运行状态。

4.结论

总之，对于整个UPS系统，逆变器是其核心，决定着输出电压的质量和系统的带负载的能力。逆变器的控制方式最终决定了UPS的性能。实验结果表明，该复合控制系统很好地改善了输出波形，减小了周期性扰动输出波形的畸变，并具有较快的动态响应速度，提高了系统的稳定性能，获得了预期效果，能够为UPS提供广阔的发展空间和良好的应用前景。

参考文献：

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