UPS控制技术:基于PID控制和重复控制的复合控制策略

在计算机网络及其相关网络通信技术迅猛发展的推动下，为确保在进行信息资源共享时所获得的数据、文件和图形等资料具有高度的真实可靠性、连续性和高保真度UPS(不间断电源)正越来越广泛地被应用到国民经济的各个领域。同时，随着信息技术的发展，智能信息处理以及基于网络的远程监控等新技术逐步应用于UPS中，构成了全智能化的UPS系统，方便了用户、提高了可靠性。本文着重介绍UPS控制技术，分析了UPS的PID控制技术的特性并深入分析了基于PID控制和重复控制的复合控制策略。

       控制策略概述

UPS逆变器的数字控制技术成为了当前逆变器研究领域的一个热点，出现了多种逆变器数字化控制方法，包括数字PID控制、状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制等，有力地推动了UPS技术的发展。

每一种控制方案都各有其长短。某些控制方法虽然具有较好的动态响应速度，但稳态输出电压谐波失真度又达不到要求；某些控制方法虽然同时具有较高的动态和稳态精度，但它对参数变化很敏感，鲁棒性不好；某些控制方法有很好的稳态精度，但动态响应效果却很差；某些控制方法受硬件水平的限制，目前还不能得到很好的应用。因此，一种必然的发展趋势是各种控制方案互相渗透，相互取长补短，构成复合的控制方案。

      数字PID控制

在UPS逆变器控制中，最常用、最简单的方法是PID控制，具体实现方式包括电压瞬时值反馈控制和电压电流双闭环反馈控制，图1所示为电压瞬时值反馈控制。
 

电压瞬时值反馈的控制策略优点是只使用了一个电压传感器，缺点是系统动态响应特性不好，跟踪特性不是很好, 波形质量欠佳。图2为采用此控制方法在10KVA逆变器上带容性负载时的输出电压波形。从图中可以看出波形失真度较大，难以满足高质量电源的要求。
 

改善电压源逆变器的动态特性的方法之一是增加一个电流闭环。在这种控制策略中，滤波电容的电流（也就是输出电压的微分）作为一个反馈变量引入到控制系统中，达到改善输出波形质量，它必须使用一个霍尔传感器来检测滤波电容电流，增加了系统的复杂性和成本。



         基于PID控制和重复控制的复合控制

逆变器控制器是一个参考给定呈正弦变化的调节系统，而不是一个恒值给定的调节系统。同时，系统的扰动即负载电流，也不是一个恒值扰动，当接线性负载时，负载电流呈正弦变化；而当带非线性负载时，电流按非正弦规律变化。针对正弦指令的无静差跟踪问题，可以在控制器中植入一个与参考给定同频的正弦信号模型。

前馈控制的目的是改善数字PID控制器的控制效果，进一步减小动态过程中输出电压的波动和波形畸变，改善数字PID控制系统的稳定性。离散重复控制器,用来消除系统的周期性跟踪误差，减小UPS逆变器带非线性整流负载时的输出电压波形畸变。数字PID控制器，作用是对输出电压跟踪误差进行实时调整，减小系统受到干扰时的输出电压波动和畸变。控制框图如图3所示。图中主要环节介绍如下：
 

1）z－N ：周期延迟环节，使本周期误差信息从下一周期开始影响矫正量。

2）Q(z) ：为克服对象模型不精确，增强系统稳定性而设置的。可取一个小于1的常数。

3）S(z) ：补偿环节，用于改造对象特性。

4）zk ：相位补偿，满足系统频率响应要求。

5）a ：比例因子。用来维持系统的稳定性。

           实验结果

依照上述模型，用simulink仿真可初步确定控制器的参数，开始用较保守的参数在10KVA的逆变模块上试验.，调整参数使系统达到较好的静动态特性。系统参数为：输入直流电压为200V、输出频率50HZ、开关频率19.6HZ、滤波电感120uH、滤波电容15uF。图4左为带阻性负载，电流为36A时的电压电流波形；右为带整流性负载，电流为20A时的电压电流波形。
 

从以上两图可以看出，基于PID控制和重复控制的复合控制策略具有较好的波形控制效果，特别是对非线性整流负载具有很好的谐波抑制效果，同时系统还具有较好的动态响应特性。因此，本文介绍的基于PID控制和重复控制的复合控制策略具有较高的应用价值。