UPS逆变控制系统设计1

UPS逆变控制系统设计(1)肖永利(2001-8-7)摘 要：本文主要讨论7UPS逆变控制系统的设计方法和步骤。首先建立了逆变系统的数学 模型，根据逆变自身动态特性，确立了引入电容电流反馈和电压反馈的控制结构。在此基础 上，分析了系统参数对控制特性的影响。结合C6KNN机种的逆变控制系统设计过程，对设 计中遇到的各种实际问题的产生原因和相应的控制参数调整思路做了分析和解释，其中包括 系统延迟、瞬投RCD载电压上冲、限流以及卸载电压上冲等问题。本文最后对现有的遗留 问题做了总结并确定了问题的解决方向。1 数学模型2Vdcu(t)c 丄V_cLoadL图1单项半桥UPS逆变系统图1为单项半桥UPS逆变电路原理图，为了研究方便，这里设负载为阻性R，取电容电压v和电流i为状态变量，则由图1可列写出逆变系统的状态方程为:cc其中Vc* 0/L 1/Rcp +cc10L u(t)1)u(t)二 V (2S* 1)(2)dcS* = 1表示逆变开关管轮流导通的开关函数,V为BUS电压幅值。dc对逆变系统而言，当开关管的动作频率远远大于其pwm调制信号v m勺频率时，则开 关函数S*就可近似用如下的占空比I (t)来表示。(3)1 W (t)V-式中 V 为载波的幅值。t由式2）和（3）可得：4）式中：K由式V即为PWM放大系数。t（1）和（4）可得调值信号v到电容电压v的传递函数G为:K c 0G-，pw0LCs?十（L/R）s 十 1(5)u(t)二 K v (t)pwm m因此逆变模6)上述逆变模型是在阻性负载情况下得到的，模型参数与负载R大小有关,型的参数具有不确定性。当R为无穷大，即为空载情况下时，逆变模型为：G=Kpw0 LCs 十12另外，实际UPS系统还可能携带除阻性外的容性或感性以及RCD非线性负载等，所以实际UPS系统的逆变模型还具有结构不确定性。2 控制系统结构设计观察式（6）和（5）可知，被控对象为一个二阶系统，系统的自然频率为：八=1/ irLG（7） n（/）阻尼比为：圧 RC由式7）和（8）知，逆变系统中的电感和电容的大小决定了系统的自然频率,Li和C确定后，负载R则对系统的阻尼起决定性作用，R越小，系统阻尼越大。由于在无载情况下，逆变为一个无阻尼的振荡系统，加载后，即使在满载情况下系统 也是个欠阻尼系统（带入实际参数可进行判断，）所以要达到好的控制特性，就必须给系统 增加阻尼。一般情况下，增加阻尼可采取两种方案：一种是在反馈控制量中加入微分控制量 另一种就是引入输出控制量的速度量。由于微分控制对系统噪声有放大作用，一般情况下较 少采用，实际控制设计中较多地是采用增加回路的方式给系统增加阻尼在逆。变控制系统中， 控制输出量为电容电压，增加阻尼可通过引入电容电流反馈来实现。根据上述分析，控制系 统的总体结构可设计成图2的形式。ref吟tCsCs2 + 粉R)s+1 Cs图 2 逆变控制系统框图由图2可推出内环传递函数为：(9)KKlc、2+（l/r）+KTkcs 十1i pwm由式（9）的特征方程可知，系统阻尼比为：i(2l(10)比较式（8）和（10）可见，引入电容电流反馈，增加了系统的阻尼比，因而可以有效改善 系统的特性。由图2可得整个系统的闭环传递函数为：V （s）s）= LCS2 + （L/R）+ KvWwmCs + K K K KKVref+1pwm(11)i pwmvi3 系统参数对控制性能的影响（1）动态特性 由式（1 1）知，图2 结构形式的逆变控制系统是一个典型的二阶系统，其动态特性与相 关参数的关系可参考一般的自动控制原理书籍，这里仅简单说明如下：a:开环情况下，滤波电感和电容大小的乘积_C决定了系统的自然频率，提高自然频率， 可使系统的响应速度较快。b:当LC确定后，增益K可用来调整系统的阻尼比，以获得期望的动态特性。另外丄Ci 一定的情况下， L 越大，系统的阻尼比越小。 c:增益K可以改变闭环系统的自然频率，因此它的大小也影响系统的响应速度。v（2）稳态特性1+1 i pwmK 和 K 越大，稳态误差越小。在理想情况vi对于单位阶跃响应而言，上述逆变控制系统的稳态误差为：12)e =ssv可见系统稳态误差直接由增益K和K决定。vi下，系统稳态输出电压幅值与负载大小无关。（3）抗负载干扰特性对 UPS 逆变控制系统而言，我们期望的是输出电压对负载变化的鲁棒性越强越好，反 映在控制系统设计中就是期望系统输出抗负载电流干扰的能力越强越好。载电流对逆变系 统的干扰可用图3来表示。图3由图 3 可写出负载电流与电容电压输出的关系为：V (s) sFu(s) 一 CS2 + K K(C/L)s + (K K K+1J7Ld i pwm v i pwm(13)用je替换s,显然，当特征方程满足如下条件时，系统的抗干扰能力最强maC(j)2 + K K (C/L)je + (K K K + 1)/Li pwmvi pwm(14)即：max -Ce2 + (K K K+ 1)/L2 + K K(C/L)邛(15)v i pwmi pwm负载电流突变时，其含有的高频成分较多，所以式（15）中起决定作用的是如下部分：K K (C /L)ei pwm16)由式（16）可知，控制增益K）越大，则系统的抗干扰能力越强。另外，滤波电容和电 感也对抗干扰特性有影响，若LC 一定，电容越大，电感越小，则输出抗干扰能力越强。增 益 K 对抗负载电流干扰特性影响较小。v4 C6KNN逆变控制系统设计实例C6KNN逆变采用DSP数字控制技术，增强了控制器设计的灵活性C6KNN初期的控 制结构（参见C6K-DSPinverte调试报告，黄雁飞）与本文中的图2基本一致，但存在以下 一些问题：（1）引入电容电流反馈的同时，又加入）控制和电压微分控制。由于三个控制量的作用基本 一致，所以D控制和电压微分控制多余。(2) 电容电流和电压的反馈参数无谓地加入控制设计中，增加了控制参数设计数量，使设计 难于调整。应用DSP数字技术，完全可以事先使反馈回路的增益为1,从而形成单位反 馈，这样就可直接通过调整前馈参数来调整控制系统性能。(3) 引入的负载电流反馈物理意义不清楚。(4) 参数设计较为盲目。应根据实际系统的控制需要来设计参数。C6KNN初期各部分参数值为:BUS电压幅值V二3600V；载波幅值V二390.0V；dc t滤波电感L = 083mH；电感上的电阻r二0.10；滤波电容C = 3无F (其中2乂F电容 的电流用于反馈，另 1 F电容电流不反馈)电容上的电阻二0010。考虑DSP计算延c迟 25us。实际控制参数设计主要经历了以下几次反复。第一次：设计参数为：K二32； K二028iv 设计思想：尽可能减小稳态误差，提高响应速度，增强抗干扰特性。 实验结果：系统无法开机。原因分析：经考虑，系统无法开机是由于系统发散造成的。这是因为在设计时,DSP的计 算延迟估计太小，从而使控制参数在一定程度上可以取的比较大，但若考虑实SP计算 延迟为52us则系统就变的不稳定了(延迟对控制系统的影响可参见一般控制原理书)在 下面的设计中，将DSP计算延迟考虑为52us第二次：设计参数为：K二23； K二0.16iv设计思想：在保证系统稳定的前提下，尽量增大，这样可使系统开环增益较大，从而使i系统的响应速度快，抗干扰能力强，稳态误差小。实验结果：系统正常开机。加阻性负载问题不大，但iRCD载仍旧出现瞬投电压上冲的问 题。RCD载卸载时电压上冲较小。原因分析瞬投RCD载电压会上冲是因为电流会出现不连续现象，也就是说在瞬间加CD 载后，滤波电容会迅速对负载放电，这时候电容电压被拉的很低，反馈控制为了使电容电压 尽快恢复，就尽可能增加控制量，然而，由于电容电压上升速度较慢，此时的控制量将使得 电感电流很大，而电感电流又都全部流向负载，这时,RCD载突然卸掉，就会造成已被反 馈控制量调得很大的电感电流全部灌入电容，从而使电容电压迅速上冲，且此时控制作用也 无能为力。为了解决这一问题，只有降低控制系统的响应速度，也就是说在电容电压较低时 响应速度较慢的控制系统其控制量也较小，这样就可以不使电感电流增加的很大，从而使得 电感电流灌入电容的瞬间反馈控制能够有效抑制其电压上冲。第三次：设计参数为：K二15； K二0.07iv设计思想：基于上次实验问题的分析结果，又重新调整了控制参数，目的是减小控制增益， 降低系统响应速度。实验结果：加阻性载较好；多次反复瞬投RCD载也不再出现电压上冲的问题，但是RCD载接近满载时出现限流问题；RCD载卸载时电压上冲较前面略大。原因分析：系统响应速度较快、控制量大，就会使得负载电流过大，从而造成投CD载满 载时出现限流问题。解决思路是应减小控制增益。由于控制增逑 减小，使得系统抗负载i 电流干扰能力减弱，所以卸载时电压上冲幅度会变大。第四次：设计参数为：K二15； K二0.03iv 设计思想：为了在减小控制增益的同时不较大影响系统的抗负载电流干扰影响，所以保持增 益K不变，只减小增益K 。iv实验结果：多次反复瞬投RCD载不出现电压上冲的问题，加RCD载满载时也不出现限流 问题。第五次：由于原先的硬件电路是只探5卩F电容的电流用于反馈，而另外I01F电容的电流 没有用于反馈控制，考虑到这样做的意义和目的不十分清楚。所以将另UF电容的电流也 用于反馈控制，再次重新设计，设计参数为：K二10； K二0.03iv实验结果：多次反复瞬投RCD载不出现电压上冲的问题，加RCD载满载时也不出现限流 问题。5 遗留问题目前的控制系统虽对瞬投RCD载电压上冲、卸载电压上冲以及限流等问题有较好的抑制作用，并且具有设计简单，实现容易等优点，但其仍存在如下问题和弊端：（1）加入滤波板后投RCD载达到稳态后，负载电流会出现纹波，且主要体现在负半周。（2）由于受控制结构限制，控制系统稳态误差太大。（3）系统抗负载干扰能力不强。6 遗留问题初步分析和解决思路（1） 投RCD载达稳态后负载电流出现纹波的原因，是由于上述逆变控制主要是针对阻性 负载进行设计的，当逆变带RCD载后，由于负载结构发生变化，造成整个控制系统 结构也发生了变化，所以系统在阻性负载（或空载）情况下的控制性能将不能保证 在RCD载下也具有同样的控制性能。另外，纹波是在输出加入滤波板情况下出现的, 滤波板和导线上均有电感，仿真结果表明，电感大小在一定范围内时，就会造成负载电流出现纹波。经分析和仿真，当逆变接入CD载并考虑上述杂散电感时，控制系统的特性将变得很糟糕，甚至发散，这也就是负载电流出现纹波的主要原因。该 问题的解决思路是，若现有控制结构仅通过调整参数无法克服上述负载电流纹波问 题，将考虑重新选择控制结构和设计鲁棒性更强的控制器。（2） 稳态误差问题目前已初步找到解决办法。7 结论采用比例控制的电压环和电流环双回路反馈控制结构是UPS逆变控制系统一种简单实 用的设计方案。该方案的最大优点是设计结构简单，各回路物理意义清晰，设计参数少且方 便，实现容易等。不足之处是系统稳态误差较大，鲁棒性不强。针对这一结构，本文以阻性 负载为主要研究对象，分析了逆变控制设计的各个步骤和机理，并结合实验，给出了控制参 数的设计调整思路。由于前期工作的主要重点放在了克服瞬投RCD载电压上冲及限流等问题，故在设计中 忽视了一些其它应该考虑的问题，造成目前系统还没有达到完善的地步，所以下一步工作是 全面对整个系统存在的问题进行解决。参考文献：1 N. M. Abdel- RahimJ,. E. QuaicoeA. nalysisandDesignofaMultipleFeedbackLoopControl StrategyforSingle-PhasVeoltage-SourcUePSInvertersI.EEE Transactionosnpowerelectronics, 1996,Vol.11,No.4,pp.532541