UPS逆变控制系统设计

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1、UPS逆变控制系统设计(1)肖永利（2001-8-7）摘要：本文主要讨论了UPS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数学模型图1单项半桥UPS逆变系统图1为单

2、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，取电容电压和电流为状态变量，则由图1可列写出逆变系统的状态方程为：（1）其中（2）表示逆变开关管轮流导通的开关函数，为BUS电压幅值。对逆变系统而言，当开关管的动作频率远远大于其PWM调制信号的频率时，则开关函数就可近似用如下的占空比来表示[1]。（3）式中为载波的幅值。由式（2）和（3）可得：（4）式中：即为PWM放大系数。由式（1）和（4）可得调值信号到电容电压的传递函数为：（5）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，因此逆变模型的参数具有

3、不确定性。当R为无穷大，即为空载情况下时，逆变模型为：（6）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：（7）阻尼比为：（8）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，当L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

4、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。图2逆变控制系统框图由图2可推出内环传递函数为：（9）由式（9）的特征方程可知，系统阻尼比为：（10）比较式（8）和（10）可见

5、，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：（11）3系统参数对控制性能的影响（1）动态特性由式（11）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LC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，增益可用来调整系统的阻尼比，以获得期望的动态特性。另外，LC一定的情况下，L越大，系统的阻尼比越小。c:增益可以改变闭环系

6、统的自然频率，因此它的大小也影响系统的响应速度。（2）稳态特性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）可见系统稳态误差直接由增益和决定。和越大，稳态误差越小。在理想情况下，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。负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：（13）用替换s，显然，当特征方程满足如下条件时，系统的抗干

7、扰能力最强（14）即：（15）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：（16）由式（16）可知，控制增益越大，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。增益对抗负载电流干扰特性影响较小。4C6KNN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-DSPinverter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

8、流反馈的同时，又加入D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。(1)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，