UPS 逆變器控制策略探討

董秋軍

（國網(wǎng)山東電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電源產(chǎn)業(yè)伴隨著工業(yè)控制、軍事醫(yī)學(xué)以及通信交通等行業(yè)得到了空前發(fā)展。在實(shí)際用電過程中，以往的供電方式已經(jīng)漸漸不能滿足供電需要。為了提高供電質(zhì)量，不間斷電源UPS成為電力用戶的首選。為了確保UPS能夠進(jìn)行安全穩(wěn)定的工作，要結(jié)合電力用戶用電的實(shí)際需求，采取高效可行的逆變器控制方案，確保供電工作的順利實(shí)施。

1 UPS逆變器控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

逆變器控制系統(tǒng)根據(jù)各部分功能的不同，可以進(jìn)一步分為控制系統(tǒng)電路和逆變功率電路。其中，前者的主要功能是對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行有效調(diào)控，后者的主要功能是對(duì)逆變器進(jìn)行有效控制。使用的控制芯片型號(hào)為TMS320F28335，生產(chǎn)廠商是德州儀器。該芯片具有強(qiáng)大的處理能力，運(yùn)行速率高達(dá)150 MHz，能夠在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)控制算法進(jìn)行編寫控制。

1.1 電壓電流采樣電路

對(duì)輸出電流檢測(cè)電路而言，由于采用的TMS320F28335主控芯片內(nèi)部的ADC測(cè)量范圍為0～3 V，一旦測(cè)量信號(hào)超過主控芯片的電壓承受能力后，就會(huì)導(dǎo)致ADC燒毀，影響逆變器的正常工作。因此，要結(jié)合工作過程中電壓和電流的實(shí)際情況，對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行有效調(diào)整，并加入鉗位保護(hù)。電流調(diào)理電路如圖1所示。

圖1 電流調(diào)理電路示意圖

采樣電流信號(hào)經(jīng)過低通濾波和縮放后轉(zhuǎn)換到ADC的測(cè)量范圍內(nèi)，確保ADC的穩(wěn)定運(yùn)行，再經(jīng)過二極管鉗位保護(hù)后接入到DSP的ADC引腳上。

在對(duì)控制系統(tǒng)的輸出電壓和母線電壓進(jìn)行檢測(cè)的過程中，為了確保實(shí)驗(yàn)的安全進(jìn)行，采用低壓電源進(jìn)行試驗(yàn)。蓄電池經(jīng)過DC/DC有效轉(zhuǎn)化后，能轉(zhuǎn)變?yōu)?60 V的高壓并施加在母線上，再通過多個(gè)電阻進(jìn)行有效串聯(lián)，進(jìn)而有效獲取母線上的電壓信號(hào)。

1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中雖然采取了有效措施，但是逆變橋的臂上管仍舊存在浮地問題。為了對(duì)有效改善該情況，減少實(shí)際的電源投入成本，可以將自舉式驅(qū)動(dòng)方式有效運(yùn)用于逆變橋的驅(qū)動(dòng)過程。

由于UPS逆變器控制單元中主電路的電壓和電流均較大，為了確保其能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行，需結(jié)合實(shí)際情況采取有效的改善措施，不斷提高控制系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。TLP250帶有光電隔離功能，能夠適應(yīng)不同情況的要求，且具有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力，最高可達(dá)1.5 A，不僅能夠有效分離驅(qū)動(dòng)點(diǎn)和脈寬調(diào)制電路，而且符合驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管在實(shí)際工作中的要求，具體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 過壓和欠壓保護(hù)

在UPS逆變器實(shí)際的工作過程中，過壓和欠壓情況時(shí)有發(fā)生。為了避免UPS逆變器受到損壞，需要采取可靠的保護(hù)措施。當(dāng)電路中出現(xiàn)過壓或欠壓情況時(shí)，保護(hù)電路能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路的異常情況，并進(jìn)行科學(xué)、合理判斷，向DSP發(fā)送相應(yīng)的指令信號(hào)，進(jìn)而及時(shí)作出有效調(diào)整，確保逆變器安全工作。

2 UPS逆變器控制策略

2.1 數(shù)字PID控制

數(shù)字PID控制技術(shù)是當(dāng)前比較成熟的控制技術(shù)之一，在UPS逆變器控制過程中得到了廣泛應(yīng)用。它的控制方式主要包括電壓瞬時(shí)值反饋和雙閉環(huán)反饋[1]。相較于傳統(tǒng)的模擬PID控制器，數(shù)字PID控制過程中融合了比例、積分以及微分三種算法，能夠克服傳統(tǒng)模擬器存在的諸多問題。數(shù)字PID控制采取的控制理論算法比較簡(jiǎn)單，工作過程中的參數(shù)易于設(shè)定，能夠適應(yīng)不同的系統(tǒng)要求，同時(shí)有利于工作人員的理解和操作，有效提高了UPS逆變器工作過程中的穩(wěn)定性。但是，數(shù)字PID控制算法也存在一定的局限性。例如，抽樣的量化誤差會(huì)對(duì)控制精度造成不利影響，且具有一定程度的時(shí)間滯后問題。因此，在實(shí)際工作過程中，為了盡可能將誤差控制在合理范圍，確保PID具有良好的控制性能，經(jīng)常會(huì)將PID技術(shù)與其他類型的控制技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而起到協(xié)同控制的目的。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路原理示意圖

2.2 重復(fù)控制

重復(fù)控制技術(shù)是從實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)展而來的控制理論，理論基礎(chǔ)建立在內(nèi)?？刂圃碇?。通過將重復(fù)控制方式有效運(yùn)用于UPS逆變器控制過程中，能夠有效消除逆變器工作過程中出現(xiàn)的非線性負(fù)載，進(jìn)而確保UPS逆變器的安全平穩(wěn)工作。重復(fù)控制對(duì)逆變器的靜態(tài)性能具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過采取有效的重復(fù)控制措施，能夠?qū)⒅芷谛愿蓴_引起的穩(wěn)態(tài)誤差控制在合理范圍內(nèi)，確保輸出波形的精度符合要求[2]。實(shí)際工作過程中，延遲因子難以避免，導(dǎo)致重復(fù)控制器單獨(dú)工作時(shí)的控制效果非常有限。因此，它需要與其他的控制理論進(jìn)行有效配合，為UPS逆變器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

2.3 無差拍控制

相較于傳統(tǒng)的PID控制方式，無差拍控制的最大優(yōu)勢(shì)在于所有的控制算法都是以指令化的語句實(shí)現(xiàn)的。無差拍控制對(duì)系統(tǒng)輸出的反饋信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)推算，不需要借助模擬信號(hào)發(fā)生器，能夠計(jì)算出監(jiān)控目標(biāo)下一個(gè)周期的緊缺數(shù)學(xué)模型，為UPS逆變器控制過程向數(shù)字化轉(zhuǎn)換提供了良好基礎(chǔ)[3]。無差拍控制系統(tǒng)在工作過程中所輸出的電壓波形質(zhì)量較高，畸形波較少，總諧波產(chǎn)生的畸變率較低。同時(shí)，由于無差拍控制算法能夠在一拍進(jìn)行的過程中進(jìn)行有效計(jì)算和輸出，因此該種類型的控制系統(tǒng)具有非?？斓姆磻?yīng)速度。但是，無差拍控制也存在一定的局限性，如直流電壓的利用率較低，當(dāng)拍計(jì)算和當(dāng)拍輸出會(huì)給系統(tǒng)造成不小的負(fù)荷，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)致輸出信號(hào)發(fā)生不同程度的震蕩[4]。

2.4 智能控制

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能控制技術(shù)也被有效運(yùn)用到了UPS逆變器控制系統(tǒng)中。當(dāng)前，應(yīng)用廣泛的智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是由人腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)展而來的一種先進(jìn)控制方式，具有非常強(qiáng)的綜合處理能力，能夠?qū)Ａ啃畔⑦M(jìn)行系統(tǒng)全面的有效分析。同時(shí)，對(duì)于比較復(fù)雜的問題，該系統(tǒng)還能通過不斷地更新、升級(jí)，提高系統(tǒng)的問題處理能力，能夠?qū)Ω嗟膹?fù)雜問題進(jìn)行有效控制和處理[5]。模糊控制主要是指通過對(duì)人腦的思維方式進(jìn)行科學(xué)合理模擬，不建立非常精確的控制模型，能夠大大降低建模的難度，確保UPS逆變器始終處于良好的工作狀態(tài)，為電力用戶提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。雖然模糊控制器具有響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，但是也存在穩(wěn)態(tài)特性不理想的局限性，影響了模糊控制器在UPS逆變器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，在實(shí)際使用過程中，可以將這兩種智能控制技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，共同應(yīng)用于UPS逆變器控制系統(tǒng)[6]。

3 結(jié) 論

隨著電力用戶對(duì)用電質(zhì)量要求的不斷提高，需要進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)UPS供電系統(tǒng)。實(shí)際的供電過程中，UPS會(huì)受到外界各種不良因素的影響[6]，因此需要結(jié)合電力用戶的實(shí)際需求，采取有針對(duì)性的逆變器控制策略，確保UPS的安全平穩(wěn)工作，從而為電力用戶提供可靠的電能供應(yīng)。