船用三相UPS逆變器的控制設(shè)計(jì)

李 霏，黃振華，唐 然，王樹仁

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431）

0 引言

船舶電力系統(tǒng)對(duì)于船舶安全穩(wěn)定航行、船員正常工作生活至關(guān)重要。UPS作為不間斷供電的重要保障設(shè)備，對(duì)其性能要求也越來越高，特別作為遠(yuǎn)洋航天測量船舶，由于裝設(shè)有測量控制等特裝設(shè)備，因此對(duì)于船舶電力安全、穩(wěn)定、高品質(zhì)保障更有著嚴(yán)苛的要求。本文采用的雙閉環(huán)PI控制策略，可以提高輸出電壓、電流的靜態(tài)精度，使動(dòng)態(tài)過程時(shí)間縮短、總諧波失真小，可以滿足特裝和正常設(shè)備的用電需求。

1 三相UPS橋式逆變器結(jié)構(gòu)與控制目標(biāo)

逆變器控制主要由兩部分構(gòu)成：調(diào)制和反饋控制，要求輸出電壓和電流的靜態(tài)精度高，動(dòng)態(tài)過程時(shí)間短和總諧波失真率（THD）小。

1.1 調(diào)制

對(duì)于實(shí)際的UPS系統(tǒng)而言，供電質(zhì)量是所有指標(biāo)中最核心的一個(gè)。采用SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)，能夠使輸出的脈沖波按照正弦規(guī)律變化，減小總諧波失真率，而且高次諧波很容易被濾除，下面就對(duì)基于 SPWM 調(diào)制的三相逆變系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行介紹。

在采樣控制理論中，沖量（即窄脈沖的面積）相同而形狀不同的脈沖加在慣性環(huán)節(jié)（如低通濾波器）上時(shí)，它們的效果基本相同。效果相同指的是環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)的波形基本相同。如果用傅氏變換對(duì)其輸出波形進(jìn)行分析，其低頻特性基本相同，高頻段略有差別。以上是PWM控制技術(shù)的理論依據(jù)，也稱之為面積等效原理。

SPWM 調(diào)制原理是將正弦波被等效成了一系列幅度相同、寬度不同的脈沖序列。在實(shí)際應(yīng)用中，常用將正弦波與三角波進(jìn)行比較的方法產(chǎn)生SPWM波。把正弦波作為調(diào)制信號(hào)，把等腰三角波作為載波，通過對(duì)載波的調(diào)制得到SPWM波形。由于等腰三角波的上下寬度和高度呈線性關(guān)系并且左右對(duì)稱，當(dāng)它與正弦曲線相交時(shí)，就得到了一組幅度相等、寬度正比于正弦波幅值的矩形脈沖，這就是SPWM波形。

1.2 控制

按照UPS的輸出質(zhì)量要求，要使輸出電壓、電流的誤差小，必須采用閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。大功率的UPS一般具有較強(qiáng)的抗干擾性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，則控制電路必須使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。下面就從數(shù)學(xué)模型入手，推導(dǎo)逆變器的控制結(jié)構(gòu)。

2 三相橋式逆變器雙閉環(huán)PI控制策略的提出

2.1 采用雙環(huán)控制的必要性

UPS電源的應(yīng)用場合對(duì)供電電源要求非常高，需要控制系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)功能，而傳統(tǒng)的單閉環(huán)系統(tǒng)無法充分利用系統(tǒng)的狀態(tài)信息，單閉環(huán)在抵抗負(fù)載擾動(dòng)方面與直流電機(jī)類似，只有當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)的影響最終在輸出端表現(xiàn)出來以后，才能出現(xiàn)相應(yīng)的誤差信號(hào)激勵(lì)調(diào)節(jié)器。增設(shè)一個(gè)電流環(huán)限制啟動(dòng)電流和構(gòu)成電流隨動(dòng)系統(tǒng)也可以大大加快抵御擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程。因此，可以仿效直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，在PWM逆變器的電壓環(huán)基礎(chǔ)上增加電流內(nèi)環(huán)，利用電流內(nèi)環(huán)有效抑制電流擾動(dòng)。同時(shí)，由于電流內(nèi)環(huán)的作用，電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)可以大大簡化。

2.2 雙環(huán)控制策略的提出

就三相橋式逆變電路而言，基本的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)一般有兩種：第一種是電容電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，第二種是電感電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)。如果使用第一種控制結(jié)構(gòu)，當(dāng)負(fù)載過載的情況下，電流內(nèi)環(huán)只能限制電容電流的大小，而電感電流卻得不到限制，致使逆變橋輸出過載，沒有起到保護(hù)作用，所以運(yùn)用電感電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)就既能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓恒流控制，又能對(duì)逆變器進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，更加合理。兩種結(jié)構(gòu)相比，第二種結(jié)構(gòu)更好。逆變器控制框圖如下所示。

圖1 三相逆變器雙閉環(huán)控制框圖

將三相輸出線電壓在 ABC坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化，為了簡化控制結(jié)構(gòu)，將無功分量直接設(shè)為0。將其與給定值比較后得出電流內(nèi)環(huán)的控制電壓μA。同理，三相線電流經(jīng)坐標(biāo)變換后，得出其在dq坐標(biāo)系中的d軸輸出分量，與μA比較后的出PWM脈沖生成裝置的調(diào)制波，從而控制逆變橋IGBT的占空比，從而進(jìn)行穩(wěn)壓穩(wěn)流控制，使輸出穩(wěn)定。

由于其在d軸的輸出分量為一常數(shù)，q軸的輸出分量為0，故單獨(dú)考慮d軸來進(jìn)行控制，將控制過程進(jìn)行化簡，最終得到帶PI調(diào)節(jié)器的控制關(guān)系，計(jì)算、選擇PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，可以讓輸出的動(dòng)態(tài)性能更好。

2.3 PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

根據(jù)逆變器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)進(jìn)行 PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。

1）電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

則可以得出電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)為：

又因?yàn)殡娏鳝h(huán)要求有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，因此將其設(shè)計(jì)為Ⅰ型系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算可得到：

2）電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

同上所述，可得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

而又因?yàn)殡妷和猸h(huán)要具有良好的抗擾動(dòng)性能，所以將其設(shè)計(jì)為Ⅱ型系統(tǒng)，同理可求得：

3 三相逆變電路的仿真

和蓄電池的模型仿真一樣，使用Simulink對(duì)逆變器雙閉環(huán)控制電路進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如下：

電感L=10mH；電容C=3000μF；

直流輸入U(xiǎn)dc=600V；開關(guān)頻率fs=2Khz。

3.1 系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下的仿真

1）純阻性負(fù)載系統(tǒng)仿真

先假設(shè)負(fù)載為純電阻性負(fù)載，消耗的有功功率為10kw，仿真圖如圖2和圖3所示。

圖2 逆變器主結(jié)構(gòu)圖

圖3 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

仿真后空載輸出波形如下，圖4是三相線電壓波形，圖5是三相輸出線電流波形。

圖4 三相輸出電壓波形

圖5 三相輸出電流波形

對(duì)三相輸出電壓波形進(jìn)行頻域分析，得到圖6。

圖6 輸出波形傅里葉分析圖

圖6為傅里葉分析圖，由圖可看出總諧波失真率THD=0.80%，而通常對(duì)于在線式UPS而言，一般的輸出波形失真率應(yīng)控制在 5%以內(nèi)；選擇開關(guān)頻率為2KHz，則諧波頻率分布在2KHz的倍頻附近。

2）阻感性負(fù)載系統(tǒng)仿真

又因?yàn)榇蠈?shí)際負(fù)載不可能是純阻性負(fù)載，大多數(shù)是阻感負(fù)載，并且船上的負(fù)載功率因數(shù)大約為0.8，因此可以設(shè)定無功功率為7500var，則仿真后輸出的波形如圖7所示，其FFT分析圖如圖8所示。

圖7 阻感性負(fù)載輸出波形

圖8 阻感性負(fù)載輸出電壓FFT分析圖

由圖8可以看出總諧波失真率THD=2.41%，高次諧波小，輸出穩(wěn)壓并且失真率符合要求。

3.2 系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)工況下的仿真

當(dāng)負(fù)載穩(wěn)定工作時(shí)一段時(shí)間后，突加2kw的阻性負(fù)載。 設(shè)定三相斷路器自動(dòng)合閘的時(shí)間為0.013s，輸出三相電壓波形如圖9所示。

由圖 9可以清楚的看出在大約 0.002s的時(shí)間內(nèi)，輸出值自動(dòng)穩(wěn)壓到峰值540V，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

圖9 突加負(fù)載輸出三相電壓

4 結(jié)束語

在深入分析三相逆變器主電路工作原理和逆變器ABC三相坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出采用雙閉環(huán)PI控制策略，提高UPS的供電質(zhì)量，做出了詳細(xì)的控制框圖，對(duì)控制策略和過程原理進(jìn)行了分析闡釋，并采用軟件對(duì)逆變系統(tǒng)的最終效果進(jìn)行了仿真。

同時(shí)，在研究過程中，發(fā)現(xiàn)該控制系統(tǒng)仍存在不足之處，即建立了dq控制模型后，d軸分量和q軸分量仍存在耦合，這是該系統(tǒng)可以進(jìn)一步改進(jìn)的地方，借以希望讀者能夠提出更好的改進(jìn)方案。

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