考慮數字控制延時的UPS逆變系統控制器設計
2022年電子技術應用第11期
饒 剛，王國銳
1.武漢科技大學 機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢430081； 2.武漢科技大學 武漢科技大學精密制造研究院，湖北 武漢430081
摘要： 為了對不間斷電源(UPS)逆變控制系統進行精確設計，分析了數字控制延時對逆變控制系統性能的影響，并提出考慮延時環節的逆變系統控制器設計方法。首先，基于狀態空間平均法建立逆變系統的數學模型，分析了控制延時環節對系統穩定性的影響；然后，針對單相220 V/50 Hz的逆變系統將數字化PID雙環控制技術應用其中，得到一種參數易于整定的單相UPS逆變控制算法，采用廣義Z變換理論來描述數字控制延時環節，改進控制系統的模型，給出了考慮延時環節的數字PID控制器參數的修正設計方法；最后，通過MATLAB/Simulink仿真和實驗進行了驗證。結果表明，在考慮控制延時下，采用數字PID雙環控制的單相UPS逆變控制系統的輸出電壓穩壓精度小于1%，THD(諧波失真)小于2%，負載端突變時系統恢復常態的時間約為1.2 ms，可以有效提升逆變系統輸出的穩態性能和動態響應性能。
中圖分類號： TP273
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212483
中文引用格式： 饒剛，王國銳. 考慮數字控制延時的UPS逆變系統控制器設計[J].電子技術應用，2022，48(11)：104-109.
英文引用格式： Rao Gang，Wang Guorui. Digital control time-delays affected controller design of UPS inverter[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(11)：104-109.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212483
中文引用格式： 饒剛，王國銳. 考慮數字控制延時的UPS逆變系統控制器設計[J].電子技術應用，2022，48(11)：104-109.
英文引用格式： Rao Gang，Wang Guorui. Digital control time-delays affected controller design of UPS inverter[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(11)：104-109.
Digital control time-delays affected controller design of UPS inverter
Rao Gang，Wang Guorui
1.Hubei Key Laboratory of Mechanical Transmission and Manufacturing Engineering，Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081，China； 2.Precision Manufacturing Institute，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China
Abstract： In order to accurately design control system of the uninterruptible power supply(UPS) inverter, impact of the delay induced by digital control on the inverter performances is analyzed, and the design method of the inverter system controller considering the delay link is proposed. The mathematical model of the inverter system is established based on the state space averaging method, and the influence of the control delay link on the system stability is analyzed. Aiming at the single-phase UPS inverter power supply, the digital PID double-loop control technology is applied, and a single-phase UPS inverter control algorithm with easy parameter setting is obtained. The generalized Z-transformation theory is introduced to describe the delay link of digital control, and the model of the control system is improved. The modified design method of the digital PID controller parameters considering the delay link is given. Finally, experimental verification is carried out by MATLAB/Simulink simulation and experiment. The experimental results show that the output voltage regulation accuracy of the UPS inverter control system based on the digital PID is less than 1%, and the THD(total harmonic distortion) is less than 2%. When the load end changes suddenly, the time for the system to return to normal is about 1.2 ms. The steady-state performance and dynamic response performance of the inverter system output are effectively improved.
Key words : digital control；inverter；delay；digital PI；generalized Z transform
0 引言
隨著當今社會進入互聯網時代，計算機普及，以及信息化產業迅速發展，對電力供電設備提出了越來越高的要求[1-3]。不間斷電源(Uninterruptible Power Supply，UPS)作為一種保證計算機服務器、交換機等用電設備安全運行的電源裝置，行業應用標準越來越高[4-5]。逆變器及其控制系統作為UPS的核心部分，必須具備輸出高質量電壓波形的能力[6]。從技術發展趨勢來看，要獲得具有優越的穩態精度、快速響應以及抗干擾能力的高性能UPS，離不開優良的數字控制技術[7-9]，而逆變控制系統采用數字控制技術具有的特有問題之一是由采樣、計算、PWM調制等過程產生的延時環節對控制系統的穩定性能和動態性能造成的負面影響。文獻[10]、[11]采用數字控制方法來改進逆變系統的控制性能，但并未考慮數字延時帶來的影響；文獻[12]考慮了數字延時帶來的影響，并通過控制方法來消除延時的影響，但是卻增加了系統的復雜性；文獻[13]分析了數字控制延時產生的原因，但并沒有在考慮延時的情況下對系統控制參數進行設計。
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作者信息：
饒 剛，王國銳
(1.武漢科技大學 機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢430081；
2.武漢科技大學 武漢科技大學精密制造研究院，湖北 武漢430081)
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