基于自抗擾的不間斷電源逆變器電壓控制器設(shè)計(jì)

王紀(jì)君，王曉龍，杜 凱，巨永鋒

(長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

0 引言

能源是我們賴以生存的必要物質(zhì)。在當(dāng)今時(shí)代，沒有能源作為物質(zhì)基礎(chǔ)，人類社會(huì)的發(fā)展就會(huì)停滯不前[1]。18世紀(jì)60年代，人類開始進(jìn)入工業(yè)革命時(shí)代，能源問題就已經(jīng)開始存在了。隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源短缺的問題已經(jīng)上升到國(guó)際性問題，并在全球范圍內(nèi)引起了人類對(duì)該問題的重視[2]。另外，在人類享受著能源無(wú)節(jié)制消費(fèi)帶來(lái)的種種好處的同時(shí)，環(huán)境惡化的問題也逐漸走進(jìn)人們的視野?；茉吹娜紵a(chǎn)生了大量的CO2，破壞了人類生存的大氣層，造成全球升溫、冰川融化等問題。在能源枯竭與環(huán)境污染的雙重制約下，對(duì)新能源的開發(fā)與利用就成為了全球各國(guó)研究的重要方向[3-4]。

文獻(xiàn)[5-6]分析了逆變器的并網(wǎng)控制，確定了在獨(dú)立工作模式下的瞬時(shí)電壓控制策略和并網(wǎng)工作模式下的瞬時(shí)電流控制策略，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)分析。文獻(xiàn)[7]研究了并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的組成及其控制方式，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，分析了幾種常見的控制策略及其控制效果。文獻(xiàn)[8]研究了自抗擾控制算法的基礎(chǔ)理論，并將其應(yīng)用在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上。文獻(xiàn)[9]研究了線性化的自抗擾控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上采用雙閉環(huán)控制并完成了對(duì)并網(wǎng)控制的仿真驗(yàn)證。

本文提出了基于自抗擾控制的不間斷電源逆變器電壓控制器控制策略。自抗擾控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)都具有很好的抗干擾作用，且具有很好地穩(wěn)定性與快速性。

1 不間斷電源系統(tǒng)模型分析

圖1為不間斷電源逆變結(jié)構(gòu)圖。由不間斷電源供電，經(jīng)過功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)得到校正后的電能，然后通過逆變電路逆變成符合要求的交流電，該交流電通過LC濾波電路，濾除高次諧波，將電能傳送至負(fù)載側(cè)。不間斷電源逆變器電壓控制器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 不間斷電源逆變結(jié)構(gòu)圖Fig.1 UPS inverter structure

圖2 不間斷電源逆變器電壓控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 UPS inverter voltage controller structure

2 線性自抗擾控制原理

自抗擾控制器(auto/active disturbances rejection controller，ADRC)是由韓京清教授提出，并得以發(fā)展的一種非線性控制算法。該控制器可分為跟蹤微分器、非線性狀態(tài)誤差反饋率、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器3個(gè)模塊。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[10-11]。

圖3 ADRC結(jié)構(gòu)圖Fig.3 ADRC structure

設(shè)有二階系統(tǒng):

(1)

式中：u為輸入值；y為輸出值；μ為外部擾動(dòng)；b為控制增益；a1、a2為系統(tǒng)控制參數(shù)。a1、a2、b為未知量，且有b0≈b。

(2)

建立線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(line extended state observer, LESO):

(3)

(4)

(5)

設(shè)計(jì)跟蹤微分器(tracking differentiator, TD)如下:

u0=kp(v-z1)-kdz2

(6)

式中:v為給定信號(hào)；kp、kd為控制器增益。

3 線性自抗擾控制的不間斷電源逆變器電壓控制器應(yīng)用分析

本文的研究重點(diǎn)就是將線性自抗擾控制器應(yīng)用于不間斷電源逆變器電壓控制器。主要目的是在線性自抗擾的控制下，改善不間斷電源逆變器電壓控制器產(chǎn)生出來(lái)的電能質(zhì)量，提高其抗干擾能力。在本文中，旨在使輸出電壓能夠快速跟蹤參考電壓，做到頻率相同、相位相同、幅值相同。

圖4 不間斷電源逆變器電壓控制器控制電路圖Fig.4 UPS inverter voltage controller control circuit diagram

圖4為基于線性自抗擾控制(linear auto distur-bance rejection controller, LADRC)的不間斷電源逆變器電壓控制器控制電路圖。圖中：Ud代表不間斷電源，在該電壓的右側(cè)并聯(lián)一個(gè)大電容Cd，該部分相當(dāng)于電壓源，構(gòu)成電壓型逆變器的直流部分。將直流母線上的電能作為全橋逆變器的輸入，經(jīng)過DC/AC變換形成符合要求的交流電，再經(jīng)過LC濾波電路，改善電能質(zhì)量后輸送給最右端的負(fù)載側(cè)。將自抗擾控制器的輸入電壓為參考電壓，要求在電容C兩端的電壓能夠跟隨參考電壓Uref，在自抗擾控制器中，使非線性誤差環(huán)節(jié)的輸出作為脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)的輸入波，采用PWM控制技術(shù)來(lái)決定逆變器中V1、V2、V3、V4的導(dǎo)通與關(guān)斷。于是就可以在逆變器的輸出端，得到與參考電壓Uref頻率、相位、幅值均相同的交流電。

4 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)不間斷電源的工作過程，按圖4搭建模型，進(jìn)行Simulink仿真[12]。在本次模型搭建中，考慮到二階非線性自抗擾需要調(diào)節(jié)的參數(shù)過多，故采用參數(shù)化了的二階線性自抗擾控制，通過調(diào)節(jié)kp、kd、b、β1、β2、β3最終達(dá)到控制的目的。

圖5 不間斷電源逆變器電壓控制器仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of UPS inverter voltage controller

圖5為不間斷電源逆變器電壓控制器仿真結(jié)果。給定參考輸入信號(hào)為311 V的正弦信號(hào)，在控制的初始時(shí)刻，波形發(fā)生畸變，但系統(tǒng)能在0.02 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，結(jié)果表明：二階線性自抗擾控制的控制結(jié)果滿足要求。圖6為加干擾的不間斷電源逆變器電壓控制器仿真結(jié)果，表示的是在0.1 s的時(shí)刻在圖5的基礎(chǔ)上，改變電路中輸出側(cè)電感值，即改變控制對(duì)象，可以發(fā)現(xiàn)：在0.1 s這個(gè)時(shí)刻，輸出波形依舊能夠完美地跟蹤參考輸入信號(hào)。從仿真結(jié)果可得出：自抗擾控制對(duì)干擾具有很好的克服作用。

圖6 加干擾的不間斷電源逆變器電壓控制器仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of UPS inverter voltage controller with interference

5 結(jié)論

本文立足于不間斷電源逆變器電壓控制器，對(duì)該過程中的干擾進(jìn)行抑制，采取的措施是利用自抗擾控制技術(shù)來(lái)抑制內(nèi)擾和外擾對(duì)該系統(tǒng)的影響，采用Matlab軟件的Simulink仿真搭建相應(yīng)的模型，進(jìn)行參數(shù)整定及結(jié)果分析。研究結(jié)果表明，當(dāng)不間斷電源逆變器電壓控制器中濾波電路中出現(xiàn)干擾時(shí)，通過自抗擾控制技術(shù)選擇合適的參數(shù)能夠有效地抑制未知干擾。