考虑数字控制延时的UPS逆变系统控制器设计
2022年电子技术应用第11期
饶 刚，王国锐
1.武汉科技大学 机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北 武汉430081； 2.武汉科技大学 武汉科技大学精密制造研究院，湖北 武汉430081
摘要： 为了对不间断电源(UPS)逆变控制系统进行精确设计，分析了数字控制延时对逆变控制系统性能的影响，并提出考虑延时环节的逆变系统控制器设计方法。首先，基于状态空间平均法建立逆变系统的数学模型，分析了控制延时环节对系统稳定性的影响；然后，针对单相220 V/50 Hz的逆变系统将数字化PID双环控制技术应用其中，得到一种参数易于整定的单相UPS逆变控制算法，采用广义Z变换理论来描述数字控制延时环节，改进控制系统的模型，给出了考虑延时环节的数字PID控制器参数的修正设计方法；最后，通过MATLAB/Simulink仿真和实验进行了验证。结果表明，在考虑控制延时下，采用数字PID双环控制的单相UPS逆变控制系统的输出电压稳压精度小于1%，THD(谐波失真)小于2%，负载端突变时系统恢复常态的时间约为1.2 ms，可以有效提升逆变系统输出的稳态性能和动态响应性能。
中图分类号： TP273
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212483
中文引用格式： 饶刚，王国锐. 考虑数字控制延时的UPS逆变系统控制器设计[J].电子技术应用，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.
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212483
中文引用格式： 饶刚，王国锐. 考虑数字控制延时的UPS逆变系统控制器设计[J].电子技术应用，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
随着当今社会进入互联网时代，计算机普及，以及信息化产业迅速发展，对电力供电设备提出了越来越高的要求[1-3]。不间断电源(Uninterruptible Power Supply，UPS)作为一种保证计算机服务器、交换机等用电设备安全运行的电源装置，行业应用标准越来越高[4-5]。逆变器及其控制系统作为UPS的核心部分，必须具备输出高质量电压波形的能力[6]。从技术发展趋势来看，要获得具有优越的稳态精度、快速响应以及抗干扰能力的高性能UPS，离不开优良的数字控制技术[7-9]，而逆变控制系统采用数字控制技术具有的特有问题之一是由采样、计算、PWM调制等过程产生的延时环节对控制系统的稳定性能和动态性能造成的负面影响。文献[10]、[11]采用数字控制方法来改进逆变系统的控制性能，但并未考虑数字延时带来的影响；文献[12]考虑了数字延时带来的影响，并通过控制方法来消除延时的影响，但是却增加了系统的复杂性；文献[13]分析了数字控制延时产生的原因，但并没有在考虑延时的情况下对系统控制参数进行设计。
本文详细内容请下载：https://www.chinaaet.com/resource/share/2000005014。
作者信息：
饶 刚，王国锐
(1.武汉科技大学 机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北 武汉430081；
2.武汉科技大学 武汉科技大学精密制造研究院，湖北 武汉430081)
此内容为AET网站原创，未经授权禁止转载。