一种单相UPS系统的事件触发输出反馈控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域中的控制领域，具体涉及一种单相UPS系统的事件触发输出反馈控制方法。

背景技术

随着信息化技术和工业自动化的快速发展，UPS系统作为一种电源保护设备的重要性也日益提升，对UPS系统性能的要求也越来越高。在针对单相UPS系统的研究中，利用滑模控制、重复控制和边界控制等技术所设计的控制策略都依赖于系统的连续状态或输出信息。UPS系统即不间断电源系统(Uninterruptible power supply systems)，是一种集静态开关、整流器、储能装置(多为蓄电池组)和逆变器于一体的电力电子设备，具有稳压、滤波和不间断等三大基本功能。当市电输入正常时，UPS系统对蓄电池进行充电，并将市电稳压后供给负载；当市电输入异常或中断时，UPS系统将蓄电池中的直流电能通过逆变器转换成交流电输出，保证负载正常工作；当UPS系统故障或过载时，市电将通过旁路开关直接输出到负载，保证供电的不间断。近年来，UPS系统的重要性随着信息和工业技术的发展而日益提升，已经在信息安全、交通、航空航天、医疗、工业控制、军事等领域中被广泛应用。用于信息设备的UPS系统作为计算机信息系统、通讯系统、数据网络中心等的重要外设，能够为计算机等设备提供高质量的电源，并且在市电发生电涌或突然断电时继续为关键负载提供电力；用于工业动力供给的UPS系统属于高端的不间断电源系统，涉及大功率(可达到兆瓦级)的能量变换，能够保证工业自动化动力供给的可靠性。

随着UPS系统被广泛应用，如何设计一种有效的控制策略以保证UPS系统能够输出稳定且持续的电能，是一个重要且具有挑战性的研究课题。近年来，基于脉宽调制、重复控制、滑模控制、边界控制和H_∞控制等多种控制技术，针对单相UPS系统的总谐波失真、输出电压响应和稳定性等问题的研究已经取得很大进展。此外，由于计算机控制技术的发展，基于离散信号的控制策略受到了广泛关注。这种控制策略既能够直接应用到数字平台中，又能够在很大程度上减少通讯资源。本发明主要基于输出调节理论和事件触发控制技术解决了单相UPS系统的输出电压实用跟踪问题，并对相应的控制算法进行了验证。

基于谐波下垂控制和功率下垂控制方法降低了输出电压畸变和抑制了逆变器间谐波环流(CN201310172040)。基于移相技术合成三相虚拟电压和虚拟电流，并利用PI控制和PWM控制方法使得单相逆变器具备同步发电机特性(CN201310730811)。它们的控制方法都是基于连续时间信号的，无法直接在数字平台上应用，难以满足数字控制技术的发展需求。

发明内容

本发明基于事件触发控制技术对单相UPS系统的输出电压实用跟踪问题进行研究。基于输出调节理论和事件触发机制，设计能够直接在数字平台上执行的事件触发输出反馈控制律，从而实现对单相UPS系统的输出电压的实用跟踪控制，同时该控制律保证输出电压的跟踪误差能够收敛到原点的任意小的指定邻域。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种单相UPS系统的事件触发输出反馈控制方法，包括以下步骤：

步骤1、基于单相UPS逆变器的基本电路，构建单相UPS系统的动力学模型；

步骤2、基于输出调节理论和事件触发机制，构建能够直接在数字平台上执行的事件触发输出反馈控制器；

步骤3、运用李雅普诺夫方法证明闭环系统的稳定性，并确保输出电压的跟踪误差能够收敛到原点的任意小的指定邻域；

步骤4、通过MATLAB仿真证明相应事件触发输出反馈控制器的有效性。

进一步地，单相UPS逆变器的数学描述如下：

其中r、L、C、u、v

假设参考输出电压v

v

S

其中V

v

其中v

进一步地，定义负载电压和电感电流：

x

其中x

e＝C

其中

c

其中r、L、C分别表示滤波电阻、滤波电感、滤波电容；S

进一步地，调节器方程为：

XS＝AX+BU+E

0＝C

其中S表示相应的系统矩阵；根据输出调节理论，得到连续的输出反馈控制律：

u

以解决单相UPS系统的输出调节问题，其中u

K＝[K

选取反馈增益矩阵K

进一步地，事件触发输出反馈控制律为：

u(t)＝Kz(t

其中t∈[t

u(t)＝kz(t

其中

进一步地，设

x

其中t∈[t

根据UPS系统的动态方程式(5)和事件触发输出反馈控制律式(10)，闭环系统具有以下形式：

e＝C

C

X

0＝C

增广系统的动态方程为：

其中

由于A

进一步地，选取李雅普诺夫函数

α

其中α

考虑如下形式的事件触发机制：

其中t∈[t

进一步地，根据李雅普诺夫函数

将事件触发机制式(18)应用到式(19)中，得

由式(20)，得到

由式(12)、式(21)以及

于是有

根据式(16)和式(23)得到输出电压跟踪误差e(t)满足

进一步地，事件触发输出反馈控制律是完全基于离散时间信号的并能够直接在数字平台上执行。

进一步地，单相UPS系统的输出电压跟踪误差能够收敛到通过γ调节的任意小的指定邻域中。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：本发明运用输出调节理论，设计了基于离散时间信号的事件触发输出反馈控制控制律，解决了单相UPS系统的输出电压跟踪控制问题，保证了输出电压的跟踪误差能够收敛到原点的任意小的指定邻域，并且控制律可以直接在数字平台上执行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例单相UPS系统的原理图和控制框架；

图2是实施例外部参考输出电压和干扰电流曲线图；

图3是实施例单相UPS系统的状态曲线图；

图4是实施例观测器的状态曲线图；

图5是实施例单相UPS系统的输出电压跟踪误差曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本实施例提供的一种单相UPS系统的事件触发输出反馈控制方法，解决了单相UPS系统的输出电压实用跟踪问题，包括以下步骤：

步骤1、基于单相UPS逆变器的基本电路，构建单相UPS系统的动力学模型；

步骤2、基于输出调节理论和事件触发机制，设计能够直接在数字平台上执行的事件触发输出反馈控制器；

步骤3、运用李雅普诺夫方法证明闭环系统的稳定性，并确保输出电压的跟踪误差能够收敛到原点的任意小的指定邻域；

步骤4、通过MATLAB仿真证明该事件触发输出反馈控制器的有效性。

作为一种实施例，步骤1、根据图1，得到单相UPS逆变器的数学描述如下：

其中r、L、C、u、v

假设参考输出电压v

v

S

v

定义

x

其中x

则UPS系统的动态方程可以表示如下：

e＝C

其中

C

这里输出电压跟踪误差信号e是可测量的。

步骤2、由式(2)中S的定义可知，S的所有特征值都是半单的，且实部为零，故v(t)的轨迹是有界的。根据式(6)容易验证，矩阵对(A,B)是可镇定的，矩阵对

XS＝AX+BU+E

0＝C

存在唯一的解(X,U)，其中X、U是一些常数矩阵，表示调节器方程的解。因此，根据输出调节理论，可以设计一种连续的输出反馈控制律

u

来解决单相UPS系统的输出调节问题，其中u

K＝[K

选取反馈增益矩阵K

基于上述结论，进一步考虑一种事件触发输出反馈控制律

u(t)＝Kz(t

其中

u(t)＝Kz(t

其中

步骤3、设

x

其中t∈[t

根据UPS系统的动态方程式(5)和事件触发输出反馈控制律式(10)，闭环系统具有以下形式：

e＝C

其中A

C

进一步，得到闭环系统的调节器方程为：

X

0＝C

和增广系统的动态方程为：

由于A

α

其中

考虑如下形式的事件触发机制：

其中t∈[t

接下来，将从理论上证明本发明提出的技术方案的有效性。

根据李雅普诺夫函数

将事件触发机制式(18)应用到式(19)中，可得

由式(20)，可得到

由式(12)、式(21)以及

那么，有

因此，根据式(16)和式(23)可以得到输出电压跟踪误差e(t)满足

根据式(17)中ε的定义和式(24)可知，输出电压的跟踪误差能够收敛到一个可以通过γ调节的任意小的指定邻域中。

步骤4、在这一步中，将通过MATLAB仿真验证本发明提出的事件触发输出反馈控制器的有效性。

作为一种优选的实施例，选取单相UPS系统的参数为：幅值

根据所选取的参数，得到仿真结果如图2-图5所示。图2表示外部参考输出电压曲线和干扰电流曲线，图3表示单相UPS系统的状态曲线，图4表示观测器四条不同的状态曲线，图5表示单相UPS系统的输出电压跟踪误差曲线。根据图5可以看到，单相UPS系统的输出电压跟踪误差能够收敛到原点的一个可由γ调节的任意小的指定邻域中，并且γ越大，输出电压的稳态跟踪误差越小。这一仿真结果说明，本发明的事件触发输出反馈控制器能够有效解决单相UPS系统的输出电压实用跟踪问题。

以上是本发明的内容，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案范围时，均属于本发明的保护范围。