CN103280808A - 一种基于定时器的变环宽滞环电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于定时器的变环宽滞环电流控制方法及实现该方法使用的一种电路，通过存储基准环宽选择表和基准环宽实时调整表，根据实测电流偏差、实际电流与系统额定电流的关系从所存储表格中选择最佳基准环宽，在所选最佳基准环宽的基础上根据电流偏差产生PWM信号输出，控制IGBT功率管的通断。本发明所提供的控制方法具有降低开关损耗，提高电流跟踪速度和电流质量的显著优点。

Description

一种基于定时器的变环宽滞环电流控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于定时器的变环宽滞环电流控制方法，属于供电技术领域。

背景技术

在传统电力电子领域中，电流跟踪控制技术发挥着重要的作用，尤其是对于实时性要求较高的系统。这是由于电流跟踪控制技术自身具有响应速度快，控制精度高，适应性强的特点，更为重要的一点就是这种直接电流跟踪控制技术属于ping-pang控制，响应速度比较快，这些都为它的大范围使用奠定了基础，受到了广泛的应用。

常用的电流跟踪方式主要有三角波比较方式和滞环比较方式两种。三角波比较方式开关频率固定，可以实现无静差跟踪，但是由于定频控制，所以会造成跟踪误差较大，输出波形出现特定频率的谐波。滞环比较方式不需要提供载波，因而输出波形不会出现特定频率的谐波分量的问题，跟随误差较小，跟踪精度相对较高，响应速度明显提高，有较强的适应性，易于实现，因此滞环控制常用于对控制速度和精度要求高的场合，如有源电力滤波器等。

电流滞环控制是一种基于瞬时值反馈的控制技术，其基本运行方式为：输出电流反馈到给定端，然后将电流反馈信号与给定输出信号进行比较，这样就可以得到一个误差信号，此处设置一个规定大小滞环环宽，当误差信号超过环宽上限时，就产生一个控制信号，驱动相应的IGBT管动作；当误差信号处于环宽范围内时，IGBT管持续上一状态。这样的控制方式就可以使得输出电流始终跟踪给定的参考信号（维持在一定的误差范围之内），且响应速度快。其中滞环环宽的设定对电流跟踪控制性能和开关的频率有较大的影响。

现行的滞环电流控制方法通常采用不定频滞环控制和定时比较滞环控制方式。不定频滞环控制如图1所示，通过双环控制实现电流跟踪。外环为电压环，生成指令电流值，内环为电流环，完成对指令电流的跟踪。优点是：算法简单，动态响应快。不足之处在于：由于滞环宽度固定，功率器件开关频率随着电流瞬时值的变化在变化，这就给输出滤波器的设计带来困难，滤波器参数只能按照最低谐波频率来设计，必然引起输出电能质量的降低。

定时比较滞环电流控制如图2所示，其实现方式为，每隔一个定时器周期，滞环比较器将反馈电流与给定输出电流比较，当反馈值超过上限时，就产生一个控制信号，驱动相应的IGBT管动作，使得反馈值减小到滞环允许范围之内。如此反复输出控制驱动信号，以达到跟踪电流的目的。当滞环环宽较大时，此时的开关频率较低，对开关器件的要求不高，但是跟随误差会随之增大；反之，当滞环环宽较小时，虽然跟随误差减小显著，但是与此同时固定的滞环宽度可能使开关频率过高，在情况严重时甚至会超出开关器件允许的最高工作频率而使之损坏。此方法的优点：频率固定，易于实现滤波器设计；不足之处在于：在电压过零点以及电压达到峰值处会出现开关频率过高或持续不动作的情况，电流跟踪效果不是很理想。

发明内容

针对现有技术存在的不足，如开关频率不固定、电流跟踪效果不理想等，本发明提出了一种基于定时器的变环宽滞环电流控制方法及实现该方法的电路。根据电流大小的不同，选择不同的基准环宽，之后依据反馈电流与给定输出电流的瞬时偏差对基准环宽进行实时调整，以最大限度减少器件开关损耗，提高电能质量。

本发明提供一种基于定时器的变环宽滞环电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）获取给定指令电流I_ref，根据I_ref以及系统额定电流I_m计算得出给定参考电流X，其中，

$\frac{I_{\mathrm{ref}}}{I_m}=X---\left(A\right)$

在一个给定的系统中，系统额定电流I_m已知；如果系统工作状态的给定参考电流较小时，基准环宽也应较小，以提高电流的跟踪速度；同理，当给定参考电流较大时，基准环宽也应较大，以减少系统开关损耗；

（2）根据式（A）中给定参考电流X所处的范围以及预先存储的基准环宽选择表，获取基准环宽H_x，基准环宽选择表为：

其中，H为最低基准环宽，最低基准环宽H的取值由系统所允许的最高开关频率所决定，基准环宽H_x在每个工频周期只进行一次调整；

（3）获取电网电压a相的瞬时值u_sa，根据基准环宽H_x以及预先存储的基准环宽调整表，获取最佳基准环宽H(x,y)，基准环宽实时调整表为：

其中，U_m为电网相电压峰值，ΔH为可变环宽；y表明当前电网所处的状态，当0.866U_m＜|u_sa|≤U_m时，表明当前电网电压处于峰值，当0＜|u_sa|≤0.5U_m时，表明当前电网电压过零；最佳基准环宽H(x,y)不小于最低基准环宽H；

由于基准环宽固定会造成在系统电流过零点时开关动作过于频繁，而在电网系统电流峰值时功率管开关速度又过慢的问题，因此需要对基准环宽进行实时调整。由于系统的控制目标是单位功率因数运行，系统电压电流同频同相，因此，可以通过对电网电压的判断来完成基准环宽的实时调整：在电网电压达到峰值时，此时适用于较小的环宽，需适当减小基准环宽H_x，但是不小于最低基准环宽H；在电网电压过零点时，此时适用于较大的环宽，需适当增加基准环宽H_x；其他情况下，基准环宽保持不变。

（4）将获得的最佳基准环宽H(x,y)与电流偏差信号进行滞环比较，以获得PMW信号，根据PMW信号控制IGBT功率管的通断。

本发明还提供一种实现基于定时器的变环宽滞环电流控制方法的电路，包括DSP处理器、电压互感器、电流互感器、直流电压霍尔传感器、A/D采样调理电路、过零检测电路和驱动电路；电压互感器、电流互感器、驱动电路、直流电压霍尔传感器分别与电网线路连接；A/D采样调理电路与电压互感器、电流互感器、直流电压霍尔传感器连接；过零检测电路与电压互感器、DSP处理器连接；DSP处理器与A/D采样调理电路、驱动电路连接；其中，电压互感器采集电网侧电压，电流互感器采集电网系统每相电流，直流霍尔传感器采集直流侧电容电压，并将采集到的一次侧电压、电流信号传输到A/D采样调理电路；A/D采样调理电路将收到的一次侧电压、电流信号转换成DSP处理器能够处理的信号（0-3.3v）；过零检测电路负责电压信号过零点的捕捉，将电压信号转换成脉冲信号并传输给DSP处理器，由DSP处理器完成对电网系统过零点位置的判定；DSP处理器将计算得出的最佳基准环宽与电流偏差信号做滞环比较，输出PWM信号，并由驱动电路驱动IGBT功率管的通断。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）基准环宽依据系统给定指令电流与额定电流之间的关系来获得，更符合系统的运行条件，达到了更好的控制效果。（2）在基准环宽的基础之上，根据给定指令电流和反馈电流的瞬时偏差对基准环宽作出适度调整，可以很好的避免在系统电压过零点，以及在电压峰值时造成的功率管开关速度过快或过慢的问题，减少了系统开关损耗，提高了系统电能质量。（3）所设计方法给出了有关具体环宽的选择依据，易于实现，尤其适用于整套系统的快速设定，可以通过控制面板直接完成对系统参数的更改，大大提高了系统的可操作性。

附图说明

图1为电流滞环控制示意图；

图2为定时比较滞环电流控制示意图；

图3为三相光伏并网系统框图；

图4为系统环宽判定框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的一种实施方式是基于光伏并网系统的。如图3所示为三相光伏并网系统框图，主要电路为DC-AC逆变器，把直流电逆变成所需的工频交流电，实现安全并网。实现基于定时器的变环宽滞环电流控制方法的电路，包括DSP处理器（可以使用型号为TMS320F28335的数字信号处理芯片）、电压互感器、电流互感器、直流电压霍尔传感器、A/D采样调理电路、过零检测电路和驱动电路；电压互感器、电流互感器、驱动电路、直流电压霍尔传感器分别与电网线路连接；A/D采样调理电路与电压互感器、电流互感器、直流电压霍尔传感器连接；过零检测电路与电压互感器、DSP处理器连接；DSP处理器与A/D采样调理电路、驱动电路连接；其中，电压互感器采集电网侧电压，电流互感器采集电网系统每相电流，直流霍尔传感器采集直流侧电容电压，并将采集到的一次侧电压、电流信号传输到A/D采样调理电路；A/D采样调理电路将收到的一次侧电压、电流信号转换成DSP处理器能够处理的信号（0-3.3v）；过零检测电路负责电压信号过零点的捕捉，将电压信号转换成脉冲信号并传输给DSP处理器，由DSP处理器完成对电网系统过零点位置的判定；DSP处理器将计算得出的最佳基准环宽与电流偏差信号做滞环比较，输出PWM信号，并由驱动电路驱动IGBT功率管的通断。

如图4所示为系统环宽判定框图，采样信号经过AD调理电路后输入到DSP进行处理，此处设定系统额定电流为I_m，给定指令电流为I_ref，系统采样信号电流为I_f，基准环宽为H，可变环宽为ΔH。在一个给定的系统中，系统额定电流I_m已知。本发明通过对给定指令电流与系统额定电流间的关系以及给定指令电流与反馈电流的偏差关系这两次判断，最终完成了最佳基准环宽的设置。本发明所提供的基于定时器的变环宽滞环电流控制方法具体实现如下：

1、获取基准环宽H_x

如果系统工作状态的给定参考电流较小时，基准环宽也应较小，以提高电流的跟踪速度；同理，当给定参考电流较大时，基准环宽也应较大，以减少系统开关损耗。因此，本发明根据给定指令电流与系统额定电流之间的关系来定义给定参考电流的大小。给定参考电流X与给定指令电流I_ref、系统额定电流I_m的关系为：

$\frac{I_{\mathrm{ref}}}{I_m}=X---\left(A\right)$

根据式（A）中给定参考电流X所处的范围以及预先存储的基准环宽选择表，获取基准环宽H_x，基准环宽选择表为：

其中，最低基准环宽H的具体取值根据系统所允许的最高开关频率所决定。基准环宽在每个工频周期只进行一次调整。

2.基准环宽的实时调整

由于基准环宽固定会造成在系统电流过零点时开关动作过于频繁，而在系统电流峰值时功率管开关速度又过慢的问题，因此需要对基准环宽进行实时调整。由于系统的控制目标是单位功率因数运行，系统电压电流同频同相，因此，可以通过对电网电压的判断来完成基准环宽的实时调整：（1）在电网电压达到峰值时，此时适用于较小的环宽，需适当减小基准环宽H_x，但是不小于最低基准环宽H；（2）在电网电压过零点时，此时适用于较大的环宽，需适当增加基准环宽H_x；（3）其他情况下，基准环宽保持不变。

最佳基准环宽H(x,y)具体选择如下表：

其中u_sa为电网电压a相的瞬时值，U_m为电网相电压峰值，ΔH为可变环宽；y表明当前电网所处的状态，当0.866U_m＜|u_sa|≤U_m时，表明当前电网电压处于峰值，当0＜|u_sa|≤0.5U_m时，表明当前电网电压过零；最佳基准环宽H(x,y)不小于最低基准环宽H；

3、将获得的最佳基准环宽H(x,y)与电流偏差信号进行滞环比较，以获得PMW信号，根据PMW信号控制IGBT功率管的通断。虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (2)

1.一种基于定时器的变环宽滞环电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）获取给定指令电流I_ref，根据I_ref以及系统额定电流I_m计算得出给定参考电流X，其中，

$\frac{I_{\mathrm{ref}}}{I_m}=X---\left(A\right)$

在一个给定的系统中，系统额定电流I_m已知；

（2）根据式（A）中给定参考电流X所处的范围以及预先存储的基准环宽选择表，获取基准环宽H_x，基准环宽选择表为：

其中，H为最低基准环宽，最低基准环宽H的取值由系统所允许的最高开关频率所决定，基准环宽H_x在每个工频周期只进行一次调整；

（3）获取电网电压a相的瞬时值u_sa，根据基准环宽H_x以及预先存储的基准环宽调整表，获取最佳基准环宽H(x,y)，基准环宽实时调整表为：

其中，U_m为电网相电压峰值，ΔH为可变环宽；y表明当前电网所处的状态，当0.866U_m＜|u_sa|≤U_m时，表明当前电网电压处于峰值，当0＜|u_sa|≤0.5U_m时，表明当前电网电压过零；最佳基准环宽H(x,y)不小于最低基准环宽H；

（4）将获得的最佳基准环宽H(x,y)与电流偏差信号进行滞环比较，以获得PMW信号，根据PMW信号控制IGBT功率管的通断。

2.一种实现权利要求1所述的基于定时器的变环宽滞环电流控制方法的电路，其特征在于：包括DSP处理器、电压互感器、电流互感器、直流电压霍尔传感器、A/D采样调理电路、过零检测电路和驱动电路；电压互感器、电流互感器、驱动电路、直流电压霍尔传感器分别与电网线路连接；A/D采样调理电路与电压互感器、电流互感器、直流电压霍尔传感器连接；过零检测电路与电压互感器、DSP处理器连接；DSP处理器与A/D采样调理电路、驱动电路连接；其中，电压互感器采集电网侧电压，电流互感器采集电网系统每相电流，直流霍尔传感器采集直流侧电容电压，并将采集到的一次侧电压、电流信号传输到A/D采样调理电路；A/D采样调理电路将收到的一次侧电压、电流信号转换成DSP处理器能够处理的信号；过零检测电路负责电压信号过零点的捕捉，将电压信号转换成脉冲信号并传输给DSP处理器，由DSP处理器完成对电网系统过零点位置的判定；DSP处理器将计算得出的最佳基准环宽与电流偏差信号做滞环比较，输出PWM信号，并由驱动电路驱动IGBT功率管的通断。

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