CN104836430A - 一种应用于双向变换器的电压、电流双环控制的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于双向变换器的电压、电流双环控制的优化方法，通过限制电压环及电流环误差幅值，有效防止误差累计导致的输出参考电流及输出占空比参数不当所引发的系统失稳现象。该方法实施简单，便于实现，对系统稳定性有较大改善。

Description

一种应用于双向变换器的电压、电流双环控制的优化方法

技术领域

本发明涉及双向变换器的控制，尤其涉及一种应用于双向变换器的电压、电流双环控制的优化方法。

背景技术

近年来,开关型功率调节器已发展成轻型、高效的直流电源。在各种类型的DC-DC开关变换器中，PWM型DC-DC变换器结构种类多、发展快、技术领先、便于实现，构成了最大的一类。

传统单电压环控制仅对输出电压采样，作为反馈信号实现闭环控制。其特点是控制简单，易于实现。但瞬态过程中，输出电压幅值波动较大，易造成系统不稳定。状态空间平均法，较好地解决了PWM型DC/DC变换器的稳态和动态低频小信号的分析问题。

状态空间平均模型和动态低频小信号模型是精确性和实用性的良好折衷，因此基于其原理的控制方法如双环控制获得了极大的发展。如图1所示，包括变换器和双环变换器，双环控制在电压环的基础上增加了电流内环，跟踪电压外环的指令，使输出电流稳定，从而提高系统整体的动态响应性能。是目前应用最广泛的变换器控制方法。

但是在两台或多台变换器并联系统实验中，发现当恒流工作的变换器接入时，由于占空比本身对电压调节能力有限，电压环所采输出电压无法完美跟踪指令电压，导致电压环误差累计，且该误差累计无法通过占空比调节消除，使系统出现严重不稳定即失控现象，进而导致系统不稳定，甚至出现双向变换器反向工作而引起直流母线电压崩溃。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于双向变换器的电压、电流双环控制的优化方法，能有效防止误差累计导致的输出参考电流超出规定范围及输出占空比不当所引发的系统失稳现象。

本发明采用下述技术方案：

一种应用于双向变换器的电压、电流双环控制的优化方法，包括以下几个步骤：

A，分别通过电压外环对系统输出电压采样，电流内环对变换器电感电流采样；并记电压环误差积分项是x₁(t)，电流环误差积分项为x₂(t)；

$\frac{{\mathrm{dx}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=v_{\mathrm{ref}}-v_{\mathrm{bus}}\left(t\right)---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{dx}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=i_{\mathrm{ref}}-i_g\left(t\right)---\left(2\right)$

B，通过实际系统电流保护最大值，计算电压环误差积分的最大、最小值，从而对电压环的误差积分环节进行限定：

在保证变换器稳定性的前提下，由于PI控制的作用，输出电压v_out(t)很接近输出参考电压V_ref，就可以把电压环误差的比例项K_vp(v_ref-v_bus(t))忽略，则通过以下公式

i_ref(t)＝K_vp(v_ref-v_bus(t))+K_vix₁(t)    (3)

得到电压环误差的积分项函数，

$x_1\left(t\right)=\frac{i_{\mathrm{ref}}\left(t\right)}{K_{\mathrm{vi}}}---\left(4\right)$

其中电压环比例系数K_vp，电压环积分系数K_vi；由于系统允许的电感电流的最大和最小值已知，则可以分别得到电压环误差的积分项的上、下限：x₁(t)_min、x₁(t)_max；

C，通过占空比上、下限，计算电流环误差积分的上、下限，对电流环误差积分限幅：

由于PI控制的作用，电感电流i_g(t)很接近电流参考i_ref(t)，就可以把电流环误差的比例项K_ip(i_ref(t)-i_g(t))忽略，因为电流环的积分系数K_ii此前已设计好，通过以下公式

d(t)＝K_ip(i_ref(t)-i_g(t))+K_iix₂(t)    (5)

中电流环比例系数K_ip，电流环积分系数K_ii；得到电流环误差的积分项函数，

$x_2\left(t\right)=\frac{d\left(t\right)}{K_{\mathrm{ii}}}---\left(6\right)$

其中由于占空比d(t)的最大和最小值已知，则可以分别得到电流环误差的积分项的上、下限：x₂(t)_min、x₂(t)_max；

D，分别通过电压环误差的积分项的上、下限：x₁(t)_min、x₁(t)_max和电流环误差的积分项的上、下限：x₂(t)_min、x₂(t)_max对电感电流和占空比进行限幅，避免出现电感电流超出允许范围以及占空比超出规定范围，保持系统稳定。

上述步骤B中，通过对电压环误差积分项的最小值进行限制，保证电流参考信号i_ref大于零，防止双向变换器电流反向，避免电感电流反向可能导致的直流母线电压崩溃的现象。

本发明通过在电压环环节根据确定的电压环PI控制参数及实际电流保护上限，算出电压环误差积分项上限，对电压环误差积分项实施限幅。同时保证电流参考信号大于零，防止双向变换器电流反向所导致的电压崩溃；在电流环环节根据占空比上下限，计算电流环误差积分项上下限，予以限幅；从而有效防止误差累计导致的输出参考电流及输出占空比参数不当所引发的系统失稳现象。

附图说明

图1为两台变换器并联系统结构图；

图2为单向变换器恒流控制框图，

图3为双向变换器传统双环控制框图；

图4为本发明所述双环控制框图；

附图符号说明：i_ref1—单向变换器参考电流；i_g1—单向变换器采样电流；K_p—单向变换器电流环比例系数；K_i—单向变换器电流环积分系数；i_ref—双向变换器参考电流；i_g—双向变换器采样电流；v_bus—负载侧输出电压；v_ref—电压环参考值；K_vp—双向变换器电压环比例系数；K_vi—双向变换器电压环积分系数；K_ip—双向变换器电流环比例系数；K_ii—双向变换器电流环积分系数；R_L—负载，上述下标均用于区分，并非变量。

具体实施方式

如图1所示，应用于双向变换器的电压、电流双环控制的优化方法，通过PI调节器的限幅对电压电流环积分环节予以限幅，从而保证了系统的稳定性。系统由两台DC/DC变换器并联构成，其中一台为单向buck变换器，作为新能源电池接口，以单电流闭环控制方法保持为恒流工作模式，其控制框图如图2所示；另一台为双向变换器，可实现功率双向流动。

传统的双环控制控制框图如图3所示：变换器的输出电压v_bus与给定值电压基准值v_ref相比较，经过电压调节器将电压误差放大，生成基准电流i_ref(t)，与双向采样电流i_g比较后，经过电流调节器放大生成控制信号，作用于脉宽调制电路(图中OWN脉冲发生器)，形成占空比d(t)可变的脉冲信号作用于开关管上。

本发明提出的改进型双环控制框图如图4所示：电压环环节需根据确定的电压环PI控制参数及实际电流保护上限，算出电压环误差积分项上限，对电压环实施限幅。同时保证电流参考信号大于零，防止双向变换器电流反向所导致的电压崩溃。电流环环节根据占空比上下限，计算电流环误差积分项上下限，予以限幅。具体如下：

一种应用于双向变换器的电压、电流双环控制的优化方法，包括以下几个步骤：

A，分别通过电压外环对系统输出电压采样，电流内环对变换器电感电流采样；并记电压环误差积分项是x₁(t)，电流环误差积分项为x₂(t)；

$\frac{{\mathrm{dx}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=v_{\mathrm{ref}}-v_{\mathrm{bus}}\left(t\right)---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{dx}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=i_{\mathrm{ref}}-i_g\left(t\right)---\left(2\right)$

B，通过实际系统电流保护最大值，计算电压环误差积分的最大、最小值，从而对电压环的误差积分环节进行限定：

在保证变换器稳定性的前提下，由于PI控制的作用，输出电压v_out(t)很接近输出参考电压V_ref，就可以把电压环误差的比例项K_vp(v_ref-v_bus(t))忽略，则通过以下公式i_ref(t)＝K_vp(v_ref-v_bus(t))+K_vix₁(t)    (3)

得到电压环误差的积分项函数，

其中电压环比例系数K_vp，电压环积分系数K_vi；由于电压环的积分系数K_vi的最大和最小值已知，则可以分别得到电压环误差的积分项的上、下限：x₁(t)_min、x₁(t)_max；

C，通过占空比上、下限，计算电流环误差积分的上、下限，对电流环误差积分限幅：

由于PI控制的作用，电感电流i_g(t)很接近电流参考i_ref(t)，就可以把电流环误差的比例项K_ip(i_ref(t)-i_g(t))忽略，因为电流环的积分系数K_ii此前已设计好，通过以下公式

d(t)＝K_ip(i_ref(t)-i_g(t))+K_iix₂(t)    (5)

其中K_ip为电流环比例系数，K_ii为电流环积分系数；得到电流环误差的积分项函数

$x_2\left(t\right)=\frac{d\left(t\right)}{K_{\mathrm{ii}}}---\left(6\right)$

其中由于占空比d(t)的最大和最小值已知，则可以分别得到电流环误差的积分项的上、下限：x₂(t)_min、x₂(t)_max；

D，分别通过电压环误差的积分项的上、下限：x₁(t)_min、x₁(t)_max和电流环误差的积分项的上、下限：x₂(t)_min、x₂(t)_max对电感电流和占空比进行限幅，避免出现电感电流超出允许范围以及占空比超出规定范围，保持系统稳定。

上述步骤中，可以通过对电压环误差积分项的最小值进行限制，保证电流参考信号i_ref大于零，可以防止双向变换器电流反向，避免电感电流反向可能导致的直流母线电压崩溃的现象。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

引入改进型双环控制方法，限制电压环及电流环误差积分项幅值，可有效防止因误差累计引起电流参考值过大过小甚至反向所造成的系统不稳定现象及占空比输出范围不合理所引起的振荡现象。由于电压环误差积分项受限，实际当中的电流参考就会受限在规定的范围内，避免因故障或其他原因导致电压环积分项累积过大或过小，使电流参考超出安全范围。而电流环输出的是占空比，实际系统中，占空比就会有一个上下限，同理，将误差的比例项忽略，也可以反推电流环误差积分项的上下限，对电流环误差积分项进行限幅，就能保证系统故障时，电流环误差积分项不会累积得过大或过小。这样，当系统恢复正常，不会因为电流环误差积分项过大或过小而使调整时间很长，也能保证电流环输出的占空比值在规定的范围内。

Claims (2)

1.一种应用于双向变换器的电压、电流双环控制的优化方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

A，分别通过电压外环对系统输出电压采样，电流内环对变换器电感电流采样；并记电压环误差积分项是x₁(t)，电流环误差积分项为x₂(t)；

$\frac{{\mathrm{dx}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=v_{\mathrm{ref}}-v_{\mathrm{bus}}\left(t\right)---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{dx}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=i_{\mathrm{ref}}\left(t\right)-i_g\left(t\right)---\left(2\right)$

B，通过实际系统电流保护最大值，计算电压环误差积分的最大、最小值，从而对电压环的误差积分环节进行限定：

在保证变换器稳定性的前提下，由于PI控制的作用，输出电压v_out(t)很接近输出参考电压V_ref，就可以把电压环误差的比例项K_vp(v_ref-v_bus(t))忽略，则通过以下公式

i_ref(t)＝K_vp(v_ref-v_bus(t))+K_vix₁(t)   (3)

得到电压环误差的积分项函数，

$x_1\left(t\right)=\frac{i_{\mathrm{ref}}\left(t\right)}{K_{\mathrm{vi}}}---\left(4\right)$

其中电压环比例系数K_vp，电压环积分系数K_vi；由于系统允许的电感电流的最大和最小值已知，则可以分别得到电压环误差的积分项的上、下限：x₁(t)_min、x₁(t)_max；

C，通过占空比上、下限，计算电流环误差积分的上、下限，对电流环误差积分限幅：

由于PI控制的作用，电感电流i_g(t)很接近电流参考i_ref(t)，就可以把电流环误差的比例项K_ip(i_ref(t)-i_g(t))忽略，因为电流环的积分系数K_ii此前已设计好，通过以下公式

d(t)＝K_ip(i_ref(t)-i_g(t))+K_iix₂(t)   (5)

中电流环比例系数K_ip，电流环积分系数K_ii；得到电流环误差的积分项函数，

$x_2\left(t\right)=\frac{d\left(t\right)}{K_{\mathrm{ii}}}---\left(6\right)$

其中由于占空比d(t)的最大和最小值已知，则可以分别得到电流环误差的积分项的上、下限：x₂(t)_min、x₂(t)_max；

D，分别通过电压环误差的积分项的上、下限：x₁(t)_min、x₁(t)_max和电流环误差的积分项的上、下限：x₂(t)_min、x₂(t)_max对电感电流和占空比进行限幅，避免出现电感电流超出允许范围以及占空比超出规定范围，保持系统稳定。

2.权利要求1所述应用于双向变换器的改进型双环控制方法，其特征在于：步骤B中通过对电压环误差积分项的最小值进行限制，保证电流参考信号i_ref大于零，防止双向变换器电流反向，避免电感电流反向可能导致的直流母线电压崩溃的现象。