CN109245533A - 一种应用于直流变换器的电压控制方法 - Google Patents

一种应用于直流变换器的电压控制方法 Download PDF

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Abstract

一种应用于直流变换器的电压控制方法，包括输出电压异常判断、输出电压前馈控制和电压电流双闭环控制三个环节。输出电压异常判断环节判断输出电压是否正常；输出电压前馈控制环节在输出电压异常时对输出电压进行前馈控制，在输出电压正常时通过带滞环输入的稳态自衰减PID控制器将输出衰减到零；电压电流双闭环控制环节中的电压外环基于输出电压正常信号的条件PID控制器实现，在输出电压异常且输出电压前馈控制环节输出与电流环输出趋势矛盾时，条件PID控制器强制电压外环输出向特定方向改变一特定值。输出电压前馈控制和电压电流双闭环控制结果相加后与三角波比较生成PWM信号，控制斩波电路，降低负载突变引起的直流电压变化幅值。

Description

一种应用于直流变换器的电压控制方法
技术领域
本发明涉及一种应用于直流变换器的电压控制方法。
背景技术
随着新能源、新材料、信息技术和电力电子技术的长足发展和广泛应用，用户对用电需求、电能质量及供电可靠性等要求不断提高。直流配电网在输送容量、可控性及提高供电质量等方面具有相对交流配电网更好的性能。直流配电网逐渐开始应用于楼宇配电、船舶电力等场合。
在直流配电网中，不可避免的存在电动机类冲击型负载、计算机类电压敏感型负载。电压调整率是衡量直流配电网电能质量的重要指标，也就是说直流配电网必须能为负载提供较为稳定的电压，基于DC-DC电路的直流变换器(简称直流变换器)是影响电压调整率的关键设备。为了提高直流配电网的电能质量，必须优化直流变换器控制，在冲击型负载投入切出时尽可能降低直流电压的波动幅值，以保证电压敏感型负载的稳定运行。
目前，对直流变换器的控制一般分为电压单闭环和电压电流双闭环两种方法，其中电压单闭环控制方法可以降低负载突变时直流电压的波动幅值，但不具备过电流控制能力；而电压电流双闭环控制方法可以有效控制过电流，但在负载突变时直流电压波动幅值较大。
专利“CN201711391558直流变换器及其方法”通过逻辑控制和比较电路产生置位信号的方式改善暂态响应，但不具备有效抑制过电流能力；专利“CN201810185773一种直流升压变换器控制方法”结合电动车行驶状态评估路况，并根据预设的路况策略控制直流升压变换器的工作状态，实现降低直流升压变换器的功率消耗的目的，但未考虑直流变换器的暂态响应。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种应用于直流变换器的电压控制方法。
应用在直流配电网的直流变换器通常包含主电路和控制单元两部分，其中主电路一般基于DC-DC斩波电路实现，分为非隔离型和高频变压器隔离型两种形式，斩波电路由IGBT或MOSFET等全控型电力电子器件构成。本发明电压控制方法由直流变换器的控制单元实现，控制单元采集斩波实时电流Iack和输出电压Uack，通过控制全控型电力电子器件的快速开通关断实现输出电压的优化控制。
本发明电压控制方法包含输出电压异常判断、输出电压前馈控制、电压电流双闭环控制三个环节，其中电压电流双闭环控制由电压外环和电流内环组成，输出电压前馈控制环节中设置稳态自衰减PID控制器，电压电流双闭环控制环节中设置条件PID控制器。
所述的输出电压异常判断环节判断输出电压是否正常，并输出电压正常信号SUok；所述的输出电压前馈控制环节根据输出电压正常信号SUok进行前馈控制，在输出电压正常时，稳态自衰减PID控制器将输出衰减到零；所述的电压电流双闭环控制环节中的电压外环根据输出电压正常信号SUok通过条件PID控制器进行控制，在输出电压正常信号SUok为0，且输出电压前馈控制环节输出与电流环输出趋势矛盾时，条件PID控制器强制电压外环输出向特定方向改变特定值IHys。输出电压前馈控制和电压电流双闭环控制结果相加后与三角波比较，生成PWM信号，控制斩波电路，降低负载突变引起的直流电压变化幅值。正常运行期间直流变换器的性能主要取决于电压电流双闭环控制环节，在负载突变等因素引起的输出电压暂态期间，输出电压前馈控制环节起作用，减小输出电压的波动范围。
输出电压异常判断环节中设置输出电压超范围计数器CNTUerr，实时监测输出参考电压Uref与输出电压Uack差值Uerr的绝对值|Uerr|，当两者的差值绝对值|Uerr|大于电压控制阈值UerrMax时，输出电压超范围计数器CNTUerr加1，否则输出电压超范围计数器CNTUerr减1，输出电压超范围计数器CNTUerr的计数范围是0到CNTMax。计数过程中，当输出电压超范围计数器CNTUerr大于CNTMax时，使CNTUerr等于CNTMax；当输出电压超范围计数器CNTUerr小于0时，使CNTUerr等于0。在输出电压异常判断环节中设置输出电压超范围计数判定阈值CNT1，并且CNT1小于CNTMax。当输出电压超范围计数器CNTUerr小于输出电压超范围计数判定阈值CNT1时，认为输出电压Uack正常，输出电压正常信号SUok为1，当输出电压超范围计数器CNTUerr大于输出电压超范围计数判定阈值CNT1时，认为输出电压Uack异常，输出电压正常信号SUok为0。
对于输出电压前馈控制环节，当输出电压Uack正常(对应SUok为1)时，输入Uerr1为输出参考电压Uref与输出电压Uack的差值Uerr；当输出电压异常Uack(对应SUok为0)时，输入Uerr1为0。输出电压前馈控制环节的输入Uerr1经环宽为UerrHys的滞环后进入稳态自衰减PID控制器。当输出电压前馈控制环节的输入Uerr1绝对值小于滞环环宽UerrHys时，稳态自衰减PID控制器进入稳态自衰减模式，自衰减系数为K。当输出电压前馈控制环节的输入Uerr1绝对值大于滞环环宽UerrHys时，稳态自衰减PID控制器正常调节。稳态自衰减PID控制器的输出为斩波前馈控制电压Uctrlfor。
电压电流双闭环控制环节由电压外环和电流内环构成。电压外环的输入为输出参考电压Uref与输出电压Uack的差值Uerr，经过条件PID控制器后输出斩波参考电流Iref，斩波参考电流Iref为电流内环的输入。在电流内环中，斩波参考电流Iref与斩波实际电流Iack做减法运算后进入PI控制器，电流内环PI控制器的输出为斩波控制电压UctrlM。
与电压外环的条件PID控制器，受输出电压异常判断环节输出的输出电压正常信号SUok的条件控制，具体执行过程为：当输出电压正常信号SUok为1时，如果输出电压前馈控制环节的输出Uctrlfor大于前馈电压阈值UclforMax，并且斩波控制电压UctrlM在减小，或者输出电压前馈控制环节的输出Uctrlfor小于负的前馈电压阈值-UclforMax且斩波控制电压UctrlM在增大时，启动电压外环条件PID控制器的条件控制。对于电压外环条件PID控制器的条件控制，如果电压外环输出的斩波参考电流Iref大于斩波实际电流Iack加上允许的斩波电流环宽IHys，则强制斩波参考电流Iref减去允许的斩波电流环宽IHys；如果电压外环输出的斩波参考电流Iref小于斩波实际电流Iack减去允许的斩波电流环宽IHys，则强制斩波参考电流Iref加上允许的斩波电流环宽IHys。
斩波前馈控制电压Uctrlfor加上斩波控制电压UctrlM得到斩波总控制电压UctrlT。斩波总控制电压UctrlT与三角波比较产生PWM信号，控制斩波电路中的电力电子器件开通与关断，实现输出电压Uack的优化控制。
本发明的优点在于，通过优化电压控制使负载突变时直流变换器的输出电压更加平稳，有效避免电压敏感负载工作异常。在负载突变导致的输出电压调整暂态过程中，能够充分利用直流变换器的电流能力，具有电压单闭环控制方法降低输出电压波动幅值的优点，同时具有电压电流双闭环控制方法有效控制电流的优点，避免直流变换器出现过电流风险。
附图说明
图1两种常用的直流变换器实现方式，图1a为非隔离型直流变换器，图1b为高频变压器隔离型直流变换器；
图2直流变换器优化电压控制方法。
具体实施方法
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
应用本发明的直流变换器如图1所示，分为图1a所示的非隔离型变换器和图1b所示的高频变压器隔离型变换器两种形式。相比图1a所示的非隔离型变换器，图1b所示的高频变压器隔离型变换器增加了高频变压器和整流电路，更适合应用在高变压比的场合。本发明电压控制方法均适用于图1a和图1b所示直流变换器的两种结构，在这两种结构直流变换器的控制单元中实现。控制单元的输入为输出电压Uack和斩波实时电流Iack，输出为PWM信号，PWM信号用于控制图1a或图1b中的斩波电路。
本发明应用于直流变换器的电压控制方法包含输出电压异常判断、输出电压前馈控制、电压电流双闭环控制三个环节，其中电压电流双闭环控制环节由电压外环和电流内环组成；输出电压异常判断环节判断输出电压是否正常并输出电压正常信号SUok；输出电压前馈控制环节根据输出电压正常信号SUok对输出电压进行前馈控制，在输出电压正常信号SUok为1时，通过自衰减PID控制器将输出衰减到零；电压电流双闭环控制环节中的电压外环根据输出电压正常信号SUok通过条件PID控制器进行控制，在输出电压正常信号SUok为0，且输出电压前馈控制环节输出与电流环输出趋势矛盾时，条件PID控制器强制电压外环输出向特定方向改变特定值IHys。输出电压前馈控制和电压电流双闭环控制结果相加后与三角波比较生成PWM信号，控制斩波电路，降低负载突变引起的直流电压变化幅值。如图2所示，具体如下：
步骤1：输出参考电压Uref减去输出电压Uack，得到参考电压与输出电压的电压差值Uerr，如图2中100所示。
步骤2：输出电压异常判断环节对步骤1输出的电压差值Uerr求绝对值，得到|Uerr|，如图2中110；当绝对值|Uerr|大于电压控制阈值UerrMax时，输出电压超范围计数器CNTUerr加1，否则输出电压超范围计数器CNTUerr减1，如图2中111、112、113。输出电压超范围计数器CNTUerr的计数范围是0到CNTMax，计数过程中，当输出电压超范围计数器CNTUerr大于CNTMax时，使CNTUerr等于CNTMax，当输出电压超范围计数器CNTUerr小于0时，使CNTUerr等于0，如图2中114。在输出电压异常判断环节中设置输出电压超范围计数判定阈值CNT1，并且CNT1小于CNTMax，当输出电压超范围计数器CNTUerr小于输出电压超范围计数判定阈值CNT1时，认为输出电压Uack正常，输出电压正常信号SUok为1，当输出电压超范围计数器CNTUerr大于输出电压超范围计数判定阈值CNT1时，认为输出电压Uack异常，输出电压正常信号SUok为0，如图2中115、116、117。
步骤3：输出电压前馈控制环节中，当步骤2输出的输出电压正常信号SUok为1时，输出电压前馈控制环节的输入Uerr1为输出参考电压Uref与输出电压Uack的差值Uerr；当SUok为0时，输入Uerr1等于0，如图2中120。输出电压前馈控制环节的输入Uerr1经环宽为UerrHys的滞环后进入稳态自衰减PID控制器，如图2中121、122。当输出电压前馈控制环节的输入Uerr1绝对值小于滞环环宽UerrHys时，稳态自衰减PID控制器进入稳态自衰减模式，自衰减系数为K；当输出电压前馈控制环节的输入Uerr1绝对值大于滞环环宽UerrHys时，稳态自衰减PID控制器正常调节，如图2中122。稳态自衰减PID控制器的输出为斩波前馈控制电压Uctrlfor，如图2中123。
步骤4：电压电流双闭环控制环节中，电压外环的输入为输出参考电压Uref与输出电压Uack的差值Uerr，经过条件PID控制器后输出斩波参考电流Iref，斩波参考电流Iref为电流内环的输入，如图2中130。
步骤5：步骤2输出的输出电压正常信号SUok对步骤4中的条件PID控制器进行条件控制。当输出电压正常信号Uack等于1时，如果步骤3中输出电压前馈控制环节的输出Uctrlfor大于前馈电压阈值UclforMax并且斩波控制电压UctrlM在减小，或者步骤3中输出电压前馈控制环节的输出Uctrlfor小于负的前馈电压阈值-UclforMax并且斩波控制电压UctrlM在增大时，起动条件PID控制器的条件控制，如图2中131、132、133。具体到条件PID控制器的条件控制，如果步骤4中电压外环输出的斩波参考电流Iref大于斩波实际电流Iack加上允许的斩波电流环宽IHys，则强制斩波参考电流Iref减去允许的斩波电流环宽IHys，如图2中134；如果电压外环输出的斩波参考电流Iref小于斩波实际电流Iack减去允许的斩波电流环宽IHys，则强制斩波参考电流Iref加上允许的斩波电流环宽IHys，如图2中135。
步骤6：步骤4输出的斩波参考电流Iref进入电流内环。在电流内环中，斩波参考电流Iref与斩波实际电流Iack做减法运算后进入PI控制器，如图2中140、141，电流内环PI控制器的输出为斩波控制电压UctrlM，如图2中142。
步骤7：步骤3输出的斩波前馈控制电压Uctrlfor与步骤6输出的斩波控制电压UctrlM相加，得到斩波总控制电压UctrlT，如图2中150；斩波总控制电压UctrlT与三角波比较产生PWM信号，如图2中151，PWM信号控制斩波电路中的电力电子器件开通与关断，实现输出电压Uack的优化控制，如图2中152。

Claims (4)

1.一种应用于直流变换器的电压控制方法，其特征在于：所述的控制方法包含输出电压异常判断、输出电压前馈控制和电压电流双闭环控制三个环节，其中电压电流双闭环控制环节由电压外环和电压内环构成；输出电压异常判断环节判断输出电压是否正常，并输出电压正常信号SUok；输出电压前馈控制环节根据输出电压正常信号SUok对输出电压进行前馈控制，在输出电压正常时，稳态自衰减PID控制器将输出衰减到零；电压电流双闭环控制环节中的电压外环根据输出电压正常信号SUok，通过条件PID控制器进行控制，在输出电压正常信号SUok为0，且输出电压前馈控制环节的输出与电流环输出趋势矛盾时，条件PID控制器强制电压外环输出向特定方向改变特定值IHys；输出电压前馈控制和电压电流双闭环控制结果相加后与三角波比较，生成PWM信号，控制斩波电路，降低负载突变引起的直流电压变化幅值。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的输出电压前馈控制环节为：当输出电压正常信号SUok为1时，输出电压前馈控制环节的输入Uerr1为输出参考电压Uref与输出电压Uack的差值Uerr；当输出电压正常信号SUok为0时，输入Uerr1为0；输出电压前馈控制环节的输入Uerr1经环宽为UerrHys的滞环后进入稳态自衰减PID控制器；当输出电压前馈控制环节的输入Uerr1绝对值小于滞环环宽UerrHys时，稳态自衰减PID控制器进入稳态自衰减模式，自衰减系数为K；当输出电压前馈控制环节的输入Uerr1绝对值大于滞环环宽UerrHys时，稳态自衰减PID控制器正常调节；稳态自衰减PID控制器的输出为斩波前馈控制电压Uctrlfor。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：电压电流双闭环控制环节节为：
(1)电压电流双闭环控制环节包含电压外环和电流内环；电压外环的输入为输出参考电压Uref与输出电压Uack的差值Uerr，经过条件PID控制器后输出斩波参考电流Iref，斩波参考电流Iref为电流内环的输入；
(2)输出电压正常信号SUok对条件PID控制器进行条件控制；当输出电压正常信号Uack为1时，如果电压前馈控制环节的输出Uctrlfor大于前馈电压阈值UclforMax，并且斩波控制电压UctrlM在减小，或者电压前馈控制环节的输出Uctrlfor小于负的前馈电压阈值-UclforMax，并且斩波控制电压UctrlM在增大时，启动条件PID控制器的条件控制；
(3)条件PID控制器的条件控制中，如果电压外环输出的斩波参考电流Iref大于斩波实际电流Iack加上允许的斩波电流环宽IHys，则强制斩波参考电流Iref减去允许的斩波电流环宽IHys；如果电压外环输出的斩波参考电流Iref小于斩波实际电流Iack减去允许的斩波电流环宽IHys，则强制斩波参考电流Iref加上允许的斩波电流环宽IHys；
(4)在电流内环中，斩波参考电流Iref与斩波实际电流Iack做减法运算后进入PI控制器，电流内环PI控制器的输出为斩波控制电压UctrlM。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的输出电压前馈环节根据输出电压异常判断环节输出的电压正常信号SUok，通过稳态自衰减PID控制器进行控制；所述的电压电流双闭环控制环节根据输出电压异常判断环节输出的电压正常信号SUok，通过条件PID控制器进行控制，并且输出电压前馈控制环节输出的斩波前馈控制电压Uctrlfor与电压电流双闭环控制环节输出的斩波控制电压UctrlM相加，得到斩波总控制电压UctrlT；斩波总控制电压UctrlT与三角波比较产生PWM信号，PWM信号控制斩波电路中的电力电子器件开通与关断，实现输出电压Uack的优化控制。
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