CN110149067A - 逆变器系统的pi分区控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种逆变器系统的PI分区控制方法，包括：对逆变器系统的工作状态进行分区划分，当逆变器系统工作时，判断当前逆变器系统的工作状态，根据逆变器系统当前的工作状态，选择对应的PI参数组对逆变器系统进行控制。本发明根据预定的判断机制，将系统直流侧和交流侧的PI控制分区进行：软启动区间、大加载区间、大减载区间、平稳工作区间，分别对应不同的PI参数组；每个参数组包含不同的比例系数Kp、积分系数Ki、PWM占空比饱和限幅值Lim，使系统在空载、轻载、重载、满载等不同工况间突变时，都能保持最佳状态，既有快速响应又能安全稳态输出。

Description

逆变器系统的PI分区控制方法
技术领域
本发明涉及新能源及电力电子技术领域，特别是一种逆变器系统的PI分区控制方法。
背景技术
逆变器是实现直流到交流的逆变装置，常见的逆变器控制方法有PI(比例积分)、PR(比例谐振)、滑膜、重复控制等。其中PI算法经典，易于实现，是当前实际应用最为普遍的方法。
逆变器系统在系统负荷变化较大时需要快速响应以便尽快恢复平稳。为了尽快减小偏差，加快响应速度，缩短调节时间，此时PI调节器中的比例系数Kp应取大、积分系数Ki取小。但这样的参数易引发过冲超调或周期振荡等副作用；而若选择温和些的参数，又会造成动态响应慢的问题。有时，通过工程整定和经验调整出来的一套适合满载的PI参数，一旦轻载或空载时又总是无法稳定工作。既要反应迅速，又要稳定可靠，单套控制参数往往无法兼顾多种工况，只能折中选择一套相对适合的参数，这是逆变器系统控制参数在整定过程中很难把控的技术难题。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种逆变器系统的PI分区控制方法，根据预定的判断机制，将系统直流侧和交流侧的PI控制分区进行：软启动区间、大加载区间、大减载区间、平稳工作区间，分别对应不同的PI参数组；每个参数组包含不同的比例系数Kp、积分系数Ki、PWM占空比饱和限幅值Lim，使系统在空载、轻载、重载、满载等不同工况间突变时，都能保持最佳状态，既有快速响应又能安全稳态输出。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种逆变器系统的PI分区控制方法，包括：
对逆变器系统的工作状态进行分区划分，当逆变器系统工作时，判断当前逆变器系统的工作状态，根据逆变器系统当前的工作状态，选择对应的PI参数组对逆变器系统进行控制。
作为一种优选的实施方式，逆变器系统分区划分后的工作状态包括软启动区间、平稳工作区间、大减载区间和大加载区间。
作为另一种优选的实施方式，判断当前逆变器系统的工作状态具体包括以下步骤：
步骤一、逆变器系统在完成初始化及阈值参数设置后，进入软启动阶段，根据周期采样获取当前阶段的直流侧输入电流值Iin_cur、母线电压值Vb_cur，交流侧输出负载电压值和电流值以及通过半周期均方根计算得到的交流侧有效电压值vac_rms_cur、有效电流值iac_rms_cur；
步骤二、软启动阶段采用与软启动区间对应的软启动PI参数组对逆变器系统进行PI控制，结合当前采样值完成直流侧DC-DC双环PI控制和交流侧DC-AC双环或三环的PI调节；具体的，软启动区间PI参数具有相对适中的比例参数Kp、相对较大的积分参数Ki、相对较小的PWM占空比饱和限幅值Lim，以达到在启动过程中兼顾尽量小的冲击电流和尽量快的启动速度的目的。
步骤三、软启动结束后进入非启动阶段，将Vb_cur、vac_rms_cur、iac_rms_cur赋值给Vb_last、vac_rms_last、iac_rms_last，经采样和计算获得新的当前值Vb_cur、vac_rms_cur、iac_rms_cur；
步骤四、比较Vb_cur和Vb_last的大小，iac_rms_cur和iac_rms_last的大小，计算|Vb_cur-Vb_last|、|iac_rms_cur-iac_rms_last|，并依此判断逆变器系统中负载的变化情况，根据负载的变化情况判断逆变器系统是处于平稳工作区间、大减载区间还是大加载区间，并选择对应的PI参数组对逆变器系统进行控制。
作为另一种优选的实施方式，步骤四中，判断逆变器系统是处于平稳工作区间、大减载区间还是大加载区间具体如下：
若Vb_cur等于Vb_last，或者iac_rms_cur等于iac_rms_last持续超过N1次，或者|Vb_cur-Vb_last|小于母线电压变化阈值△Vb_Th1持续超过N1次，或者|iac_rms_cur-iac_rms_last|小于电流有效值变化阈值△iac_rms_Th1持续超过N1次，则判断逆变器系统处于平稳工作区间，此时依照平稳工作区间PI参数组完成DC-DC及DC-AC的PI调节；具体的，平稳工作区间PI参数具有相对适中的比例参数Kp、相对适中的积分参数Ki和相对适中的PWM占空比饱和限幅值Lim，能够加快系统对小偏差或干扰的灵敏度，获得最优的动态及稳态性能，系统稍有波动时能保持母线电压和交流输出的快速回稳；
若Vb_cur大于Vb_last，且|Vb_cur-Vb_last|大于母线电压变化阈值△Vb_Th2持续超过N2次；或者iac_rms_cur小于iac_rms_last，且|iac_rms_cur-iac_rms_last|大于电流有效值变化阈值△iac_rms_Th2持续超过N2次，则判断逆变器系统处于从大负载(重载或满载)切至小负载(轻载或空载)的大减载区间，此时依照大减载区间PI参数组完成DC-DC双环及DC-AC三环的PI调节；具体的，大减载区间PI参数可选取相对较低的比例参数Kp、相对较小的积分参数Ki、相对较小的PWM占空比饱和限幅值Lim，以达到尽可能减少母线电压上升幅度的目的，从而避免过压、过流等故障发生，减轻负载突变对功率器件造成的冲击，提高系统恢复稳定输出的速度；
若Vb_cur小于Vb_last，且|Vb_cur-Vb_last|大于母线电压变化阈值△Vb_Th2持续超过N2次；或者iac_rms_cur大于iac_rms_last，且|iac_rms_cur-iac_rms_last|大于电流有效值变化阈值△iac_rms_Th2持续超过N2次，则判断逆变器系统处于从小负载(轻载或空载)切至大负载(重载或满载)的大加载区间，此时依照大加载区间PI参数组完成DC-DC及DC-AC的PI调节；具体的，大加载区间PI参数可选取相对较高的比例参数Kp、相对较小的积分参数Ki、相对较大的PWM占空比饱和限幅值Lim，以达到尽可能减少母线电压下降幅度的目的，从而避免欠压、过载等故障发生，减轻对功率器件的冲击，提高系统恢复稳定输出的速度。
需要说明的是，N1、N2的取值可结合系统实际结合动态和静态指标需求来确定；每个区间的参数组也可以不参照惯常的大小安排，而是根据实际灵活调整比例系数、积分系数、PWM占空比饱和限幅值的大小。
本发明的有益效果是：
本发明解决了单一PI控制器参数无法兼容多种工况的问题，运用预先设定的判断机制，将逆变器的PI控制过程分为四个不同区间：软启动区间、大加载区间、大减载区间、平稳工作区间，分别对应不同的PI参数组，每个参数组包含不同的比例系数、积分系数、PWM占空比饱和限幅值，可适应空载、轻载、重载、满载之间的切换突变，使系统针对不同的工况切换都能达到快速的动态响应和稳定的稳态输出，而在平稳工作时对干扰又能有足够的灵敏度，且控制方法易于实现，不增加硬件成本。
附图说明
图1为本发明实施例的控制流程图；
图2为本发明实施例的各PI分区下的直流母线电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例：
一种逆变器系统的PI分区控制方法，包括：对逆变器系统的工作状态进行分区划分，当逆变器系统工作时，判断当前逆变器系统的工作状态，根据逆变器系统当前的工作状态，选择对应的PI参数组对逆变器系统进行控制。
具体的，如图1所示，本实施例针对某款3KW的离网型逆变器，额定输出为220V、50HZ正弦波，主控芯片采用某品牌32bit微控器，逆变器系统的PI分区控制方法包括以下步骤：
1、逆变器系统在完成初始化及阈值参数设置后，进入软启动阶段，根据周期采样获取当前直流侧输入电流值Iin_cur、母线电压值Vb_cur，交流侧输出负载电压值和电流值及通过半周期均方根计算得到的交流电压有效值vac_rms_cur、交流电流有效值iac_rms_cur；
2、采用与软启动分区对应的PI参数组，结合当前采样值完成PI调节，以达到在启动过程中兼顾尽量小的冲击电流和尽量快的启动速度的目的。软启动区间的PI参数组如表1所示：
表1：软启动区间的PI参数组
3、软启动结束后进入非启动阶段，将Vb_cur、vac_rms_cur、iac_rms_cur赋值给Vb_last、vac_rms_last、iac_rms_last，经采样和计算获得新的当前值Vb_cur、vac_rms_cur、iac_rms_cur。此时采用平稳工作区间的PI参数组结合采样值完成PI调节，以达到对小偏差或干扰的灵敏度，获得最优的动态及稳态性能，系统稍有波动时能保持母线电压和交流输出的快速回稳的效果。平稳工作区间的PI参数组如表2所示：
表2：平稳工作区间的PI参数组
4、比较Vb_cur和Vb_last的大小，iac_rms_cur和iac_rms_last的大小，计算|Vb_cur-Vb_last|、|iac_rms_cur-iac_rms_last|，并依此判断负载变化情况；
5、Vb_cur小于Vb_last，且|Vb_cur-Vb_last|大于15V持续超过8次，判断系统处于从小负载(轻载或空载)切至大负载(重载或满载)的大加载区间，此时依照大加载区间参数组完成该阶段DC-DC双环及DC-AC三环的PI调节，以达到尽可能减少母线电压下降幅度的目的，从而避免欠压、过载等故障发生，减轻对功率器件的冲击，提高系统恢复稳定输出的速度。大加载区间的PI参数组如表3所示：
表3：大加载区间的PI参数组
6、重复采样、故障判断等工作，由新采样值经计算后进行分区判断：由于Vb_cur等于Vb_last持续超过10次，判断为系统处于平稳工作阶段，此时依照平稳工作区间参数组完成DC-DC及DC-AC的PI调节；
7、重复采样、故障判断等工作，由新采样值经计算后进行分区判断：由于Vb_cur大于Vb_last，且|Vb_cur-Vb_last|大于15V持续超过8次，判断为系统处于从大负载(重载或满载)切至小负载(轻载或空载)的大减载阶段，此时依照大减载区间的PI参数组完成该阶段DC-DC双环及DC-AC三环的PI调节。大减载区间的PI参数组如表4所示：
表4：大减载区间的PI参数组
8、重复采样、故障判断等工作，实现该离网逆变器的分区PI控制，各PI分区下的直流母线电压波形图如图2所示。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种逆变器系统的PI分区控制方法，其特征在于，包括：
对逆变器系统的工作状态进行分区划分，当逆变器系统工作时，判断当前逆变器系统的工作状态，根据逆变器系统当前的工作状态，选择对应的PI参数组对逆变器系统进行控制。
2.根据权利要求1所述的PI分区控制方法，其特征在于，逆变器系统分区划分后的工作状态包括软启动区间、平稳工作区间、大减载区间和大加载区间。
3.根据权利要求2所述的逆变器系统的PI分区控制方法，其特征在于，判断当前逆变器系统的工作状态具体包括以下步骤：
步骤一、逆变器系统在完成初始化及阈值参数设置后，进入软启动阶段，根据周期采样获取当前阶段的直流侧输入电流值Iin_cur、母线电压值Vb_cur，交流侧输出负载电压值和电流值以及通过半周期均方根计算得到的交流侧有效电压值vac_rms_cur、有效电流值iac_rms_cur；
步骤二、软启动阶段采用与软启动区间对应的软启动PI参数组对逆变器系统进行PI控制，结合当前采样值完成直流侧DC-DC双环PI控制和交流侧DC-AC双环或三环的PI调节；
步骤三、软启动结束后进入非启动阶段，将Vb_cur、vac_rms_cur、iac_rms_cur赋值给Vb_last、vac_rms_last、iac_rms_last，经采样和计算获得新的当前值Vb_cur、vac_rms_cur、iac_rms_cur；
步骤四、比较Vb_cur和Vb_last的大小，iac_rms_cur和iac_rms_last的大小，计算|Vb_cur-Vb_last|、|iac_rms_cur-iac_rms_last|，并依此判断逆变器系统中负载的变化情况，根据负载的变化情况判断逆变器系统是处于平稳工作区间、大减载区间还是大加载区间，并选择对应的PI参数组对逆变器系统进行控制。
4.根据权利要求3所述的逆变器系统的PI分区控制方法，其特征在于，步骤四中，判断逆变器系统是处于平稳工作区间、大减载区间还是大加载区间具体如下：
若Vb_cur等于Vb_last，或者iac_rms_cur等于iac_rms_last持续超过N1次，或者|Vb_cur-Vb_last|小于母线电压变化阈值△Vb_Th1持续超过N1次，或者|iac_rms_cur-iac_rms_last|小于电流有效值变化阈值△iac_rms_Th1持续超过N1次，则判断逆变器系统处于平稳工作区间，此时依照平稳工作区间PI参数组完成DC-DC及DC-AC的PI调节；
若Vb_cur大于Vb_last，且|Vb_cur-Vb_last|大于母线电压变化阈值△Vb_Th2持续超过N2次；或者iac_rms_cur小于iac_rms_last，且|iac_rms_cur-iac_rms_last|大于电流有效值变化阈值△iac_rms_Th2持续超过N2次，则判断逆变器系统处于大减载区间，此时依照大减载区间PI参数组完成DC-DC双环及DC-AC三环的PI调节；
若Vb_cur小于Vb_last，且|Vb_cur-Vb_last|大于母线电压变化阈值△Vb_Th2持续超过N2次；或者iac_rms_cur大于iac_rms_last，且|iac_rms_cur-iac_rms_last|大于电流有效值变化阈值△iac_rms_Th2持续超过N2次，则判断逆变器系统处于大加载区间，此时依照大加载区间PI参数组完成DC-DC及DC-AC的PI调节。
5.根据权利要求1或4所述的逆变器系统的PI分区控制方法，其特征在于，所述的PI参数组中的参数包括比例系数Kp、积分系数Ki和PWM占空比饱和限幅值Lim。
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