CN1173456C

CN1173456C - 基于负载辨识的比例积分微分控制方法及其控制的不间断电源

Info

Publication number: CN1173456C
Application number: CNB001171852A
Authority: CN
Inventors: 孙文焕; 周党生; 张云祥
Original assignee: Emerson Network Power Co Ltd
Current assignee: Vertiv Tech Co Ltd
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: CN1329390A

Abstract

一种基于负载辨识的UPS控制方法及其控制UPS，通过计算一个工频周期T内大电流采样点数Count的值并将之与参照值A比较来识别UPS负载类型，再据此调整PID比例调节器参数Kp，即非线性UPS负载，Kp取较大值；线性UPS负载，Kp取较小值。从而实现对逆变器的输出电压波形的控制，使应用这种数字控制方法控制的UPS具有成本低、可靠性高的优点。

Description

基于负载辨识的比例积分微分控制方法及其控制的不间断电源

技术领域

本发明涉及电源数字控制技术，具体涉及一种基于负载辨识的比例积分微分(以下简称PID)控制方法及其控制的不间断电源(以下简称UPS)。

背景技术

目前市场上的UPS产品，受数字控制技术的限制，其逆变部分的控制方法绝大多数采取模拟方式，分有效值调节和瞬时值调节。然而，就控制方式的发展方向来看，通常采用数字控制方法，由于数字控制方法能灵活地改善系统的静、动态性能指标，显著地增强系统的工作稳定性和可靠性，且可降低其硬件成本和生产成本，缩短产品开发周期，扩大产品优化空间。但就目前产品和文献中来看，现有的数字控制方法，采用数字化控制的UPS大多必须采用速度快、功能强的CPU芯片(如32位的数字信号处理器，简称为DSP)，以减小数字电路存在一些不可避免的时间延迟(如采样延迟、计算延迟、调制延迟等)对波形整形的影响。这样，由于硬件成本的限制，使得采用数字控制方法的直流/交流逆变器难以在实际UPS产品中得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种UPS的数字控制方法，利用这种数字控制方法的UPS，可以用较低成本的微处理器制造性能较好的逆变器，成本低、可靠性高。

本发明的另一目的在于提供一种应用上述数字控制方法的UPS，其具有成本低、可靠性高的优点。

实现本发明的目的基于这样的认识：当UPS带线性负载时，若采用PID控制器，则PID控制器的比例调节器参数Kp不能太大，否则由于微处理器的限制，输出电压波形就容易抖动；当UPS带非线性负载时，若采用PID控制器，则PID控制器的比例调节器参数Kp不能太小，否则输出电压波形的失真度就不能达标(THD＜5％)。为了使控制器能同时兼容两种负载，有必要对负载类型进行辨识。由于当UPS带线性负载和非线性负载时，最明显的区别在于其输出的负载电流上，因此，可以构造一种基于负载辨识的PID控制方法，首先根据UPS负载电流来识别所带负载类型，然后依据不同负载类型调整PID的比例调节器参数Kp，实现对逆变器的输出电压波形的整形，具体地说，本发明提供的一种基于负载辨识的比例积分微分控制方法，包括以下步骤：

计算一个工频周期T内大电流采样点数；

比较所述大电流采样点数与参照值A，识别不间断电源所带负载的类型；

根据不间断电源所带负载类型不同，调整比例积分微分调节器的比例调节参数Kp；

计算逆变器的控制量Vi：以Kp作为比例积分微分调节器的比例调节参数，对输出电压误差E进行比例积分微分调节，得出控制量Vi。

在上述按照本发明提供的控制方法中，所述比较大电流采样点数与参照值A，识别不间断电源所带负载的类型，包括以下步骤：

a、如果一个工频周期的大电流采样点数＞A，则计数器N＝N+1；

b、如果一个工频周期的大电流采样点数＜＝A，则不间断电源所带负载为线性负载；

c、如果持续B个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数均大于A即计数器N＞＝B，则不间断电源所带负载为非线性负载；

其中，参数B表示工频周期个数，可根据具体实验确定。

在上述按照本发明提供的控制方法中，所述参数B可以是3。

在上述按照本发明提供的控制方法中，计算一个工频周期T内大电流采样点数包括以下步骤：

采样负载电流有效值Irms作为判断出现大电流采样点的参照值的基数；

每隔一段时间采样一次负载电流，并取其绝对值Iout；

比较Iout和Irms：如果Iout＞X*Irms，则认为负载电流出现了一个大电流采样点，大电流采样点数增加1；

其中，参数X表示参照值相对其基数的倍数，可根据具体实验确定。

上述的按照本发明提供的控制方法中，根据不间断电源所带负载类型不同，调整比例积分微分调节器的比例调节参数Kp，具体步骤如下：

如果不间断电源所带负载为非线性负载，控制比例调节器参数Kp取较大值；

如果不间断电源所带负载为线性负载，控制比例调节器参数Kp取较小值。

本发明另一目的这样实现，构造一种不间断电源，其逆变器采用基于负载辨识控制的比例积分微分控制方法控制输出电压波形，它包括：

减法器：用于将参考电压Vref和输出电压Vo相减产生输出电压误差E；

负载识别单元：根据不同负载的负载电流的不同，对不间断电源所带负载类型进行区分，并根据负载类型不同，调整输出的比例积分微分调节器的比例调节参数Kp；

线性比例积分微分控制器：将负载识别单元输出的Kp作为比例积分微分调节器的比例调节参数，对输入的输出电压误差E进行线性比例积分微分控制，产生逆变器的控制量Vi。

在上述按照本发明提供的不间断电源中，所述负载识别单元包括：

第一采样器：用于采样负载电流的有效值Irms，作为判断出现大电流采样点的参照值；

第二采样器：用于每隔一段时间采样一次负载电流，并取其绝对值Iout；

第一比较器(3)：比较Iout和X*Irms的大小；

第一计数器：将第一比较器的比较结果输入计数器，如果Iout＞X*Irms，则认为负载电流出现了一个大电流采样点，大电流采样点数增加1；

第二比较器：比较一个工频周期T内大电流采样点数和参考值A的大小：

a、如果一个工频周期的大电流采样点数大于A，则第二计数器：N＝N+1：

b、如果一个工频周期的大电流采样点数小于等于A，则第二计数器：N＝0；

c、如果第二计数器：N＞＝B，则不间断电源所带负载为非线性负载，否则，不间断电源所带负载为线性负载；

其中，参数A、B、X根据具体实验确定；

第二计数器：如果持续B个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数＞A即N＞＝B，则不间断电源所带负载为非线性负载；

调节器：根据不间断电源所带负载类型，调整负载识别控制比例调节器参数Kp，如果不间断电源所带负载为非线性负载，控制比例调节器参数Kp取较大值，如果不间断电源所带负载为线性负载，控制比例调节器参数Kp取较小值。

在上述按照本发明提供的不间断电源中，参数B可以是3。

在上述按照本发明提供的不间断电源中，所述采样器(1)、采样器(2)、比较器(3)、计数器(Count)、比较器(4)、计数器(N)、调节器(5)可以包含在一个中央处理单元中。

实施本发明的控制方法及其控制的UPS，由于采用基于负载识别的PID控制技术，当负载为线性负载时，能有效控制比例调节器参数Kp不至于太大；当负载为非线性负载时，能有效控制比例调节器参数Kp不至于太小。因此，当UPS带线性负载时，输出电压不易出现抖动；当UPS为非线性负载时，输出电压波形能够满足失真度的要求(THD＜5％)，即使在带功率因数较低(小于0.7)、电流峰制值比较高(大于3∶1)的额定整流性负载时亦可获得较好的输出电压波形。由于负载识别PID控制方法可以在价格比较低廉的CPU(如单片机、16位定点DSP)上得到实现，这样可以有效地减低UPS系统的硬件成本，增强中小容量在线式UPS的市场竞争力。此外，采用负载识别的PID控制技术的UPS输出电流波形也比较稳定。下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是采用负载识别PID控制的UPS的逆变器控制原理示意图；

图2是负载识别及PID系数调整流程图；

图3是计算大电流采样点数的流程图。

具体实施方式

如图1所示，在按照本发明基于负载辩识的PID控制方法控制的UPS中，包括一个减法器10用于将参考电压Vref和输出电压Vo相减产生输出电压误差E，一个负载识别单元40用于根据不同负载的负载电流的不同，对UPS所带负载进行区分，并根据负载类型不同，调整输出的PID控制器的参数Kp；一个线性PID控制器20用于将来自负载识别单元40(调节器5)的Kp作为PID的比例调节器参数，对输入的输出电压误差E进行线性PID控制，产生逆变器的控制量Vi提供给逆变器30。在图中以虚线框表示负载识别单元40包括：一个采样器1用于采样负载电流的有效值Irms，作为判断出现大电流采样点的参照值；一个采样器2用于每一中断周期采样一次负载电流，并取其绝对值Iout；一个比较器3，用于比较Iout和X*Irms的大小；一个计数器(Count)6：将比较器3的比较结果输入计数器6，如果Iout＞X*Irms，则认为负载电流出现了一个大电流采样点，Count＝Count+1；一个比较器4，用于比较一个工频周期T内大电流采样点数Count和参考值A的大小：具体包括以下功能：

a、如果一个工频周期的Count＞A，则计数器(N)：N＝N+1；

b、如果一个工频周期的Count＜＝A，则UPS所带负载为线性负载；

c、如果持续B个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count都大于A即计数器N＞＝B，则UPS所带负载为非线性负载；

一个计数器(N)7，如果持续B个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count＞A即N＞＝B，则UPS所带负载为非线性负载；一个调节器5用于根据UPS所带负载类型，调整负载识别控制比例调节器参数Kp，如果UPS所带负载为非线性负载，控制比例调节器参数Kp取较大值，如果UPS所带负载为线性负载，控制比例调节器参数Kp取较小值。上面涉及到的参数A、B、X，可根据具体实验确定，其中B可取为3。

如图2所示，负载识别及PID系数调整的方法，包括以下步骤，其中，参数A、B、X可根据具体实验确定，B可以是3。

1、比较大电流采样点数Count与参照值A的大小(框101)，其中大电流采样点数Count的计算取得如图3所示；

a、如果一个工频周期内Count＞A，则对满足Count＞A条件的连续工频周期数进行计数N＝N+1(框102)；

b、如果一个工频周期的Count＜＝A，则将N置零(框106)，UPS所带负载为线性负载，Kp取较小值(框107)。

2、判断N＞＝3是否成立(框103)：

a、如果持续3个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count都大于A，即计数器N＞＝3，则令N＝3(框104)，UPS所带负载为非线性负载，Kp取较大值(框105)；

b、如果不满足持续3个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count都大于A，即计数器N＜3，则UPS所带负载为线性负载，Kp取较小值(框107)。

如图3所示，计算大电流采样点数的方法，具体有以下环节：

1、计算上一工频周期负载电流有效值Irms，将Irms作为判断出现大电流采样点的参照值(框201)；

2、计算每一中断周期一次负载电流的绝对值Iout(框202)；

3、比较Iout和Irms(框203)：如果Iout＞X*Irms，则认为负载电流出现了一个大电流采样点，大电流采样点数Count＝Count+1(框204)，否则直接跳至判断工频周期T是否结束(框205)；

4、判断工频周期T是否结束(框205)，如果工频周期T已结束，则输出大电流采样点数Count(框206)，结束本子程序；如果工频周期T未结束，则开始下一中断周期一次负载电流的绝对值Iout的计算，即转至(框202)。

Claims

1、一种基于负载辨识的比例积分微分控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

计算一个工频周期T内大电流采样点数；

2、根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述比较大电流采样点数与参照值A，识别不间断电源所带负载的类型，包括以下步骤：

其中，参数B表示工频周期个数，可根据具体实验确定。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述参数B可以是3。

4、根据权利要求1所述方法，其特征在于，计算一个工频周期T内大电流采样点数包括以下步骤：

每隔一段时间采样一次负载电流，并取其绝对值Iout；

5、根据权利要求1所述方法，其特征在于，根据不间断电源所带负载类型不同，调整比例积分微分调节器的比例调节参数Kp，具体步骤如下：

6、一种不间断电源，其特征在于：所述不间断电源中的逆变器采用基于负载辨识控制的比例积分微分控制方法控制输出电压波形，它包括：

7、根据权利要求6所述不间断电源，其特征在于，所述的负载识别单元包括：

第一采样器(1)：用于采样负载电流的有效值Irms，作为判断出现大电流采样点的参照值的基数；

第二采样器(2)：用于每隔一段时间采样一次负载电流，并取其绝对值Iout；

第一比较器(3)：用于比较Iout和X*Irms的大小；

第一计数器(Count)：将第一比较器(3)的比较结果输入计数器，如果Iout＞X*Irms，则认为负载电流出现了一个大电流采样点，大电流采样点数增加1；

第二比较器(4)：比较一个工频周期T内大电流采样点数和参考值A的大小：

a、如果一个工频周期的大电流采样点数大于A，则第二计数器(N)：N＝N+1；

b、如果一个工频周期的大电流采样点数小于等于A，则第二计数器(N)：N＝0；

c、如果第二计数器(N)：N＞＝B，则不间断电源所带负载为非线性负载，否则，不间断电源所带负载为线性负载；

其中，参数A、B、X根据具体实验确定；

第二计数器(N)：如果持续B个工频周期，每个工频周期的大电流采样点数Count＞A即N＞＝B，则不间断电源所带负载为非线性负载；

调节器(5)：根据不间断电源所带负载类型，调整负载识别控制比例调节器参数Kp，如果不间断电源所带负载为非线性负载，控制比例调节器参数Kp取较大值，如果不间断电源所带负载为线性负载，控制比例调节器参数Kp取较小值。

8、根据权利要求7所述不间断电源，其特征在于，参数B可以是3。

9、根据权利要求7所述不间断电源，其特征在于，所述第一采样器(1)、第二采样器(2)、第一比较器(3)、第一计数器(Count)、第二比较器(4)、第二计数器(N)、调节器(5)可以包含在一个中央处理单元中。