TWI436573B - 電流控制方法與系統 - Google Patents

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Kun Han Sun
Chia Ling Kuo
Gwo Ruey Yu
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Nat Univ Chung Cheng
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電流控制方法與系統
本發明有關於一種電流控制方法與系統，且特別是有關於可動態改變電感電流的電流控制方法與系統。
由於地球上溫室效應日益嚴重，再生能源技術正如火如荼的發展中。舉例來說，太陽能發電裝置可設置於大樓或住家屋頂無遮蔽處，所產生之電能除了可以直接供應電器使用之外，更可以將部分電能透過換流器併入市電端，以形成所謂的電力回送。一般而言，當電能透過換流器併入市電端時，由於市電相當於一個阻抗為無窮大的負載，因此必須在與市電之間串聯一電感，使得電能藉由電感電流併入市電端。
此外，由於電力的流向是由電壓/電流的相位與大小所決定，故換流器需要控制輸出電壓與市電電壓間的相角差，進而動態調整電感電流的大小。傳統換流器的控制方法中，往往需要取樣多次電感電流值之後，才可經由回授之電感電流的平均值，調整換流器輸出電壓的責任比率。如此一來，由於取樣電感電流的時間較長，容易產生來不及動態調整責任比率之風險。
因此，目前亟需一種僅需取樣一次即可以精確取樣電感電流的技術，改善傳統需要多次取樣電感電流並加以平均之方法，可以提升控制換流器的可靠度。
本發明實施例在於提供一種電流控制方法，改變換流器之輸出電壓的責任比率，使得所述輸出電壓於一切換周期內對稱。此外，更當一對稱三角波達波峰時，取樣電感電流，使得電感電流可精準匹配參考電流。
本發明實施例提供一種電流控制方法，用以控制換流器調整輸出電壓，所述輸出電壓用以改變電感上之電感電流。電流控制方法包括下列步驟：產生一三角波，所述三角波具有M個計數週期，且M個計數週期分別對應換流器之M個切換週期；依據一第一參考電流值與一第二參考電流值，計算一預測電流變化值，其中第一參考電流值對應M個計數週期中的第k個，第二參考電流值對應M個計數週期中的第(k+1)個；於第k個計數週期中的三角波達到波峰時，取樣電感電流以產生一電流取樣值；依據第一參考電流值與電流取樣值，計算一電流誤差值；依據預測電流變化值與電流誤差值，控制換流器調整輸出電壓於第(k+1)個切換週期中之責任比率；其中，M、k為正整數，且(k+1)不大於M。
在本發明一示範實施例中，三角波之波形於每一計數週期中均對稱，而第k個切換週期包括一第一關閉時間、一導通時間以及一第二關閉時間，第一關閉時間等於第二關閉時間，且導通時間之中點對應第k個計數週期之中點。其中，於第k個計數週期之中點時，三角波達到波峰。此外，本發明更可依據預測電流變化值與電流誤差值，計算一電流補償值，電流補償值對應三角波之第(k+1)個計數週期，接著依據電流補償值調整換流器於該第(k+1)個切換週期中之責任比率。
本發明實施例在於提供一種電流控制系統，改變換流器之輸出電壓的責任比率，使得所述輸出電壓於一切換周期內對稱。此外，更當一對稱三角波達波峰時，取樣電感電流，使得電感電流可精準匹配參考電流。
本發明實施例提供一種電流控制系統，用以將一發電裝置所產生之電力併入一市電端。所述電流控制系統包括一電感、一換流器、一計數器、一儲存單元、一取樣單元、一處理單元以及一驅動單元。其中，電感耦接市電端。換流器耦接於發電裝置與電感之間，用以轉換發電裝置中之一直流電壓以產生一輸出電壓，輸出電壓用以改變電感上之一電感電流。計數器用以產生一三角波，所述三角波具有M個計數週期，且M個計數週期分別對應換流器之M個切換週期。儲存單元用以儲存一第一參考電流值與一第二參考電流值，其中第一參考電流值對應M個計數週期中的第k個，第二參考電流值對應M個計數週期中的第(k+1)個。
承接上述，取樣單元耦接電感與計數器，於第k個計數週期中的三角波達到波峰時，取樣電感電流以產生一電流取樣值。處理單元耦接儲存單元與取樣單元，依據第一參考電流值與第二參考電流值以計算一預測電流變化值，並依據第一參考電流值與電流取樣值以計算一電流誤差值，藉由預測電流變化值與電流誤差值以產生一驅動信號。驅動單元耦接換流器與處理單元，接收驅動信號據以控制換流器調整輸出電壓於第(k+1)個切換週期中之責任比率。其中，M、k為正整數，且(k+1)不大於M。
綜上所述，本發明實施例所提供的電流控制方法與系統藉由改變換流器之輸出電壓的責任比率，使得所述輸出電壓於一切換周期內對稱。此外，本發明更當一對稱三角波達波峰時，僅需取樣一次電感電流即可以使得電感電流精準匹配參考電流，以提升控制換流器的可靠度。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
 [第一實施例]
請參見圖1，圖1係繪示依據本發明第一實施例之電流控制系統的功能方塊圖。如圖所示，本發明之電流控制系統1耦接於發電裝置2與市電端3之間，用以將發電裝置2所產生之電力併入市電端3。於實務上，發電裝置2可為太陽能發電器、風力發電器或者其他再生能源裝置，用以產生小額的直流電壓Vdc 。此外，市電端3可為一般家庭用電的系統，係以提供單相交流電壓Vs 為主。
承接上述，電流控制系統1包括電感100、換流器102、計數器104、儲存單元106、取樣單元108、處理單元110以及驅動單元112。其中，計數器104、儲存單元106、取樣單元108、處理單元110以及驅動單元112可由同一個微處理器實現，使得電流控制系統1電路架構更為簡化。在此，為了方便所屬技術領域者能夠清楚了解本發明之精神，故將微處理器中的各個功能分別以獨立單元之形式加以描述。以下分別就電流控制系統1中之各部元件做詳細的說明。
由圖1可知，電感100(Ls )耦接於換流器102與市電端3之間，當換流器102之輸出電壓Vinv 與市電端3之交流電壓Vs 具有一電壓差時，電感100從而產生一電感電流iL 。於實務中，所屬技術領域者應可了解電感100與市電端3於實際耦接時，以及換流器102與發電裝置2，更可包括其他電路元件，例如電容Cs 與電容Cdc ，以修正非理想電路特性。
換流器102耦接於發電裝置2與電感100之間，用以轉換發電裝置2中之直流電壓Vdc 以產生輸出電壓Vinv 。在此，本發明藉由調整輸出電壓Vinv 以改變電感100上之電感電流iL 。於實務中，換流器102可包括功率開關TA+ 、功率開關TA- 、功率開關TB+ 以及功率開關TB- ，而形成一全橋式換流器。其中，換流器102所輸出之輸出電壓Vinv 可視為一脈衝寬度調變(PWM)信號，當PWM信號位於高態時，電感電流iL 逐漸提升，而當PWM信號位於低態時，電感電流iL 逐漸下降。換句話說，當換流器102之輸出電壓Vinv 的責任比率改變時，電感電流iL 將會隨之改變。
計數器104用以產生一三角波，三角波具有M個計數週期，且M個計數週期分別對應換流器102之M個切換週期。於實務上，一般常見的計數器104通常皆是運用三角波以計算週期，而本發明所需要之三角波的波形應於每一計數週期中均對稱，而形成一連續之等腰三角波，其中M為正整數。
儲存單元106用以儲存一第一參考電流值與一第二參考電流值，其中第一參考電流值對應M個計數週期中的第k個，第二參考電流值對應M個計數週期中的第(k+1)個。於實務中，儲存單元106可包括一查找表，所述查找表預先將每個計數週期分別對應一個參考電流值，其中參考電流值更可依據市電端3之電壓轉換而來，k為正整數，且(k+1)不大於M。
取樣單元108耦接電感100與計數器104，於第k個計數週期中的三角波達到波峰時，取樣電感電流iL 以產生一電流取樣值。於實務上，取樣單元108係於第k個計數週期之中點取樣電感電流iL 以產生電流取樣值，所述三角波之波峰僅為設定於計數週期中點的觸發信號，所屬技術領域者亦可使用其他的觸發機制以取樣電感電流iL 。
為了方便說明本發明中，三角波、輸出電壓Vinv 、電感電流iL 、電流取樣值ifb 以及參考電流值的關係，請一併參見圖2A、圖2B以及圖2C。圖2A係繪示依據本發明第一實施例之電感電流、電流取樣值以及參考電流值的示意圖。圖2B係繪示依據本發明第一實施例之輸出電壓的示意圖。圖2C係繪示依據本發明第一實施例之三角波的示意圖。
先從圖2C來看，如圖2C所示的連續兩個三角波，其前一個三角波形為所述第k個計數週期，後一個三角波形為所述第(k+1)個計數週期。第k個計數週期與第(k+1)個計數週期都具有相同的時間長度T。於第k個計數週期中，三角波係為對稱波形，且三角波之波峰恰對應於第k個計數週期之中點，也就是時間長度0.5T之處。
當換流器102之輸出電壓Vinv 視為PWM信號時，由圖2B為可知，第k個計數週期的時間長度T等於第k個切換週期的時間長度T，前一個PWM波形為所述第k個切換週期，後一個PWM波形為所述第(k+1)個切換週期。其中，第k個切換週期包括第一關閉時間Toff 、導通時間Ton 以及第二關閉時間Toff ，第一關閉時間Toff 等於第二關閉時間Toff ，且導通時間Ton 之中點對應第k個切換週期之中點，也就是時間長度0.5T之處。在此，換流器102的責任比率即為/導通時間除以切換週期(Ton /T)，而責任比率之改變係以切換週期之中點為對稱點，於固定切換週期時間長度T之內，同時增加或減少第一關閉時間Toff 與第二關閉時間Toff 。
接著，比對圖2A與圖2B可知，當輸出電壓Vinv 位於導通時間Ton 時，電感電流iL 逐漸提升，而當輸出電壓Vinv 位於第一關閉時間Toff 或第二關閉時間Toff 時，電感電流iL 逐漸下降。進一步來說，比對圖2A與圖2C可知，當三角波達波峰時，被取樣之電感電流iL 恰好為參考電流值iref ，於第k個計數週期被取樣之電感電流iL 即為電流取樣值ifb 。
接著，請繼續參見圖1，處理單元110耦接儲存單元106與取樣單元108，依據第一參考電流值與第二參考電流值以計算一預測電流變化值，並依據第一參考電流值與電流取樣值以計算一電流誤差值，藉由預測電流變化值與電流誤差值以產生一驅動信號。此外，處理單元更可依據預測電流變化值與電流誤差值，計算一電流補償值，並依據電流補償值調整換流器102於該第(k+1)個切換週期中之責任比率，其中電流補償值對應三角波之第(k+1)個計數週期。於實務上，在電流取樣值回傳至處理單元110的過程中，可能會有延遲的情況發生，因此處理單元110可適當的延遲第一參考電流值，使得運算過程更為順利。
接著，處理單元110所產生之驅動信號將傳輸至驅動單元112，驅動單元112耦接換流器102與處理單元110，當驅動單元112接收到驅動信號後，據以控制換流器102調整輸出電壓於下一個切換週期中之責任比率。詳細來說，驅動單元112係依據驅動信號控制換流器102中的功率開關，調整輸出電壓之PWM波形，以切換週期之中點為對稱點，於固定切換週期時間長度之內，同時增加或減少第一關閉時間與第二關閉時間，藉以改變下一個切換週期中之責任比率。
[第二實施例]
請參見圖3，圖3係繪示依據本發明第二實施例之電感值對應電感電流的示意圖。如圖所示，當電感電流隨著操作過程產生變化時，電感亦會隨著電感電流改變。因此，本發明之儲存單元106可進一步存有對應電感電流之電感值查找表，而處理單元更藉由預測電流變化值、電流誤差值以及電感值，以產生驅動信號。換句話說，電感值也可以是調整下一個切換週期之責任比率的參數，且本發明可以允許電感值隨著電感電流而變化。
[第三實施例]
以下將前述之電流控制系統搭配本發明之電流控制方法做更清楚的說明。值得注意的是，本發明流程之標號順序並不用以限定實際操作時的先後順序，於所屬技術領域者可自行調換步驟。
請一併參見圖1與圖4，圖4係繪示依據本發明第三實施例之電流控制方法的流程圖。如圖所示，於步驟S40中，計數器104用以產生一對稱波形的三角波，所述三角波具有連續的計數週期，且三角波的計數週期可對應至換流器102之切換週期。
接著，於步驟S42中，處理單元110依據目前所在的計數週期，自儲存單元106中提取目前計數週期對應的參考電流值以及下一個計數週期對應的參考電流值之後，計算上述兩個參考電流值的差異，以產生一預測電流變化值。其中，所述預測電流變化值係依據市電電壓的變化進行預測。
於步驟S44中，取樣單元108於對應目前計數週期中的三角波達到波峰時，取樣電感電流以產生一電流取樣值，並將電流取樣值傳送至處理單元110以進行下一步的處理。由於本發明已先將換流器102輸出電壓調整成為對稱之PWM波形，實際上電感電流於每個計數週期之中點時，將會十分逼近參考電流值，因此本發明僅需於每個計數週期之中點取樣一次電流取樣值，相較於傳統上需要多次取樣電感電流以求得平均值的方法來說，本發明取樣電感電流之方法可節省許多取樣的時間。
於步驟S46中，處理單元110依據目前計數週期的電流取樣值與對應的參考電流值，計算出目前計數週期的電流誤差值。接著，於步驟S48中，處理單元110更依據步驟S42計算出來的預測電流變化值以及步驟S46計算出來的電流誤差值，控制驅動單元112使換流器102調整輸出電壓於下一個切換週期中之責任比率。
[第四實施例]
請繼續參考圖1，在電流取樣值回傳至處理單元110的過程中，若延遲一個計數週期時，可由下列例子做更詳細說明。
請同時照圖1以及圖5，圖5係繪示依據本發明第四實施例之電流控制方法的示意圖。如圖所示，首先，利用減法器52將下一個計數週期的參考電流值Iref (n+1)與目前計數週期參考電流值Iref (n)相減而得到預測電流變化值iv (●)(n+1)。然後，將目前計數週期參考電流值Iref (n)透過時間 延遲器51延遲一個計數週期後，透過減法器53與電流取樣值Ifb (n)相減而產生電流誤差值ie (n)，接著，透過乘法器54、55、56分別將預測電流變化值與電流誤差值分別乘上預測量係數Kp 以及誤差量係數GC ，再由加法器57運算出換流器102於下一個切換週期中之責任比率d(n+1)。
若從公式來看，預測電流變化值與電流誤差值可運算出一電流變化量△i L ，如公式(1)。
△i L (n +1)=[I ref (n +1)-I ref (n )]+G c [I ref (n -1)-I fb (n )] (1)
接著，透過乘法器59中的轉移函數Gp 將換流器102依據責任比率d(n+1)來操作而得到下一個切換週期之電感電流iL (n+1)。由此可看出，電流取樣值Ifb (n)係利用乘法器58乘上回授係數Kf 而得到。若從公式來看，責任比率d(n+1)可如公式(2)、(3)所述，其中公式(2)與公式(3)的差異在於公式(3)多了功因修正，於所屬技術領域者應可明瞭本公式之用意。
綜上所述，本發明實施例所提供的電流控制方法與系統藉由運算目前計數週期與下一個計數週期的預測電流變 化值，以及目前計數週期的電流誤差值，可調整下一個切換週期中換流器輸出電壓之責任比率。此外，本發明更將換流器輸出電壓調整成為對稱之PWM波形，使得所述輸出電壓於一切換周期內對稱，當一對稱三角波達波峰時，僅需取樣一次電感電流即可以使得電感電流精準匹配參考電流值，以提升控制換流器的可靠度。
以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。
1‧‧‧電流控制系統
2‧‧‧發電裝置
3．．．市電端
100．．．電感
102．．．換流器
104．．．計數器
106．．．儲存單元
108．．．取樣單元
110．．．處理單元
112．．．驅動單元
Ls ．．．電感
Cs 、Cdc ．．．電容
Vdc 、Vinv 、Vs ．．．電壓
iL ．．．電感電流
iref ．．．參考電流值
ifb ．．．電流取樣值
TA+ 、TA- 、TB+ 、TB- ．．．功率開關
T．．．時間長度
Toff ．．．關閉時間
Ton ．．．導通時間
S40~S48．．．步驟流程
51．．．時間延遲器
52、53．．．減法器
57．．．加法器
54、55、56、58、59．．．乘法器
圖1係繪示依據本發明第一實施例之電流控制系統的功能方塊圖。
圖2A係繪示依據本發明第一實施例之電感電流、電流取樣值以及參考電流值的示意圖。
圖2B係繪示依據本發明第一實施例之輸出電壓的示意圖。
圖2C係繪示依據本發明第一實施例之三角波的示意圖。
圖3係繪示依據本發明第二實施例之電感值對應電感電流的示意圖。
圖4係繪示依據本發明第三實施例之電流控制方法的流程圖。
圖5係繪示依據本發明第四實施例之電流控制方法的示意圖。
S40~S48．．．步驟流程

Claims (10)

  1. 一種電流控制方法，用以控制一換流器調整一輸出電壓，該輸出電壓用以改變一電感上之一電感電流，該電流控制方法包括下列步驟：產生一三角波，該三角波具有M個計數週期，且該M個計數週期分別對應該換流器之M個切換週期；依據一第一參考電流值與一第二參考電流值，計算一預測電流變化值，其中該第一參考電流值對應該M個計數週期中的第k個，該第二參考電流值對應該M個計數週期中的第(k+1)個；於該第k個計數週期中的該三角波達到波峰時，取樣該電感電流以產生一電流取樣值；依據該第一參考電流值與該電流取樣值，計算一電流誤差值；以及依據該預測電流變化值與該電流誤差值，控制該換流器調整該輸出電壓於該第(k+1)個切換週期中之責任比率；其中，M、k為正整數，且(k+1)不大於M。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電流控制方法，其中該三角波之波形於每一該計數週期中均對稱。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電流控制方法，其中該第k個切換週期包括一第一關閉時間、一導通時間以及一第二關閉時間，該第一關閉時間等於該第二關閉時間，且該導通時間之中點對應該第k個計數週期之中點。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電流控制方法，其中於該第k個計數週期之中點時，該三角波達到波峰。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電流控制方法，其中於控制該換流器調整該輸出電壓於該第(k+1)個切換週期中之責任比率的步驟中，更包括下列步驟：依據該預測電流變化值與該電流誤差值，計算一電流補償值，該電流補償值對應該三角波之該第(k+1)個計數週期；以及依據該電流補償值調整該換流器於該第(k+1)個切換週期中之責任比率。
  6. 一種電流控制系統，用以將一發電裝置所產生之電力透過一電感併入一市電端，該電流控制系統包括：一換流器，耦接於該發電裝置與該電感之間，用以轉換該發電裝置中之一直流電壓以產生一輸出電壓，該輸出電壓用以改變該電感上之一電感電流；一計數器，用以產生一三角波，該三角波具有M個計數週期，且該M個計數週期分別對應該換流器之M個切換週期；一儲存單元，用以儲存一第一參考電流值與一第二參考電流值，其中該第一參考電流值對應該M個計數週期中的第k個，該第二參考電流值對應該M個計數週期中的第(k+1)個；一取樣單元，耦接該電感與該計數器，於該第k個計數週期中的該三角波達到波峰時，取樣該電感電流以產生一電流取樣值；一處理單元，耦接該儲存單元與該取樣單元，依據該第一參考電流值與該第二參考電流值以計算一預測電流變化值，並依據該第一參考電流值與該電流取樣值以計算一電流誤差值，藉由該預測電流變化值與該電流誤差值以產生一驅動信號；以及一驅動單元，耦接該換流器與該處理單元，接收該驅動信號，據以控制該換流器調整該輸出電壓於該第(k+1)個切換週期中之責任比率；其中，M、k為正整數，且(k+1)不大於M。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電流控制系統，其中該三角波之波形於每一該計數週期中均對稱。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之電流控制系統，其中該第k個切換週期包括一第一關閉時間、一導通時間以及一第二關閉時間，該第一關閉時間等於該第二關閉時間，且該導通時間之中點對應該第k個計數週期之中點。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電流控制系統，其中於該第k個計數週期之中點時，該三角波達到波峰。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之電流控制系統，其中該處理單元更依據該預測電流變化值與該電流誤差值，計算一電流補償值，並依據該電流補償值調整該換流器於該第(k+1)個切換週期中之責任比率，其中該電流補償值對應該三角波之該第(k+1)個計數週期。
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