專利名稱：整流器的變系數(shù)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及整流器的控制技術(shù)，尤其涉及一種整流器的變系數(shù)控制方法。
背景技術(shù)：
隨著市場競爭的加劇，客戶對不間斷電源(UPS)產(chǎn)品系統(tǒng)性能的要求也越來越高。而這種系統(tǒng)性能的要求更是全方位的，即包括系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)性能兩個方面。
從UPS系統(tǒng)的角度來看，該系統(tǒng)可分為兩大部分整流器和逆變器，而前者作為后者的輸入，其性能的改善更是保證系統(tǒng)整體性能提高的前提條件。傳統(tǒng)的UPS整流器多采用單系數(shù)比例-積分(PI)調(diào)節(jié)器進行控制，而從系統(tǒng)的整體角度來考慮，不難看出這種方式兼顧穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性較為困難。因此，從提高系統(tǒng)性能方面考慮，便有了變系數(shù)PI控制應(yīng)用于UPS整流器的控制。當逆變器輸出端突加重載，需要向母線提供較大能量，以減小母線跌幅；當逆變器輸出端突卸重載，則需要減少或不向母線提供能量，以抑制母線的過沖；而當系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，則需要PI調(diào)節(jié)器抑制系統(tǒng)震蕩，并確保最小拍無差系統(tǒng)的實現(xiàn)。
而以上所述的系統(tǒng)需求，也正是變系數(shù)PI控制的基本思想，當系統(tǒng)處于動態(tài)調(diào)節(jié)過程時，應(yīng)用大系數(shù)對系統(tǒng)進行控制，使系統(tǒng)快速進入穩(wěn)態(tài)，當系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)過程后，則應(yīng)用小系數(shù)對系統(tǒng)進行控制，以減小直流母線紋波，便于無差系統(tǒng)的實現(xiàn)。
圖1表示一種UPS整流器的系統(tǒng)控制框圖，控制系統(tǒng)分為內(nèi)環(huán)(電流環(huán))和外環(huán)(電壓環(huán))雙PI調(diào)節(jié)器。而從系統(tǒng)的角度看，UPS逆變器對整流器的要求可以完全由直流母線的特性所體現(xiàn)，因此針對此系統(tǒng)，將變系數(shù)控制應(yīng)用于系統(tǒng)的電壓環(huán)PI控制器中，以提高母線性能。
從以上對變系數(shù)控制方法的分析可知，兩種系數(shù)相互切換的實現(xiàn)尤為重要。如兩組系數(shù)之間的切換進行的過于緩慢，則不能體現(xiàn)變系數(shù)控制方法的優(yōu)點，如切換過于快速、頻繁，則易使系統(tǒng)傳遞函數(shù)不收斂，從而引起系統(tǒng)震蕩，并對用戶造成嚴重影響。而現(xiàn)有的變系數(shù)切換或神經(jīng)元控制中，存在上述問題，即在系數(shù)切換時均為系數(shù)直接切換，從而導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種整流器的變系數(shù)控制方法，以解決現(xiàn)有變系數(shù)控制中在系數(shù)切換時存在系統(tǒng)震蕩的問題，從而提高整流器的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。
為解決上述問題，本發(fā)明提供下述技術(shù)方案一種整流器的變系數(shù)控制方法，該整流器在功率驅(qū)動信號的控制下進行交流/直流變換，所述功率驅(qū)動信號由變系數(shù)的比例-積分(PI)調(diào)節(jié)器進行控制，其中電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)(P系數(shù))具有大系數(shù)PMAX和小系數(shù)PMIN；所述方法至少包括步驟(1)分別將表示整流器正、負直流母線電壓的反饋電壓值與表示目標母線電壓的預定值進行比較，得到表示正、負直流母線電壓誤差的兩個誤差值；(2)將所述兩個誤差值分別與母線電壓閾值進行比較a、如果其中任意一個誤差值不小于母線電壓閾值，則將電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的P系數(shù)設(shè)定為大系數(shù)PMAX；b、如果兩個誤差值均小于母線電壓閾值，則將電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器當前的P系數(shù)按預定步長遞減后設(shè)定P系數(shù)，以保證P系數(shù)從大系數(shù)PMAX向小系數(shù)PMIN切換為緩變過程；(3)利用電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的P系數(shù)和積分系數(shù)(I系數(shù))計算輸出，通過該輸出控制功率驅(qū)動信號。
其中步驟(1)中，從整流器的正、負直流母線采樣得到的母線電壓經(jīng)電平轉(zhuǎn)換和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生表示正、負母線實際電壓的反饋電壓值。
在電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器當前的P系數(shù)按預定步長遞減后還進一步判斷P系數(shù)是否小于小系數(shù)PMIN；如果是，則遞減后的P系數(shù)設(shè)定為小系數(shù)PMIN。
通過設(shè)置變系數(shù)定時計數(shù)器來限制電壓環(huán)的P系數(shù)維持在大系數(shù)PMAX狀態(tài)的持續(xù)時間，當每次將電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的P系數(shù)設(shè)定為大系數(shù)PMAX時將該變系數(shù)定時計數(shù)器復位。
步驟(2)b中，在設(shè)定P系數(shù)之前，將所述計數(shù)器增1并判斷計數(shù)器的值是否大于預定的計數(shù)閾值；如果是，表示電壓環(huán)的P系數(shù)維持在大系數(shù)PMAX狀態(tài)的持續(xù)時間已超過限制時間，則將計數(shù)器的值設(shè)置為該預定的計數(shù)閾值，并將電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器當前的P系數(shù)按預定步長遞減后設(shè)定為P系數(shù)；否則，表示電壓環(huán)的P系數(shù)維持在大系數(shù)PMAX狀態(tài)的持續(xù)時間未達到限制時間，則直接將電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的P系數(shù)設(shè)定為大系數(shù)PMAX。
在大、小系數(shù)切換過程中，電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器中積分器的I系數(shù)保持不變。
比例調(diào)節(jié)器當前P系數(shù)按P＝PMAX-a*ΔP進行遞減，其中ΔP為預定步長，a依據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標來確定選取下限，其上限以系統(tǒng)在沒有外界擾動的情況下P系數(shù)成單調(diào)遞減為原則進行選取，使其不會因外界擾動而導致大、小系數(shù)頻繁切換。
電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出作為電流環(huán)給定，通過電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出作用于系統(tǒng)發(fā)波，實現(xiàn)對控制整流器的變系數(shù)控制。
所述整流器是指不間斷電源(UPS)中的整流器。
本發(fā)明在PI調(diào)節(jié)器從大系數(shù)切換到小系數(shù)時，采用緩變過程，避免了切換過快引起的系統(tǒng)震蕩。因此，本發(fā)明能夠在系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，使得整流器的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能得以全面提高。


圖1為UPS整流器控制示意；圖2為UPS整流器原理框圖；圖3為系數(shù)變換曲線示意圖；圖4為本發(fā)明的流程圖。
具體實施例方式
本實施例以不間斷電源(UPS)為例對整流器的變系數(shù)控制進行說明。
參閱圖1所示的控制，令比例-積分調(diào)節(jié)器中比例器的P系數(shù)用Kp來表示，積分器的I系數(shù)用Ki來表示，設(shè)Kpi＝Kp+Ki。
參閱圖2所示P系數(shù)的變換曲線，其中橫軸為UPS系統(tǒng)的直流母線的偏差電壓ΔU，縱軸分別為系數(shù)Kp和系數(shù)Kpi(其中Kpi未標出)。從圖2中可知，PI系數(shù)的切換是以母線電壓波動的幅度是否超出誤差帶為判斷依據(jù)的，當母線電壓的波動電壓大于母線電壓閾值δU時，系統(tǒng)由小系數(shù)工作狀態(tài)切換到大系數(shù)工作狀態(tài)，該過程為瞬變狀態(tài)，即沒有中間過程，即進行參數(shù)直接切換。而經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作用，當母線電壓的波動電壓ΔU小于母線電壓閾值δU時，系統(tǒng)由大系數(shù)工作狀態(tài)切換到小系數(shù)工作狀態(tài)時，該過程為一個緩變過程，即由大系數(shù)遞減，逐漸遞減至等于小系數(shù)為止。
而如何使P系數(shù)與I系數(shù)配合變化，使系統(tǒng)在切換過程中既能保證系統(tǒng)快速性又能保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。通過如下分析可知，PI調(diào)節(jié)器中的I系數(shù)主要用于消除系統(tǒng)靜差，并可以起到穩(wěn)態(tài)下減小母線電壓直流紋波的目的，但當系統(tǒng)進行PI參數(shù)切換時，系統(tǒng)完全屬于動態(tài)調(diào)節(jié)過程，因此調(diào)節(jié)I系數(shù)的大小無益于系統(tǒng)的穩(wěn)定。從而得出結(jié)論，在大、小系數(shù)切換時，I系數(shù)保持不變。
參閱圖3所示，UPS整流器的功率電路部分主要包括主拓撲、IGBT驅(qū)動電路和檢測電路。實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)的控制算法主要是通過對數(shù)字信號處理器(DSP)進行編程來實現(xiàn)。主拓撲中主要包括整流器、逆變器及電池充放電路，該整流器在IGBT驅(qū)動電路輸出的功率驅(qū)動信號控制下將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電并通過直流母線提供給逆變器。檢測板從主電路中的直流母線獲取電壓和電流信號并反饋給DSP，由DSP判斷是選擇PI調(diào)節(jié)器的系數(shù)并計算輸出，用該輸出控制IGBT電路產(chǎn)生功率驅(qū)動信號。
DSP中保存有以下信息確定是否切換系數(shù)的母線電壓閾值δU；反應(yīng)系統(tǒng)中直流母線電壓的預定值；PI調(diào)節(jié)器中比例器的大系數(shù)PMAX和小系數(shù)PMIN；PI調(diào)節(jié)器中積分器的大系數(shù)IMAX和小系數(shù)為IMIN；由大系數(shù)PMAX到小系數(shù)PMIN的步長a。
在本發(fā)明中，當DSP確定母線波動電壓ΔU大于等于母線電壓閾值δU時，系數(shù)Kp由小系數(shù)PMIN(如果當前為小系數(shù)PMIN)向大系數(shù)PMAX切換，切換過程為瞬變過程；當DSP確定母線波動電壓ΔU小于母線電壓閾值δU時，系數(shù)Kp由大系數(shù)PMAX向(如果當前為大系數(shù)PMAX)小系數(shù)PMIN切換，切換過程為緩變過程，即按步長遞減。
參閱圖4所示，UPS中整流器的變系數(shù)控制過程如下步驟10分別將表示整流器正、負直流母線電壓的反饋電壓值與表示目標母線電壓的預定值進行比較，得到表示正、負直流母線電壓誤差的兩個誤差值。
通過檢測板從主電路中整流器的正、負直流母線上檢測電壓(即正直流母線和負直流母線分別與中線的電壓)，分別將電壓進行電平轉(zhuǎn)換為反應(yīng)實際正、負直流母線電壓的反饋電壓并提供給DSP。DSP將兩反饋電壓進行模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，并分別與反應(yīng)目標母線電壓的預定值進行比較得到反應(yīng)誤差電壓的兩個誤差值。
步驟20將正母線的誤差值與母線電壓閾值δU進行比較，如果誤差值不小于母線電壓閾值δU，則進行步驟40；否則進行步驟30。
步驟30將負母線的誤差值與母線電壓閾值δU進行比較，如果誤差值不小于母線電壓閾值δU，則進行步驟40；否則進行步驟50。
步驟40將變系數(shù)定時計數(shù)器清0，即從0開始計時。
變系數(shù)定時計數(shù)器用來限制電壓環(huán)的P系數(shù)維持在大系數(shù)PMAX狀態(tài)的持續(xù)時間，每次將電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的P系數(shù)設(shè)定為大系數(shù)PMAX時將該變系數(shù)定時計數(shù)器復位(清0)。
步驟50將變系數(shù)定時計數(shù)器增1。
步驟60判斷變系數(shù)定時計數(shù)器的值是否大于閾值計數(shù)。
如果是，表示電壓環(huán)的P系數(shù)維持在大系數(shù)PMAX狀態(tài)的持續(xù)時間已超過限制時間，則進行步驟80；否則，表示電壓環(huán)的P系數(shù)維持在大系數(shù)PMAX狀態(tài)的持續(xù)時間未達到限制時間，則進行步驟70；步驟70將電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的P系數(shù)設(shè)定為大系數(shù)PMAX。
在選定大系數(shù)控制時，為滿足系統(tǒng)的動態(tài)要求，調(diào)節(jié)器采用瞬變切換原則，即DSP采用變量直接賦值的方法來實現(xiàn)。
步驟80將計數(shù)器的值設(shè)置為該預定的計數(shù)閾值。
步驟90按預定步長遞減電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器當前的P系數(shù)，并設(shè)定P系數(shù)，以保證P系數(shù)從大系數(shù)PMAX向小系數(shù)PMIN切換的為緩變過程。
在遞減當前的P系數(shù)后判斷是否小于小系數(shù)PMIN；如果是，則遞減后的P系數(shù)設(shè)置為小系數(shù)PMIN。
DSP根據(jù)切換方程PMIN＝PMAX-a*ΔP來進行系數(shù)切換，其中ΔP為P系數(shù)可以實現(xiàn)的最小變化量，將其作為步長；a的選取原則依據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標來確定a的選取下限，而a的上限以系統(tǒng)在沒有外界擾動的情況下(如突加突卸負載)P系數(shù)成單調(diào)遞減為原則進行選取(而a系數(shù)一旦選定，則不再變化，除非系統(tǒng)的硬件參數(shù)有所變化)。
步驟100設(shè)置電壓環(huán)的積分系數(shù)(I系數(shù))、電流環(huán)的P系數(shù)和I系數(shù)。
步驟110根據(jù)電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的P系數(shù)和I系數(shù)計算PI調(diào)節(jié)的輸出。
步驟120將步驟110中的輸出作為電流環(huán)的給定，并以電流環(huán)調(diào)節(jié)器輸出作為PFC電路的PWM開關(guān)量，用于系統(tǒng)發(fā)波，從而實現(xiàn)對整流器的變系數(shù)控制。
在系統(tǒng)采用變系數(shù)PI控制時，I系數(shù)只影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過程，因此，在電壓環(huán)的P系數(shù)切換過程中電壓環(huán)的I系數(shù)不變。
步驟90中的遞減P系數(shù)可在之前的某一步驟進行，如步驟10或步驟20之前均可。
在變系數(shù)控制中，通過上述方法能夠在系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，使得UPS整流器的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能得以全面提高。
雖然本實施例以UPS為例進行說明，但上述方法適用于各種PI調(diào)節(jié)器的變系數(shù)控制中，如位置式PI調(diào)節(jié)器，增量式PI調(diào)節(jié)器等。
權(quán)利要求
1.一種整流器的變系數(shù)控制方法，該整流器在功率驅(qū)動信號的控制下進行交流/直流變換，所述功率驅(qū)動信號由變系數(shù)的比例-積分(PI)調(diào)節(jié)器進行控制，其中電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)(P系數(shù))具有大系數(shù)PMAX和小系數(shù)PMIN；其特征在于所述方法至少包括步驟(1)分別將表示整流器正、負直流母線電壓的反饋電壓值與表示目標母線電壓的預定值進行比較，得到表示正、負直流母線電壓誤差的兩個誤差值；(2)將所述兩個誤差值分別與母線電壓閾值進行比較a、如果其中任意一個誤差值不小于母線電壓閾值，則將電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的P系數(shù)設(shè)定為大系數(shù)PMAX；b、如果兩個誤差值均小于母線電壓閾值，則將電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器當前的P系數(shù)按預定步長遞減后設(shè)定P系數(shù)，以保證P系數(shù)從大系數(shù)PMAX向小系數(shù)PMIN切換為緩變過程；(3)利用電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)(P系數(shù))和積分系數(shù)(I系數(shù))計算輸出，通過該輸出控制功率驅(qū)動信號。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)中，從整流器的正、負直流母線采樣得到的母線電壓經(jīng)電平轉(zhuǎn)換和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生表示正、負母線實際電壓的反饋電壓值。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器當前的P系數(shù)按預定步長遞減后還進一步判斷P系數(shù)是否小于小系數(shù)PMIN；如果是，則遞減后的P系數(shù)設(shè)定為小系數(shù)PMIN。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過設(shè)置變系數(shù)定時計數(shù)器來限制電壓環(huán)的P系數(shù)維持在大系數(shù)PMAX狀態(tài)的持續(xù)時間，當每次將電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的P系數(shù)設(shè)定為大系數(shù)PMAX時將該變系數(shù)定時計數(shù)器復位。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(2)b中，在設(shè)定P系數(shù)之前，將所述計數(shù)器增1并判斷計數(shù)器的值是否大于預定的計數(shù)閾值；如果是，表示電壓環(huán)的P系數(shù)維持在大系數(shù)PMAX狀態(tài)的持續(xù)時間已超過限制時間，則將計數(shù)器的值設(shè)置為該預定的計數(shù)閾值，并將電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器當前的P系數(shù)按預定步長遞減后設(shè)定為P系數(shù)；否則，表示電壓環(huán)的P系數(shù)維持在大系數(shù)PMAX狀態(tài)的持續(xù)時間未達到限制時間，則直接將電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的P系數(shù)設(shè)定為大系數(shù)PMAX。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在大、小系數(shù)切換過程中，電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器中積分器的I系數(shù)保持不變。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當前P系數(shù)按P＝PMAX-a*ΔP進行遞減，其中ΔP為預定步長，a依據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標來確定選取下限，其上限以系統(tǒng)在沒有外界擾動的情況下P系數(shù)成單調(diào)遞減為原則進行選取，使其不會因外界擾動而導致大、小系數(shù)頻繁切換。
8.如權(quán)利要求1至7任一項所述的方法，其特征在于，電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出作為電流環(huán)的給定，通過電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出并作用于系統(tǒng)發(fā)波，實現(xiàn)對控制整流器的變系數(shù)控制。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，所述整流器是指不間斷電源(UPS)中的整流器。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器當前的P系數(shù)按預定步長遞減可在步驟(1)之前、步驟(2)之前或步驟(2)b中進行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種整流器的變系數(shù)控制方法，該方法為在進行大小比例－積分(PI)參數(shù)的切換時，當母線波動電壓大于域值電壓，則電壓環(huán)的比例－積分調(diào)節(jié)器的P系數(shù)由小系數(shù)向大系數(shù)切換，切換過程為瞬變過程；當母線波動電壓由大于域值電壓變?yōu)樾∮谟蛑惦妷簳r，則電壓環(huán)的比例－積分調(diào)節(jié)器的P系數(shù)由大系數(shù)向小系數(shù)切換，切換過程為緩變過程；在采用變系數(shù)PI控制時，I系數(shù)只影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過程，在P系數(shù)切換過程中I參數(shù)值不進行變換。本發(fā)明能夠在系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，使得整流器的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能得以全面提高。
文檔編號H02M7/02GK1617436SQ200310114100
公開日2005年5月18日 申請日期2003年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月14日
發(fā)明者王超, 劉平 申請人:力博特公司