整流器的变系数控制方法.pdf

本发明公开了一种整流器的变系数控制方法，该方法为：在进行大小比例－积分(PI)参数的切换时，当母线波动电压大于域值电压，则电压环的比例－积分调节器的P系数由小系数向大系数切换，切换过程为瞬变过程；当母线波动电压由大于域值电压变为小于域值电压时，则电压环的比例－积分调节器的P系数由大系数向小系数切换，切换过程为缓变过程；在采用变系数PI控制时，I系数只影响系统的稳态过程，在P系数切换过程中I参数值不进行变换。本发明能够在系统可靠、稳定的基础上，使得整流器的动态和稳态性能得以全面提高。

1、  一种整流器的变系数控制方法，该整流器在功率驱动信号的控制下进行交流/直流变换，所述功率驱动信号由变系数的比例-积分(PI)调节器进行控制，其中电压环PI调节器的比例系数(P系数)具有大系数P_MAX和小系数P_MIN；其特征在于所述方法至少包括步骤：
(1)分别将表示整流器正、负直流母线电压的反馈电压值与表示目标母线电压的预定值进行比较，得到表示正、负直流母线电压误差的两个误差值；
(2)将所述两个误差值分别与母线电压阈值进行比较：
a、如果其中任意一个误差值不小于母线电压阈值，则将电压环PI调节器的P系数设定为大系数P_MAX；
b、如果两个误差值均小于母线电压阈值，则将电压环PI调节器当前的P系数按预定步长递减后设定P系数，以保证P系数从大系数P_MAX向小系数P_MIN切换为缓变过程；
(3)利用电压环PI调节器的比例系数(P系数)和积分系数(I系数)计算输出，通过该输出控制功率驱动信号。

2、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，从整流器的正、负直流母线采样得到的母线电压经电平转换和模/数(A/D)转换后产生表示正、负母线实际电压的反馈电压值。

3、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，在电压环PI调节器当前的P系数按预定步长递减后还进一步判断P系数是否小于小系数P_MIN；如果是，则递减后的P系数设定为小系数P_MIN。

4、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过设置变系数定时计数器来限制电压环的P系数维持在大系数P_MAX状态的持续时间，当每次将电压环PI调节器的P系数设定为大系数P_MAX时将该变系数定时计数器复位。

5、  如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)b中，在设定P系数之前，将所述计数器增1并判断计数器的值是否大于预定的计数阈值；如果是，表示电压环的P系数维持在大系数P_MAX状态的持续时间已超过限制时间，则将计数器的值设置为该预定的计数阈值，并将电压环PI调节器当前的P系数按预定步长递减后设定为P系数；否则，表示电压环的P系数维持在大系数P_MAX状态的持续时间未达到限制时间，则直接将电压环PI调节器的P系数设定为大系数P_MAX。

6、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，在大、小系数切换过程中，电压环PI调节器中积分器的I系数保持不变。

7、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，当前P系数按：P＝P_MAX-a*ΔP进行递减，其中：ΔP为预定步长，a依据系统的动态响应指标来确定选取下限，其上限以系统在没有外界扰动的情况下P系数成单调递减为原则进行选取，使其不会因外界扰动而导致大、小系数频繁切换。

8、  如权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于，电压环PI调节器的输出作为电流环的给定，通过电流环调节输出并作用于系统发波，实现对控制整流器的变系数控制。

9、  如权利要求8所述的方法，所述整流器是指不间断电源(UPS)中的整流器。

10、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，电压环PI调节器当前的P系数按预定步长递减可在步骤(1)之前、步骤(2)之前或步骤(2)b中进行。

整流器的变系数控制方法
技术领域
本发明涉及整流器的控制技术，尤其涉及一种整流器的变系数控制方法。
背景技术
随着市场竞争的加剧，客户对不间断电源(UPS)产品系统性能的要求也越来越高。而这种系统性能的要求更是全方位的，即包括系统的动态响应性能和稳态响应性能两个方面。
从UPS系统的角度来看，该系统可分为两大部分：整流器和逆变器，而前者作为后者的输入，其性能的改善更是保证系统整体性能提高的前提条件。传统的UPS整流器多采用单系数比例-积分(PI)调节器进行控制，而从系统的整体角度来考虑，不难看出这种方式兼顾稳态和动态特性较为困难。因此，从提高系统性能方面考虑，便有了变系数PI控制应用于UPS整流器的控制。当逆变器输出端突加重载，需要向母线提供较大能量，以减小母线跌幅；当逆变器输出端突卸重载，则需要减少或不向母线提供能量，以抑制母线的过冲；而当系统稳定运行时，则需要PI调节器抑制系统震荡，并确保最小拍无差系统的实现。
而以上所述的系统需求，也正是变系数PI控制的基本思想，当系统处于动态调节过程时，应用大系数对系统进行控制，使系统快速进入稳态，当系统进入稳态过程后，则应用小系数对系统进行控制，以减小直流母线纹波，便于无差系统的实现。
图1表示一种UPS整流器的系统控制框图，控制系统分为内环(电流环)和外环(电压环)双PI调节器。而从系统的角度看，UPS逆变器对整流器的要求可以完全由直流母线的特性所体现，因此针对此系统，将变系数控制应用于系统的电压环PI控制器中，以提高母线性能。
从以上对变系数控制方法的分析可知，两种系数相互切换的实现尤为重要。如两组系数之间的切换进行的过于缓慢，则不能体现变系数控制方法的优点，如切换过于快速、频繁，则易使系统传递函数不收敛，从而引起系统震荡，并对用户造成严重影响。而现有的变系数切换或神经元控制中，存在上述问题，即在系数切换时均为系数直接切换，从而导致系统的稳定性降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种整流器的变系数控制方法，以解决现有变系数控制中在系数切换时存在系统震荡的问题，从而提高整流器的动态和稳态性能。
为解决上述问题，本发明提供下述技术方案：
一种整流器的变系数控制方法，该整流器在功率驱动信号的控制下进行交流/直流变换，所述功率驱动信号由变系数的比例-积分(PI)调节器进行控制，其中电压环PI调节器的比例系数(P系数)具有大系数P_MAX和小系数P_MIN；所述方法至少包括步骤：
(1)分别将表示整流器正、负直流母线电压的反馈电压值与表示目标母线电压的预定值进行比较，得到表示正、负直流母线电压误差的两个误差值；
(2)将所述两个误差值分别与母线电压阈值进行比较：
a、如果其中任意一个误差值不小于母线电压阈值，则将电压环PI调节器的P系数设定为大系数P_MAX；
b、如果两个误差值均小于母线电压阈值，则将电压环PI调节器当前的P系数按预定步长递减后设定P系数，以保证P系数从大系数P_MAX向小系数P_MIN切换为缓变过程；
(3)利用电压环PI调节器的P系数和积分系数(I系数)计算输出，通过该输出控制功率驱动信号。
其中：
步骤(1)中，从整流器的正、负直流母线采样得到的母线电压经电平转换和模/数(A/D)转换后产生表示正、负母线实际电压的反馈电压值。
在电压环PI调节器当前的P系数按预定步长递减后还进一步判断P系数是否小于小系数P_MIN；如果是，则递减后的P系数设定为小系数P_MIN。
通过设置变系数定时计数器来限制电压环的P系数维持在大系数P_MAX状态的持续时间，当每次将电压环PI调节器的P系数设定为大系数P_MAX时将该变系数定时计数器复位。
步骤(2)b中，在设定P系数之前，将所述计数器增1并判断计数器的值是否大于预定的计数阈值；如果是，表示电压环的P系数维持在大系数P_MAX状态的持续时间已超过限制时间，则将计数器的值设置为该预定的计数阈值，并将电压环PI调节器当前的P系数按预定步长递减后设定为P系数；否则，表示电压环的P系数维持在大系数P_MAX状态的持续时间未达到限制时间，则直接将电压环PI调节器的P系数设定为大系数P_MAX。
在大、小系数切换过程中，电压环PI调节器中积分器的I系数保持不变。
比例调节器当前P系数按：P＝P_MAX-a*ΔP进行递减，其中：ΔP为预定步长，a依据系统的动态响应指标来确定选取下限，其上限以系统在没有外界扰动的情况下P系数成单调递减为原则进行选取，使其不会因外界扰动而导致大、小系数频繁切换。
电压环PI调节器的输出作为电流环给定，通过电流环调节输出作用于系统发波，实现对控制整流器的变系数控制。
所述整流器是指不间断电源(UPS)中的整流器。
本发明在PI调节器从大系数切换到小系数时，采用缓变过程，避免了切换过快引起的系统震荡。因此，本发明能够在系统可靠、稳定的基础上，使得整流器的动态和稳态性能得以全面提高。
图1为UPS整流器控制示意；
图2为UPS整流器原理框图；
图3为系数变换曲线示意图；
图4为本发明的流程图。
本实施例以不间断电源(UPS)为例对整流器的变系数控制进行说明。
参阅图1所示的控制，令比例-积分调节器中比例器地P系数用Kp来表示，积分器的I系数用Ki来表示，设Kpi＝Kp+Ki。
参阅图2所示P系数的变换曲线，其中横轴为UPS系统的直流母线的偏差电压ΔU，纵轴分别为系数Kp和系数Kpi(其中Kpi未标出)。从图2中可知，PI系数的切换是以母线电压波动的幅度是否超出误差带为判断依据的，当母线电压的波动电压大于母线电压阈值δU时，系统由小系数工作状态切换到大系数工作状态，该过程为瞬变状态，即没有中间过程，即进行参数直接切换。而经PI调节器作用，当母线电压的波动电压ΔU小于母线电压阈值δU时，系统由大系数工作状态切换到小系数工作状态时，该过程为一个缓变过程，即由大系数递减，逐渐递减至等于小系数为止。
而如何使P系数与I系数配合变化，使系统在切换过程中既能保证系统快速性又能保证系统的稳态精度。通过如下分析可知，PI调节器中的I系数主要用于消除系统静差，并可以起到稳态下减小母线电压直流纹波的目的，但当系统进行PI参数切换时，系统完全属于动态调节过程，因此调节I系数的大小无益于系统的稳定。从而得出结论，在大、小系数切换时，I系数保持不变。
参阅图3所示，UPS整流器的功率电路部分主要包括主拓扑、IGBT驱动电路和检测电路。实现PI调节的控制算法主要是通过对数字信号处理器(DSP)进行编程来实现。主拓扑中主要包括整流器、逆变器及电池充放电路，该整流器在IGBT驱动电路输出的功率驱动信号控制下将输入的交流电转换为直流电并通过直流母线提供给逆变器。检测板从主电路中的直流母线获取电压和电流信号并反馈给DSP，由DSP判断是选择PI调节器的系数并计算输出，用该输出控制IGBT电路产生功率驱动信号。
DSP中保存有以下信息：
确定是否切换系数的母线电压阈值δU；反应系统中直流母线电压的预定值；PI调节器中比例器的大系数P_MAX和小系数P_MIN；PI调节器中积分器的大系数I_MAX和小系数为I_MIN；由大系数P_MAX到小系数P_MIN的步长a。
在本发明中，当DSP确定母线波动电压ΔU大于等于母线电压阈值δU时，系数Kp由小系数P_MIN(如果当前为小系数P_MIN)向大系数P_MAX切换，切换过程为瞬变过程；当DSP确定母线波动电压ΔU小于母线电压阈值δU时，系数Kp由大系数P_MAX向(如果当前为大系数P_MAX)小系数P_MIN切换，切换过程为缓变过程，即按步长递减。
参阅图4所示，UPS中整流器的变系数控制过程如下：
步骤10：分别将表示整流器正、负直流母线电压的反馈电压值与表示目标母线电压的预定值进行比较，得到表示正、负直流母线电压误差的两个误差值。
通过检测板从主电路中整流器的正、负直流母线上检测电压(即正直流母线和负直流母线分别与中线的电压)，分别将电压进行电平转换为反应实际正、负直流母线电压的反馈电压并提供给DSP。DSP将两反馈电压进行模/数(A/D)转换，并分别与反应目标母线电压的预定值进行比较得到反应误差电压的两个误差值。
步骤20：将正母线的误差值与母线电压阈值δU进行比较，如果误差值不小于母线电压阈值δU，则进行步骤40；否则进行步骤30。
步骤30：将负母线的误差值与母线电压阈值δU进行比较，如果误差值不小于母线电压阈值δU，则进行步骤40；否则进行步骤50。
步骤40：将变系数定时计数器清0，即从0开始计时。
变系数定时计数器用来限制电压环的P系数维持在大系数P_MAX状态的持续时间，每次将电压环PI调节器的P系数设定为大系数P_MAX时将该变系数定时计数器复位(清0)。
步骤50：将变系数定时计数器增1。
步骤60：判断变系数定时计数器的值是否大于阈值计数。
如果是，表示电压环的P系数维持在大系数P_MAX状态的持续时间已超过限制时间，则进行步骤80；否则，表示电压环的P系数维持在大系数P_MAX状态的持续时间未达到限制时间，则进行步骤70；
步骤70：将电压环PI调节器的P系数设定为大系数P_MAX。
在选定大系数控制时，为满足系统的动态要求，调节器采用瞬变切换原则，即DSP采用变量直接赋值的方法来实现。
步骤80：将计数器的值设置为该预定的计数阈值。
步骤90：按预定步长递减电压环PI调节器当前的P系数，并设定P系数，以保证P系数从大系数PMAX向小系数PMIN切换的为缓变过程。
在递减当前的P系数后判断是否小于小系数P_MIN；如果是，则递减后的P系数设置为小系数P_MIN。
DSP根据切换方程P_MIN＝P_MAX-a*ΔP来进行系数切换，其中：ΔP为P系数可以实现的最小变化量，将其作为步长；a的选取原则依据系统的动态响应指标来确定a的选取下限，而a的上限以系统在没有外界扰动的情况下(如突加突卸负载)P系数成单调递减为原则进行选取(而a系数一旦选定，则不再变化，除非系统的硬件参数有所变化)。
步骤100：设置电压环的积分系数(I系数)、电流环的P系数和I系数。
步骤110：根据电压环PI调节器的P系数和I系数计算PI调节的输出。
步骤120：将步骤110中的输出作为电流环的给定，并以电流环调节器输出作为PFC电路的PWM开关量，用于系统发波，从而实现对整流器的变系数控制。
在系统采用变系数PI控制时，I系数只影响系统的稳态过程，因此，在电压环的P系数切换过程中电压环的I系数不变。
步骤90中的递减P系数可在之前的某一步骤进行，如步骤10或步骤20之前均可。
在变系数控制中，通过上述方法能够在系统可靠、稳定的基础上，使得UPS整流器的动态和稳态性能得以全面提高。
虽然本实施例以UPS为例进行说明，但上述方法适用于各种PI调节器的变系数控制中，如位置式PI调节器，增量式PI调节器等。