CN100384073C - 瞬时电压pid模拟控制的逆变电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种瞬时电压PID模拟控制的逆变电源，瞬时电压PID控制器输出端与逆变电源输入端相接，逆变电源输出端与电压传感器输入端及负载相接，电压传感器输出端、参考量分别与减法器负输入端、正输入端相接，减法器输出端与瞬时电压PID控制器输入端相接，逆变电源接直流电源。本发明对瞬时电压PID控制器的特别设计，使得本发明具有动态响应快速、平稳、非线性负载情况下输出电压总谐波畸变率低、稳态精度高的优良性能，即使在额定非线性负载、波峰因子超过3的恶劣情况下，输出电压总谐波畸变率也较低。本发明广泛应用在交流稳定电源、不间断电源、柔性交流输电系统、有源电力滤波器、超导磁储能系统可再生能源供电系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率变换电路，特别涉及一种模拟控制的逆变电源。
背景技术
随着科技的发展，信息化程度的提高，一方面重要部门、用电设备对电源供电品质的要求日益增高，另一方面电力电子设备的大量使用、非线性负载的不断增加使得电网的谐波污染十分严重，形成了鲜明的供需矛盾。为此，近年来高性能PWM逆变电源的研究越来越受到关注。
瞬时电压PID控制方式具有算法简单、易于实现、鲁棒性好和可靠性高等特点，早期的逆变电源采用单环PID模拟控制器进行调节，其缺点是：由于该控制器设计、应用不佳，系统动态性能特别是非线性负载的时候，不令人满意；由于PID控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，对于要求较高的系统，还不能做到满足系统要求的动态特性和稳态精度，因此逆变电源系统往往增设外环均值反馈以保证系统的稳态精度。逆变电源单环PID控制不很理想的原因在于：一方面逆变电源空载阻尼小，开环运行振荡剧烈，收敛速度慢，控制对象特性恶劣，而且负载情况复杂多变；另一方面PID控制器各参数没有与控制系统性能指标建立直接量化关系，没有找到适应各种负载运行情况的最佳控制参数值，因而，PID控制器不能表现出很好的调节作用。
为此，许多文献提出各种控制方案，例如，①采用电压外环、电流内环的双闭环控制方式，通过电流内环改善逆变电源动态性能，使得逆变电源的输出性能得到较大改进，该双闭环控制的不足主要是：电流内环为抑制非线性负载扰动，必须具备足够高的带宽，才能获得满意的性能，这加大了控制器实现的难度。②采用PID控制加重复控制的复合控制方式，利用内环PID控制改善逆变电源的动态响应，利用外环重复控制提高逆变电源的稳态精度，该复合控制方式算法复杂，因而实现较难。这些控制方式均使系统结构变得复杂，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种瞬时电压PID模拟控制的逆变电源，该逆变电源动态响应快速、平稳，非线性负载情况下输出电压总谐波畸变率(THD)低，在额定非线性负载、负载电流波峰因子超过3的情况下，输出电压总谐波畸变率(THD)也较低，稳态精度高，而且结构简单，成本较低。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：逆变电源的输出端与电压传感器的输入端及负载相接，电压传感器的输出端、参考量分别与减法器的负输入端、正输入端相接，逆变电源接直流电源，在减法器与逆变电源之间接有瞬时电压PID控制器，通过瞬时电压PID控制器对逆变电源实施控制；瞬时电压PID控制器的结构为，微分运算电路、比例运算电路、积分运算电路的输入端与减法器的输出端相接，微分运算电路、比例运算电路、积分运算电路的输出端分别与加法器的三个输入端相接，加法器的输出端接逆变电源；微分运算电路的结构为，第一电容的一端与减法器的输出端相接，第一电容的另一端与第一运算放大器的的反相端相接，第一电阻、第二电容的一端与第一运算放大器的反相端相接，第一电阻、第二电容的另一端与第一运算放大器的输出端相接，第一运算放大器的输出端接加法器的一个输入端，第一运算放大器的同相端接地；积分运算电路的结构为，第二电阻的一端与减法器的输出端相接，第二电阻的另一端与第二运算放大器的反相端相接，第三电阻、第三电容的一端与第二运算放大器的反相端相接，第三电阻、第三电容的另一端与第二运算放大器的输出端相接，第二运算放大器的输出端接加法器的另一个输入端，第二运算放大器的同相端接地。
为达到上述目的，本发明采用的另一个技术方案是：逆变电源的输出端与电压传感器的输入端及负载相接，电压传感器的输出端、参考量分别与减法器的负输入端、正输入端相接，逆变电源接直流电源，在减法器与逆变电源之间接有瞬时电压PID控制器，通过瞬时电压PID控制器对逆变电源实施控制；瞬时电压PID控制器的结构为，比例积分运算电路、比例微分运算电路的输入端与减法器的输出端相接，比例积分运算电路、比例微分运算电路的输出端分别与加法器的二个输入端相接，加法器的输出端接逆变电源；比例积分运算电路的结构为，第四电阻的一端与减法器的输出端相接，第四电阻的另一端、第五电阻、第四电容的一端与第三运算放大器的反相端相接，第五电阻、第四电容的另一端通过第六电阻与第三运算放大器的输出端相接，第三运算放大器的输出端接加法器的一个输入端，第三运算放大器的同相端接地；比例微分运算电路的结构为，第五电容的一端与减法器的输出端相接，第五电容的另一端通过第七电阻与第四运算放大器的反相端相接，第八电阻的一端与第四运算放大器的反相端相接，第八电阻的另一端与第九电阻的一端相接，第九电阻的另一端通过第六电容与第四运算放大器的输出端相接，第四运算放大器的输出端接加法器的另一个输入端，第四运算放大器的同相端接地。
本发明相比现有技术具有以下优点：
(1)空载条件下，由瞬时电压PID控制器与逆变电源构成的逆变电源闭环控制系统动态指令跟踪波形的过渡过程时间短，超调量小。
(2)负载突变达额定功率时，动态过渡过程不超过2ms，输出电压变化率不超过10％，负载适应性增强。
(3)在额定非线性负载、负载电流波峰因子超过3的情况下，输出电压总谐波畸变率(THD)也较低，例如，在电流波峰因子＝3.14时，THD＝1.23％，表现出对非线性负载引起的波形失真具有更强的抑制能力。
(4)本发明在对逆变电源PID控制器控制参数的设计中，采用极点配置方法，这种瞬时电压PID控制器参数的选择直接与闭环系统的性能指标建立了量化关系，是利用比例、微分和积分控制参数的协调作用，既最大限度地改善逆变电源的动态性能，同时也能保证逆变电源的稳态调节精度；而且整个电源系统具有较强的鲁棒性，在各种不同的负载扰动情况下，均能输出品质优良的交流稳定电源，整个逆变电源系统对逆变电源参数、瞬时电压PID控制器参数变化不敏感，系统响应性能稳定。
(5)从空载到额定负载的各种负载情况下，稳压精度均在0.7％之内，稳态误差大大降低。
(6)本发明电路结构简单，成本低，易于实现。
附图说明
图1为本发明瞬时电压PID模拟控制的逆变电源的结构示意图。
图2为图1中瞬时电压PID控制器一种实施例的结构示意图。
图3为图2中微分运算电路图。
图4为图2中积分运算电路图。
图5为图1的原理图。
图6为图5的等效原理图。
图7为图1中瞬时电压PID控制器另一种实施例的结构示意图。
图8为图7中比例积分运算电路图。
图9为图7中比例微分运算电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
由图1、图2所示，本发明瞬时电压PID模拟控制的逆变电源的一种结构为，逆变电源2的输出端与电压传感器4的输入端及负载相接，电压传感器4的输出端、参考量5分别与减法器7的负输入端、正输入端相接，逆变电源2接直流电源，在减法器7与逆变电源2之间接有瞬时电压PID控制器1，通过瞬时电压PID控制器1对逆变电源2实施控制；瞬时电压PID控制器1的结构为，微分运算电路8、比例运算电路9、积分运算电路10的输入端与减法器7的输出端相接，微分运算电路8、比例运算电路9、积分运算电路10的输出端分别与加法器11的三个输入端相接，加法器11的输出端接逆变电源2。
瞬时电压PID控制器1与逆变电源2构成一个逆变电源控制系统，逆变电源2输出的瞬时电压u0经过电压传感器4反馈到减法器7的负输入端，与参考量ur5比较后，通过瞬时电压PID控制器1对逆变电源2实施控制。
微分运算电路8对减法器7得到的误差信号ue进行微分运算，并且能滤除由纯微分引入的高频干扰；比例运算电路9对减法器7得到的误差信号ue进行比例运算；积分运算电路10对减法器7得到的误差信号ue进行积分运算，并且能避免纯积分引起的饱和问题。
减法器7得到的误差信号ue经过微分运算电路8、比例运算电路9、积分运算电路10的相应运算后，由加法器11将微分运算电路8的输出u1d、比例运算电路9的输出u1p、积分运算电路10的输出u1i合成为控制电压u1，瞬时电压PID控制器1对逆变电源2输出的瞬时电压u0进行调节。
逆变电源2、电压传感器4、减法器7可选用通常的逆变电源、电压传感器、减法器；比例运算电路9可采用通常的比例运算电路，加法器11可采用通常的加法器。
由图3所示，图2中微分运算电路8的结构为，第一电容C1的一端与减法器7的输出端相接，第一电容C1的另一端与第一运算放大器A1的反相端相接，第一电阻R1、第二电容C2的一端与第一运算放大器A1的反相端相接，第一电阻R1、第二电容C2的另一端与第一运算放大器A1的输出端相接，第一运算放大器A1的输出端接加法器11的一个输入端，第一运算放大器A1的同相端接地。微分运算电路8的这种结构能避免纯微分引入的高频干扰。
由图4所示，图2中积分运算电路10的结构为，第二电阻R2的一端与减法器7的输出端相接，第二电阻R2的另一端与第二运算放大器A2的反相端相接，第三电阻R3、第三电容C3的一端与第二运算放大器A2的反相端相接，第三电阻R3、第三电容C3的另一端与第二运算放大器A2的输出端相接，第二运算放大器A2的输出端接加法器11的另一个输入端，第二运算放大器A2的同相端接地。积分运算电路10的这种结构能避免纯积分引起的饱和问题。
第一运算放大器A1、第二运算放大器A2选用市售的一般运算放大器即可，如TL084，LM324等。
图5、图6表明了瞬时电压PID控制器1对逆变电源2输出电压u0进行调节的原理。
瞬时电压PID控制器1控制参数(比例系数kp、微分系数kd、积分系数ki)的设计按照图6采用极点配置方法确定。由图6表明，这是以逆变电源2输出电压u0及其变化率、积分量作为状态变量，以比例系数kp、微分系数kd、积分系数ki组成状态反馈增益矩阵的状态反馈控制系统。
从图6可见，逆变电源2输出电压u0的微分与逆变电源2中的电容电流成比例，会随着负载扰动的变化而瞬时变化，极点配置PID控制器包含负载扰动的反馈信息，因而具有较强的负载扰动抑制能力。基于极点配置的PID控制，本质上是以逆变电源2输出电压u0及其变化率、积分量作为状态变量的状态反馈闭环控制，而且是一种既能改善动态特性又能兼顾静态响应性能的状态反馈控制，其中微分系数kd、比例系数kp的主要作用就是通过改变逆变电源2的阻尼及振荡频率来改善动态响应，积分系数ki则提高逆变电源2的稳态精度。
在微分运算电路8中，第一电阻R1的电阻值R1、第一电容C1的电容值C1和第二电容C2的电容值C2的选择满足以下关系：第一微分系数kd1＝C1*R1，R1*C2小于逆变电源的开关周期；在积分运算电路10中，第二电阻R2的电阻值R2和第三电阻R3的电阻值R3、第三电容C3的电容值C3的选择满足以下关系：第一积分系数ki1＝1/(R2*C3)，R3*C3大于20ms。
这种极点配置设计，使瞬时电压PID控制器1的比例系数kp、微分系数kd、积分系数ki三个参数形成有机整体，对逆变电源2实施控制，从而可以获得高性能的PWM逆变电源。
由图1、图7所示，本发明瞬时电压PID模拟控制的逆变电源的另一种结构为，逆变电源2的输出端与电压传感器4的输入端及负载相接，电压传感器4的输出端、参考量5分别与减法器7的负输入端、正输入端相接，逆变电源2接直流电源，在减法器7与逆变电源2之间接有瞬时电压PID控制器1，通过瞬时电压PID控制器1对逆变电源2实施控制；瞬时电压PID控制器1的结构为，比例积分运算电路12、比例微分运算电路13的输入端与减法器7的输出端相接，比例积分运算电路12、比例微分运算电路13的输出端分别与加法器14的二个输入端相接，加法器14的输出端接逆变电源2。
比例积分运算电路12对减法器7得到的误差信号ue进行比例积分运算，并且能避免纯积分引起的饱和问题。比例微分运算电路13对减法器7得到的误差信号ue进行比例微分运算，并且能滤除由纯微分引入的高频干扰。
减法器7得到的误差信号ue经过比例积分运算电路12、比例微分运算电路13的相应运算后，由加法器14将比例积分运算电路12的输出u11、比例微分运算电路13的输出u12合成为控制电压u1，瞬时电压PID控制器1对逆变电源2的输出电压u0进行调节。
逆变电源2、电压传感器4、减法器7可选用通常的逆变电源、电压传感器、减法器；加法器14可选用通常的加法器。
由图8所示，图7中比例积分运算电路12的结构为，第四电阻R4的一端与减法器7的输出端相接，第四电阻R4的另一端、第五电阻R5、第四电容C4的一端与第三运算放大器A3的反相端相接，第五电阻R5、第四电容C4的另一端通过第六电阻R6与第三运算放大器A3的输出端相接，第三运算放大器A3的输出端接加法器14的一个输入端，第三运算放大器A3的同相端接地。比例积分运算电路12的这种结构能避免纯积分引起的饱和问题。
由图9所示，图7中比例微分运算电路13的结构为，第五电容C5的一端与减法器7的输出端相接，第五电容C5的另一端通过电阻R7与第四运算放大器A4的反相端相接，第八电阻R8的一端与第四运算放大器A4的反相端相接，第八电阻R8的另一端与第九电阻R9的一端相接，第九电阻R9的另一端通过第六电容C6与第四运算放大器A4的输出端相接，第四运算放大器A4的输出端接加法器14的另一个输入端，第四运算放大器A4的同相端接地。比例微分运算电路13的这种结构能滤除由纯微分引入的高频干扰。
第三运算放大器A3、第四运算放大器A4选用市售的一般运算放大器即可，如TL084，LM324等。
瞬时电压PID控制器1控制参数(比例系数kp、微分系数kd、积分系数ki)的设计按照图6采用极点配置方法确定。
在比例积分运算电路12中，第四电阻R4的电阻值R4、第五电阻R5的电阻值R5、第六电阻R6的电阻值R6和第四电容C4的电容值C4的选择满足以下关系：第二积分系数ki2＝1/(R4*C4)，R5*C4大于20ms，第一比例系数kp1＝R6/R4；在比例微分运算电路13中，第七电阻R7的电阻值R7、第八电阻R8的电阻值R8、第九电阻R9的电阻值R9和第五电容C5的电容值C5、第六电容C6的电容值C6的选择满足以下关系：第二微分系数kd2＝R8*C5，R7*C5小于逆变电源的开关周期，R7*C5＝R9*C6，第二比例系数kp2＝C5/C6；在比例积分运算电路12、比例微分运算电路13中，满足总比例系数kp＝kp1+kp2。
图8、图9电路中的元件参数按极点配置设计方法选择，可使瞬时电压PID控制器1的比例系数kp、微分系数kd、积分系数ki三个参数形成有机整体，对逆变电源2实施控制，从而可以获得高性能的PWM逆变电源。
Claims (4)
1.一种瞬时电压PID模拟控制的逆变电源，逆变电源的输出端与电压传感器的输入端及负载相接，电压传感器的输出端、参考量分别与减法器的负输入端、正输入端相接，逆变电源接直流电源，其特征在于：
在减法器与逆变电源之间接有瞬时电压PID控制器，通过瞬时电压PID控制器对逆变电源实施控制；
瞬时电压PID控制器的结构为，微分运算电路、比例运算电路、积分运算电路的输入端与减法器的输出端相接，微分运算电路、比例运算电路、积分运算电路的输出端分别与加法器的三个输入端相接，加法器的输出端接逆变电源；
微分运算电路的结构为，第一电容(C1)的一端与减法器的输出端相接，第一电容(C1)的另一端与第一运算放大器(A1)的的反相端相接，第一电阻(R1)、第二电容(C2)的一端与第一运算放大器(A1)的反相端相接，第一电阻(R1)、第二电容(C2)的另一端与第一运算放大器(A1)的输出端相接，第一运算放大器(A1)的输出端接加法器的一个输入端，第一运算放大器(A1)的同相端接地；
积分运算电路的结构为，第二电阻(R2)的一端与减法器的输出端相接，第二电阻(R2)的另一端与第二运算放大器(A2)的反相端相接，第三电阻(R3)、第三电容(C3)的一端与第二运算放大器(A2)的反相端相接，第三电阻(R3)、第三电容(C3)的另一端与第二运算放大器(A2)的输出端相接，第二运算放大器(A2)的输出端接加法器的另一个输入端，第二运算放大器(A2)的同相端接地。
2.根据权利要求1所述的瞬时电压PID模拟控制的逆变电源，其特征在于：在微分运算电路中，第一电阻(R1)的电阻值R1、第一电容(C1)的电容值C1和第二电容(C2)的电容值C2的选择满足以下关系：第一微分系数kd1＝C1*R1，R1*C2小于逆变电源的开关周期；在积分运算电路中，第二电阻(R2)的电阻值R2和第三电阻(R3)的电阻值R3、第三电容(C3)的电容值C3的选择满足以下关系：第一积分系数ki1＝1/(R2*C3)，R3*C3大于20ms。
3.一种瞬时电压PID模拟控制的逆变电源，逆变电源的输出端与电压传感器的输入端及负载相接，电压传感器的输出端、参考量分别与减法器的负输入端、正输入端相接，逆变电源接直流电源，其特征在于：
在减法器与逆变电源之间接有瞬时电压PID控制器，通过瞬时电压PID控制器对逆变电源实施控制；
瞬时电压PID控制器的结构为，比例积分运算电路、比例微分运算电路的输入端与减法器的输出端相接，比例积分运算电路、比例微分运算电路的输出端分别与加法器的二个输入端相接，加法器的输出端接逆变电源；
比例积分运算电路的结构为，第四电阻(R4)的一端与减法器的输出端相接，第四电阻(R4)的另一端、第五电阻(R5)、第四电容(C4)的一端与第三运算放大器(A3)的反相端相接，第五电阻(R5)、第四电容(C4)的另一端通过第六电阻(R6)与第三运算放大器(A3)的输出端相接，第三运算放大器(A3)的输出端接加法器的一个输入端，第三运算放大器(A3)的同相端接地；
比例微分运算电路的结构为，第五电容(C5)的一端与减法器的输出端相接，第五电容(C5)的另一端通过第七电阻(R7)与第四运算放大器(A4)的反相端相接，第八电阻(R8)的一端与第四运算放大器(A4)的反相端相接，第八电阻(R8)的另一端与第九电阻(R9)的一端相接，第九电阻(R9)的另一端通过第六电容(C6)与第四运算放大器(A4)的输出端相接，第四运算放大器(A4)的输出端接加法器的另一个输入端，第四运算放大器(A4)的同相端接地。
4.根据权利要求3所述的瞬时电压PID模拟控制的逆变电源，其特征在于：在比例积分运算电路中，第四电阻(R4)的电阻值R4、第五电阻(R5)的电阻值R5、第六电阻(R6)的电阻值R6和第四电容(C4)的电容值C4的选择满足以下关系：第二积分系数ki2＝1/(R4*C4)，R5*C4大于20ms，第一比例系数kp1＝R6/R4；在比例微分运算电路中，第七电阻(R7)的电阻值R7、第八电阻(R8)的电阻值R8、第九电阻(R9)的电阻值R9和第五电容(C5)的电容值C5、第六电容(C6)的电容值C6的选择满足以下关系：第二微分系数kd2＝R8*C5，R7*C5小于逆变电源的开关周期，R7*C5＝R9*C6，第二比例系数kp2＝C5/C6；在比例积分运算电路、比例微分运算电路中，满足总比例系数kp＝kp1+kp2。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Assignee: Wuhan Huahai General Electric Co., Ltd. Assignor: Huazhong University of Science and Technology Contract fulfillment period: 2009.7.1 to 2014.6.30 Contract record no.: 2009420010056 Denomination of invention: Inverter of instantaneous voltage PID analogue controlled Granted publication date: 20080423 License type: Exclusive license Record date: 20090927 |
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| LIC | Patent licence contract for exploitation submitted for record |
Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2009.7.1 TO 2014.6.30; CHANGE OF CONTRACT Name of requester: WUHAN HAIHIA GENERAL ELECTRIC APPLICANCE CO., LTD. Effective date: 20090927 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: WUHAN HUAHAI GENERAL ELECTRIC Co.,Ltd. Assignor: HUAZHONG University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: 2009420010056 Date of cancellation: 20201230 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |