专利名称：瞬时电压电流双环数字控制的逆变电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率变换电路，特别涉及一种瞬时电压电流双环数字控制的逆变电源。
背景技术：
超大规模集成电路的性能飞速提高、成本不断下降，推动了逆变电源全数字化控制的发展趋势。与模拟控制相比，数字控制有下列优点从噪声和漂移效应来看，数字控制器远较相应的模拟控制器优越；能以恒定的精确度快速执行复杂计算，抗干扰能力强；根据需要可以很容易改变控制程序(控制器特性)，通用性极强，升级方便；具有较强的监控功能，系统维护方便；数字式部件体积小，重量轻，易于标准化。
数字控制相对于模拟控制有许多优势，使之受到广泛关注。逆变电源的数字控制器采用重复控制能够很好地抑制周期性扰动，改善系统的稳态响应，但动态响应不快；采用无差拍控制具有较快的动态响应速度，但是控制性能对系统参数变化敏感，鲁棒性差，有可能降低系统稳定性或甚至不稳定；采用常规的PI数字控制动态响应慢、控制精度差。可见能发挥数字控制优点的几种数字控制方法虽然有应用，但存在不足。
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，提供一种瞬时电压电流双环数字控制的逆变电源，该逆变电源负载适应性强，动态响应快，稳态精度高，输出电压的波形正弦度好，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也较低，抗扰动能力强。
本发明提供的一种瞬时电压电流双环数字控制的逆变电源，其特征在于它包括微处理器、逆变器、直流电源、电压传感器和电流传感器，逆变器的控制端与微处理器相接，逆变器的输出端与电压传感器的输入端及负载相接，逆变器中引出的电流与电流传感器的输入端相接，逆变器直流端与直流电源相连，电压传感器的输出端和电流传感器的输出端分别与微处理器相接； 其中，微处理器按照下述过程进行处理 第1步采集电压传感器得到的当前拍的输出电压uo(k)，其中，一个采样周期T称为一拍，k表示第k个离散时刻，其初始值为0； 第2步采集电流传感器得到的当前拍的电流i(k)，当当前拍电流i(k)为滤波电感电流i1或滤波电容电流ic，按照步骤(A1)至(A4)计算下一拍的控制信号u1(k+1)，当当前拍电流i(k)为负载电流io，按照步骤(B1)至(B6)计算下一拍的控制信号u1(k+1)；下述步骤中，kip为电流控制器的比例系数，kvp、kvi、kvd分别为电压控制器的比例、积分、微分系数，z为离散域算子；kvp、kvi、kvd、kip按照下述公式计算获得 kvp＝(k1+k4)/k2， kvi＝k3/k2， kvd＝-k4·T/k2， kip＝k2 其中，k1、k2、k3、k4利用逆变器离散状态方程的状态矩阵和输入矩阵、以及离散域期望闭环极点矩阵计算得到； (A1)利用公式(I)计算当前拍的电压误差信号e1(k)，其中ur(k)为当前拍的参考量 e1(k)＝ur(k)-uo(k) (I) (A2)利用公式(II)计算当前拍的电流给定信号uir(k) uir(k)＝[kvp+kviTz/(z-1)+kvd(z-1)/(Tz)]e1(k) (II) (A3)利用公式(III)计算当前拍的电流误差信号e2(k)，当采集的电流信号i为滤波电感电流i1时，i(k)为当前拍的滤波电感电流i1(k)；当采集的电流信号i为滤波电容电流ic时，i(k)为当前拍的滤波电容电流ic(k) e2(k)＝uir(k)-i(k) (III) (A4)利用公式(IV)计算下一拍的控制信号u1(k+1) u1(k+1)＝kipe2(k) (IV) (B1)利用公式(V)计算下一拍的输出电压观测值
和下一拍的滤波电感电流观测值
其中u1(k)为当前拍的控制信号，i0(k)为当前拍的负载电流，当前拍的滤波电感电流i1(k)＝i0(k)+(uo(k)-uo(k-1))C/T，uo(k-1)为上一拍的输出电压 Bs＝[H1 H2] Cs＝[10] 为逆变器的自然振荡频率 为逆变器的阻尼振荡频率 其中L为逆变器输出的总滤波电感，C为逆变器输出的总滤波电容，r为逆变器的等效阻尼电阻；Hs为状态观测器的反馈增益矩阵，按照(As-HsCs)的特征值比逆变器的闭环特征值快3倍以上的原则选择反馈增益矩阵Hs； (B2)利用公式(VI)计算下一拍的负载电流观测值
Cd＝
Hd为扰动观测器的反馈增益矩阵，按照(Ad-HdCd)的特征值比逆变器的闭环特征值快5倍以上的原则选择反馈增益矩阵Hd； (B3)利用公式(VII)计算下一拍的电压误差信号观测值
其中ur(k+1)为下一拍的参考量 (B4)当无负载电流前馈时，利用公式(VIII)计算下一拍的电流给定信号uir(k+1)，当有负载电流前馈时，利用公式(IX)计算下一拍的电流预给定信号uir1(k+1) 下一拍的电流预给定信号uir1(k+1)经过限幅后为下一拍的电流给定信号uir(k+1)； (B5)利用公式(X)计算下一拍的电流误差信号e2(k+1)，其中，当无负载电流前馈时，下一拍的电流观测值
为下一拍的滤波电感电流观测值
或下一拍的滤波电容电流观测值当有负载电流前馈时，下一拍的电流观测值
为下一拍的滤波电感电流观测值 (B6)利用公式(XI)计算下一拍的控制信号u1(k+1) u1(k+1)＝kipe2(k+1) (XI) 第3步利用第2步计算得到的下一拍的控制信号u1(k+1)对逆变器进行实时调节； 第4步令k＝k+1，重复步骤第1步～第3步，直至停机。
上述技术方案中，微处理器可以采用多种具体实施方式
实现其处理流程，其中一种方式是微处理器包括电压控制器、电流控制器和第一、第二减法器，电流控制器的输出端与逆变器的控制端相接，电压传感器的输出端与第一减法器的负输入端相接，第一减法器的正输入端接收参考量ur，第一减法器的输出端与电压控制器的输入端相接，电流传感器的输出端与第二减法器的负输入端相接，第二减法器的正输入端与电压控制器的输出端相接，第二减法器的输出端与电流控制器的输入端相接。另一种方式是微处理器还包括状态观测器和扰动观测器，状态观测器的输入端分别与电流传感器和电压传感器的输出端相连，扰动观测器的输入端与电流传感器的输出端相连。
本发明与现有技术相比具有以下优点 (1)负载突变达50％额定功率时，调节时间不超过0.8ms，输出电压瞬时变化率为10.9％，负载适应性较强。
(2)从空载到额定负载的各种负载情况下，输出电压稳压精度均在1.12％之内，稳态误差降低。
(3)在额定非线性负载、负载电流波峰因子超过3.2的情况下，输出电压总谐波畸变率THD＝1.5％，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瞬时电压电流双环数字控制器控制参数的设计中，将控制参数与逆变电源性能指标要求建立定量关系，整个逆变电源具有较强的鲁棒性，在不同负载情况下输出电压波形品质优良；逆变电源对逆变器参数、数字控制器参数变化不敏感，系统响应性能稳定；具有明显的优越性。
(5)本发明电路结构简单，成本低，易于实现。
图1为瞬时电压电流双环数字控制的逆变电源的结构示意图； 图2为微处理器主程序流程图； 图3为图2中的控制算法程序流程图一； 图4为图1的原理电路框图一； 图5为图1的原理电路框图二； 图6为图2中的控制算法程序流程图二； 图7为图2中的控制算法程序流程图三； 图8为图1的原理电路框图三； 图9为图1的原理电路框图四。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明瞬时电压电流双环数字控制的逆变电源的结构为 电流控制器8的输出端与逆变器2的控制端相接，逆变器2的输出端与电压传感器5的输入端及负载3相接，电压传感器5的输出端与第一减法器9的负输入端相接，第一减法器9的正输入端接收参考量ur，第一减法器9的输出端与电压控制器7的输入端相接，逆变器2直流端接直流电源4，逆变器2中引出的电流与电流传感器6的输入端相接，电流传感器6的输出端与第二减法器10的负输入端相接，第二减法器10的正输入端与电压控制器7的输出端相接，第二减法器10的输出端与电流控制器8的输入端相接。
逆变器2、电压传感器5和电流传感器6可选用通常的逆变器、电压传感器和电流传感器。
第一、第二减法器9、10和电压控制器7、电流控制器8构成微处理器1。其中微处理器可以是单片机或数字信号处理芯片。
微处理器1采集电压传感器5输出的电压信号和电流传感器6输出的电流信号，根据电压、电流信号和参考量，计算控制信号，并输出至逆变器2，控制逆变器2工作。
微处理器1和逆变器2构成一个瞬时电压电流双环数字控制系统，逆变器2中的电流i和输出电压u0分别经过电流传感器和电压传感器送入微处理器1，微处理器1经过程序运算后产生控制信号u1对逆变器2实施控制，其中逆变器2中的电流信号i可为滤波电感电流i1、滤波电容电流ic或负载电流io。
瞬时电压电流双环数字控制中的微处理器1所采用的控制方法如图2所示，其步骤为 (1)采集电压传感器得到的当前拍的输出电压uo(k)和电流传感器得到的当前拍的电流i(k)，一个采样周期T称为一拍，k表示第k个离散时刻，其初始值为0。
(2)计算下一拍的控制信号u1(k+1)； 逆变器2中的电流i可为滤波电感电流i1、滤波电容电流ic或负载电流io，根据采集的电流信号的不同，采用不同的算法计算下一拍的控制信号u1(k+1)，下面分别予以说明。
(2A)当采集的电流信号i为滤波电感电流i1或滤波电容电流ic时，如图3所示，步骤(2)包括以下过程 (2A1)利用公式(A1)计算当前拍的电压误差信号e1(k)，其中ur(k)为当前拍的参考量 e1(k)＝ur(k)-uo(k)(A1) (2A2)利用公式(A2)计算当前拍的电流给定信号uir(k) uir(k)＝[kvp+kviTz/(z-1)+kvd(z-1)/(Tz)]e1(k)(A2) 其中kvp、kvi、kvd分别为电压控制器的比例、积分、微分系数，z为离散域算子。
(2A3)利用公式(A3)计算当前拍的电流误差信号e2(k)，当采集的电流信号i为滤波电感电流i1时，i(k)为当前拍的滤波电感电流i1(k)；当采集的电流信号i为滤波电容电流ic时，i(k)为当前拍的滤波电容电流ic(k) e2(k)＝uir(k)-i(k) (A3) (2A4)利用公式(A4)计算下一拍的控制信号u1(k+1) u1(k+1)＝kipe2(k) (A4) 其中kip为电流控制器的比例系数。
图4是与采集的电流信号i为滤波电感电流i1对应的原理电路框图。如图4所示，输出电压uo与参考量ur比较后产生的电压误差信号e1经过电压控制器7产生电流给定信号uir，电流给定信号uir减去滤波电感电流i1产生电流误差信号e2，电流误差信号e2经过电流控制器8最后得到控制信号u1对逆变器2进行实时调节。
图5是与采集的电流信号i为滤波电容电流ic对应的原理电路框图。如图5所示，其结构与图4相似，区别在于图4中逆变器2的电流是滤波电感电流i1，而图5中逆变器2的电流是滤波电容电流ic。
(2B)当采集的电流信号i为负载电流io，如图6和图7所示，步骤(2)包括以下过程 (2B1)利用公式(B1)计算下一拍的输出电压观测值
和下一拍的滤波电感电流观测值
其中u1(k)为当前拍的控制信号，i0(k)为当前拍的负载电流，当前拍的滤波电感电流i1(k)＝i0(k)+(uo(k)-uo(k-1))C/T，uo(k-1)为上一拍的输出电压 Bs＝[H1 H2] Cs＝[10] 为逆变器2的自然振荡频率 为逆变器2的阻尼振荡频率 其中L为逆变器2输出的总滤波电感，C为逆变器2输出的总滤波电容，r为逆变器2的等效阻尼电阻。
Hs为图8和图9中状态观测器11的反馈增益矩阵，按照(As-HsCs)的特征值比逆变器2的闭环特征值快3倍以上的原则选择反馈增益矩阵Hs即可。
(2B2)利用公式(B2)计算下一拍的负载电流观测值
其中Cd＝
Hd为图8和图9中扰动观测器12的反馈增益矩阵，按照(Ad-HdCd)的特征值比逆变器2的闭环特征值快5倍以上的原则选择反馈增益矩阵Hd即可。
(2B3)利用公式(B3)计算下一拍的电压误差信号观测值
其中ur(k+1)为下一拍的参考量 (2B4)计算下一拍的电流给定信号uir(k+1)； 根据有无负载电流前馈，采用不同的算法计算下一拍的电流给定信号uir(k+1)，下面分别予以说明。
当无负载电流前馈时，利用公式(B4)计算下一拍的电流给定信号uir(k+1) 当有负载电流前馈时，利用公式(B5)计算下一拍的电流预给定信号uir1(k+1) 下一拍的电流预给定信号uir1(k+1)经过限幅后为下一拍的电流给定信号uir(k+1)； (2B5)利用公式(B6)计算下一拍的电流误差信号e2(k+1)，其中，当无负载电流前馈时，下一拍的电流观测值
为下一拍的滤波电感电流观测值
或下一拍的滤波电容电流观测值当有负载电流前馈时，下一拍的电流观测值
为下一拍的滤波电感电流观测值 (2B6)利用公式(B7)计算下一拍的控制信号u1(k+1) u1(k+1)＝kipe2(k+1)(B7) 图8是与图6对应的原理电路框图。如图8所示，状态观测器11依据当前拍的输出电压u0(k)和当前拍的负载电流i0(k)观测出下一拍的输出电压观测值
和下一拍的滤波电感电流观测值
其计算公式为公式(B1)。扰动观测器12依据当前拍的负载电流i0(k)观测出下一拍的负载电流观测值
其计算公式为公式(B2)。下一拍的输出电压观测值
与参考量ur(k+1)比较后产生的下一拍的电压误差信号观测值
经过电压控制器7产生下一拍的电流给定信号uir(k+1)，下一拍的电流给定信号uir(k+1)减去下一拍的电流观测值
产生下一拍的电流误差信号e2(k+1)，其中下一拍的电流观测值
为下一拍的滤波电感电流观测值
或下一拍的滤波电容电流观测值
下一拍的电流误差信号e2(k+1)经过电流控制器8最后得到下一拍的控制信号u1(k+1)对逆变器2进行实时调节。
图9是与图7对应的原理电路框图。如图9所示，状态观测器11依据当前拍的输出电压u0(k)和当前拍的负载电流i0(k)观测出下一拍的输出电压观测值
和下一拍的滤波电感电流观测值
其计算公式为公式(B1)。扰动观测器12依据当前拍的负载电流i0(k)观测出下一拍的负载电流观测值
其计算公式为公式(B2)。下一拍的输出电压观测值
与参考量ur(k+1)比较后产生的下一拍的电压误差信号观测值
送给电压控制器7，电压控制器7的输出加上下一拍的负载电流观测值
得到下一拍的电流预给定信号uir1(k+1)，下一拍的电流预给定信号uir1(k+1)经限幅后为下一拍的电流给定信号uir(k+1)，下一拍的电流给定信号uir(k+1)减去下一拍的滤波电感电流观测值
产生下一拍的电流误差信号e2(k+1)，下一拍的电流误差信号e2(k+1)经过电流控制器8最后得到下一拍的控制信号u1(k+1)对逆变器2进行实时调节。
对于瞬时电压电流双环数字控制的逆变电源，关键在于确定电压、电流控制器的控制参数。在状态空间理论的基础上，运用对控制对象直接离散和对控制器离散等效的方法，确定电压、电流控制器参数，现说明如下 当采用瞬时电压电流双环数字控制方式时，逆变器离散状态方程的状态矩阵A和输入矩阵B、以及离散域期望闭环极点矩阵P、增益矩阵K分别为 运用Ackermamn公式求出K矩阵各元素，再按以下公式确定电压、电流控制器各控制参数 kvp＝(k1+k4)/k2， kvi＝k3/k2， kvd＝-k4·T/k2， kip＝k2 (3)利用下一拍的控制信号u1(k+1)对逆变器2进行实时调节； (4)令k＝k+1，重复步骤(1)～(3)，直至工作结束。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1、一种瞬时电压电流双环数字控制的逆变电源，其特征在于它包括微处理器(1)、逆变器(2)、直流电源(4)、电压传感器(5)和电流传感器(6)，逆变器(2)的控制端与微处理器(1)相接，逆变器(2)的输出端与电压传感器(5)的输入端及负载(3)相接，逆变器(2)中引出的电流与电流传感器(6)的输入端相接，逆变器(2)直流端与直流电源(4)相连，电压传感器(5)的输出端和电流传感器(6)的输出端分别与微处理器(1)相接；
其中，微处理器(1)按照下述过程进行处理
第1步采集电压传感器得到的当前拍的输出电压uo(k)，其中，一个采样周期T称为一拍，k表示第k个离散时刻，其初始值为0；
第2步采集电流传感器得到的当前拍的电流i(k)，当当前拍电流i(k)为滤波电感电流i1或滤波电容电流ic，按照步骤(A1)至(A4)计算下一拍的控制信号u1(k+1)，当当前拍电流i(k)为负载电流io，按照步骤(B1)至(B6)计算下一拍的控制信号u1(k+1)；下述步骤中，kip为电流控制器的比例系数，kvp、kvi、kvd分别为电压控制器的比例、积分、微分系数，z为离散域算子；kvp、kvi、kvd、kip按照下述公式计算获得
kvp＝(k1+k4)/k2，
kvi＝k3/k2，
kvd＝-k4·T/k2，
kip＝k2
其中，k1、k2、k3、k4利用逆变器离散状态方程的状态矩阵和输入矩阵、以及离散域期望闭环极点矩阵计算得到；
(A1)利用公式(I)计算当前拍的电压误差信号e1(k)，其中ur(k)为当前拍的参考量
e1(k)＝ur(k)-uo(k)(I)
(A2)利用公式(II)计算当前拍的电流给定信号uir(k)
uir(k)＝[kvp+kviTz/(z-1)+kvd(z-1)/(Tz)]e1(k) (II)
(A3)利用公式(III)计算当前拍的电流误差信号e2(k)，当采集的电流信号i为滤波电感电流i1时，i(k)为当前拍的滤波电感电流i1(k)；当采集的电流信号i为滤波电容电流ic时，i(k)为当前拍的滤波电容电流ic(k)
e2(k)＝uir(k)-i(k)(III)
(A4)利用公式(IV)计算下一拍的控制信号u1(k+1)
u1(k+1)＝kipe2(k) (IV)
(B1)利用公式(V)计算下一拍的输出电压观测值
和下一拍的滤波电感电流观测值
其中u1(k)为当前拍的控制信号，i0(k)为当前拍的负载电流，当前拍的滤波电感电流i1(k)＝i0(k)+(uo(k)-uo(k-1))C/T，uo(k-1)为上一拍的输出电压
Bs＝[H1 H2]
Cs＝[1 0]
为逆变器的自然振荡频率
为逆变器的阻尼振荡频率
其中L为逆变器输出的总滤波电感，C为逆变器输出的总滤波电容，r为逆变器的等效阻尼电阻；Hs为状态观测器的反馈增益矩阵，按照(As-HsCs)的特征值比逆变器的闭环特征值快3倍以上的原则选择反馈增益矩阵Hs；
(B2)利用公式(VI)计算下一拍的负载电流观测值
Cd＝
Hd为扰动观测器的反馈增益矩阵，按照(Ad-HdCd)的特征值比逆变器的闭环特征值快5倍以上的原则选择反馈增益矩阵Hd；
(B3)利用公式(VII)计算下一拍的电压误差信号观测值
其中ur(k+1)为下一拍的参考量
(B4)当无负载电流前馈时，利用公式(VIII)计算下一拍的电流给定信号uir(k+1)，当有负载电流前馈时，利用公式(IX)计算下一拍的电流预给定信号uir1(k+1)
下一拍的电流预给定信号uir1(k+1)经过限幅后为下一拍的电流给定信号uir(k+1)；
(B5)利用公式(X)计算下一拍的电流误差信号e2(k+1)，其中，当无负载电流前馈时，下一拍的电流观测值
为下一拍的滤波电感电流观测值
或下一拍的滤波电容电流观测值当有负载电流前馈时，下一拍的电流观测值
为下一拍的滤波电感电流观测值
(B6)利用公式(XI)计算下一拍的控制信号u1(k+1)
u1(k+1)＝kipe2(k+1) (XI)
第3步利用第2步计算得到的下一拍的控制信号u1(k+1)对逆变器进行实时调节；
第4步令k＝k+1，重复步骤第1步～第3步，直至停机。
2、根据权利要求1所述的瞬时电压电流双环数字控制的逆变电源，其特征在于
微处理器(1)包括电压控制器(7)、电流控制器(8)和第一、第二减法器(9、10)，电流控制器(8)的输出端与逆变器(2)的控制端相接，电压传感器(5)的输出端与第一减法器(9)的负输入端相接，第一减法器(9)的正输入端接收参考量，第一减法器(9)的输出端与电压控制器(7)的输入端相接，电流传感器(6)的输出端与第二减法器(10)的负输入端相接，第二减法器(10)的正输入端与电压控制器(7)的输出端相接，第二减法器(10)的输出端与电流控制器(8)的输入端相接。
3、根据权利要求1或2所述的瞬时电压电流双环数字控制的逆变电源，其特征在于微处理器(1)还包括状态观测器(11)和扰动观测器(12)，状态观测器(11)的输入端分别与电流传感器(6)和电压传感器(5)的输出端相连，扰动观测器(12)的输入端与电流传感器(6)的输出端相连。
全文摘要
本发明公开了一种瞬时电压电流双环数字控制的逆变电源，电流控制器输出端与逆变器控制端相接，逆变器输出端与电压传感器输入端及负载相接，电压传感器输出端与第一减法器负输入端相接，第一减法器正输入端接收参考量，第一减法器输出端与电压控制器输入端相接，逆变器直流端接直流电源，逆变器中引出的电流与电流传感器输入端相接，电流传感器输出端与第二减法器负输入端相接，第二减法器正输入端与电压控制器输出端相接，第二减法器输出端与电流控制器输入端相接。该逆变电源响应快，误差小，非线性负载情况下输出电压波形畸变小，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、超导磁储能系统、可再生能源供电系统中。
文档编号H02M7/42GK101505109SQ20091006088
公开日2009年8月12日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者力 彭, 勇 康, 坚 陈, 阮燕琴, 王淑惠 申请人:华中科技大学