一种用于改善功率变换器瞬态反应时间的系统的制作方法

本发明涉及电力设备技术领域，具体涉及一种用于改善功率变换器瞬态反应时间的系统。

背景技术：

存在可与功率变换器一起使用的几个不同类型的控制系统。用于功率变换器的一个常用类型的控制系统是峰值电流模式(pcm)控制系统，其通常利用模拟部件将控制信号提供至功率变换器使达到期望的输出性能。尽管在许多应用中通常有效，但是当利用诸如可再生能源(例如，光电池、燃料电池和风力发电机)的可变电源时难以应用pcm控制系统。因此，已经在这些应用中代替pcm控制系统利用了最大峰值功率跟踪(mppt)控制系统。

由于在mppt控制系统中执行的计算的性质，这种控制系统经常在诸如微处理器和/或数字信号处理器(dsp)的数字系统中实施。通常，mppt控制系统使用扰动观察控制方案以便将控制信号提供至功率变换器，使得在功率变换器的输出端处达到最大可能的功率量。然而，当与常规的模拟控制系统相比时，数字(例如，基于dsp的)mppt控制系统对于诸如负荷阻抗变化的外部事件通常遭受减少的带宽和相对缓慢的瞬态反应时间。进一步地，与常规的模拟控制系统相比，数字mppt控制系统在设计和实施方面相对耗费时间。

因此，存在对能够实施mppt控制方案而同时包含改善的瞬态反应时间和宽带宽的用于功率变换器的控制系统的需要。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的技术问题，本发明提成了一种用于改善功率变换器瞬态反应时间的系统。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于改善功率变换器瞬态反应时间的系统，包括功率变换器和控制系统，所述控制系统包括数字参考信号发生器、f/v变换器、第一pi控制器、控制信号组合器、pcm控制器和第二pi控制器；所述数字参考信号发生器产生一个参考频率，该参考频率被f/v变换器接收，f/v变换器将参考频率变换为参考输入电压，参考输入电压被提供给第一pi控制器，同时第一pi控制器接收输入电压，输出第一控制信号至控制信号组合器的第一输入端，第二pi控制器接收参考输出电压和输出电压，输出第二控制信号至控制信号组合器的第二输入端，控制信号组合器的输出端耦接至pcm控制器，该pcm控制器的输出端耦接至功率变换器。

进一步，所述功率变换器，被配置为接收输入电压和输入电流并且提供输出电压。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明通过使用如上所述的数字参考信号以及第一pi控制器和第二pi控制器，可以通过控制系统实现数字和模拟控制的组合，从而增加与功率变换器控制系统一起使用的功率变换器的性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1示出了本发明的一个实施方式的系统框图。

图2示出了本发明的图1中所述的系统中的第一pi控制器和第二pi控制器的原理框图。

图3示出了根据本公开的一个实施方式的最大峰值功率跟踪(mppt)控制方法的流程图。

图4示出了根据本公开的一个实施方式的组合的mppt控制方法和输出电压控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

图1示出了根据本公开的一个实施方式的用于改善功率变换器瞬态反应时间的系统10。该系统10包括功率变换器12和功率变换器控制系统14。功率变换器12被配置为接收输入电压v_in并且提供已经被调节和/或变换的输出电压v_out。功率变换器12可以是任何类型的功率变换器，诸如，升压变换器、降压变换器、升降压变换器等。功率变换器控制系统14被配置为接收输入电压v_in、输入电流i_in、输出电压v_out和输出电流i_out，并且将一个或多个功率变换器控制信号pcc提供至功率变换器12以便控制它的操作。

功率变换器控制系统14包括数字参考信号发生器16，该数字参考信号发生器被配置为接收输入电压v_in、经由输入电流传感器18的输入电流i_in、以及输出电压v_out并且基于最大峰值功率跟踪(mppt)控制方案或者输出电压控制方案中的一个提供参考频率ref_f。参考频率ref_f被频率电压(f/v)变换器20接收，频率电压(f/v)变换器将参考频率ref_f变换为参考输入电压ref_in。参考输入电压ref_in被提供至第一比例积分(pi)控制器22，在第一比例积分控制器中将参考输入电压ref_in与输入电压v_in一起使用，以将第一pi控制信号pi_cont1提供至控制信号组合器24。

第二pi控制器26接收参考输出电压ref_out和输出电压v_out，其中，参考输出电压ref_out是可以由许多外部电源提供的恒定的参考电压。第二pi控制器26使用参考输出电压ref_out和输出电压v_out提供第二pi控制信号pi_cont2，该第二pi控制信号pi_cont2被提供至控制信号组合器24。控制信号组合器24的输出端耦接至峰值电流模式(pcm)控制器28，该pcm控制器转而耦接至功率变换器12。pcm控制器28被配置为经由输出电流传感器30接收输出电流i_out并且从控制信号组合器24接收控制信号，并且基于此将一个或多个功率变换器控制信号pcc提供至功率变换器12。功率变换器控制信号pcc可控制输出电压v_out的幅度、输出电流i_out的幅度或者这两者的幅度。在一些实施方式中，pcm控制器28可以是通常基于单个控制信号输入而操作的许多预包装功率变换器控制器。例如，pcm控制器28可以是来自德克萨斯州达拉斯的德克萨斯仪器公司的零件号ucc28220。

如上所述，数字参考信号发生器16被配置为在mppt操作模式和输出电压控制操作模式下操作。在数字参考信号发生器16的mppt操作模式下，数字参考信号发生器16被配置为基于输入电压v_in和输入电流i_in提供参考频率ref_f，并且因此提供参考输入电压ref_in。在数字参考信号发生器16的mppt操作模式下，控制信号组合器24将第一pi控制信号pi_cont1提供至pcm控制器28。

在输出电压控制操作模式下，数字参考信号发生器16被配置为提供恒定的参考频率ref_f，使得参考输入电压ref_in是恒定信号。具体地，数字参考信号发生器16提供比较高的参考频率ref_f(例如，4khz)，以便驱动参考输入电压ref_in并且因此将第一pi控制信号pi_cont1驱动至它的最大值。如以下详细讨论的，将第一pi控制信号pi_cont1驱动至它的最大值使控制信号组合器24将第二pi控制信号pi_cont2提供至pcm控制器28，如以下详细讨论的。因此，功率变换器控制系统14可从mppt控制方案改变至输出电压控制方案。

图2示出了根据本公开的一个实施方式的控制信号组合器24的详情。为了上下文还示出了第一pi控制器22和第二pi控制器26。如图2所示，第一pi控制器22的输出端耦接至控制信号组合器24的第一输入端32。第二pi控制器26的输出端耦接至控制信号组合器24的第二输入端34。控制信号组合器24进一步包括耦接至pcm控制器28的输入端的输出端36。如上所述，控制信号组合器24将第一pi控制信号pi_cont1或者第二pi控制信号pi_cont2中的一个提供至pcm控制器28。控制信号组合器24的第一输入端32经由第一电阻器r1耦接至输出端36。进一步地，控制信号组合器24的输出端36经由第二电阻器r2耦接至地面。控制信号组合器24中的二极管38包括耦接至输出端36的阳极以及经由第三电阻器r3耦接至第二输入端34的阴极。进一步地，二极管38的阴极经由第四电阻器r4耦接至地面。

在操作中，如以下详细讨论的，在功率变换器控制系统14的mppt操作模式下，数字参考信号发生器16根据mppt控制方案使用输入电压v_in和输入电流i_in提供参考频率ref_f。在功率变换器控制系统14的mppt操作模式下，因为不超过二极管38的阈值电压，所以二极管38保持反向偏置。因此，只有第一pi控制信号pi_cont1被提供至pcm控制器28。在功率变换器控制系统14的输出电压控制操作模式下，数字参考信号发生器16将参考频率ref_f提供为固定频率。具体地，数字参考信号发生器16提供高频固定信号(例如，4khz正弦信号)作为参考频率ref_f，该高频固定信号将第一pi控制信号pi_cont1驱动至最大值。第一pi控制信号pi_cont1的最大值使二极管38变成正向偏置。当二极管38变成正向偏置时，基于输出电压v_out的第二pi控制信号pi_cont2调制通过第一电阻器r1和第二电阻器r2的电流，该电流调制提供至pcm控制器28的信号使得pcm控制器28经由功率变换器12的输出电压v_out而控制。

在一个实施方式中，二极管38是低压降二极管，使得穿过二极管的正向压降小于约0.1v。在各种实施方式中，二极管38可以是硅(si)肖特基二极管。当二极管38在如上所述的输出电压控制模式下变成正向偏置时，穿过第四电阻器r4的电压(理想地)应该与控制信号组合器24的输出端36的电压相同。然而，穿过二极管38的压降添加到了该电压。这是二极管38应该是使这个误差最小化的低压降二极管的原因。

图3是示出了根据本公开的一个实施方式的如上所述的mppt控制方案的流程图。具体地，

图3示出了可在本公开的各种实施方式中使用的扰动和观察(p&o)mppt控制方案。可通过数字参考信号发生器16使用mppt控制方案提供基于输入电压v_in和输入电流i_in的参考频率ref_f。首先，瞬时输入功率p_in(n)被计算为p_in(n)＝v_in(n)*i_in(n)(步骤100)。然后确定瞬时输入功率p_in(n)是否大于上一个计算的输入功率p_in(n-1)(步骤102)。如果瞬时输入功率p_in(n)大于上一个计算的输入功率p_in(n-1)，则确定瞬时参考频率ref_f(n)是否大于上一个参考频率ref_f(n-1)(步骤104)。如果瞬时参考频率ref_f(n)大于上一个参考频率ref_f(n-1)，则参考频率ref_f增加特定量δf(步骤106)。如果瞬时参考频率ref_f(n)小于上一个参考频率ref_f(n-1)，则参考频率ref_f减小特定量δf(步骤108)。如果瞬时输入功率p_in(n)小于上一个计算的输入功率p_in(n-1)，则确定瞬时参考频率ref_f(n)是否大于上一个参考频率ref_f(n-1)(步骤110)。如果瞬时参考频率ref_f(n)大于上一个参考频率ref_f(n-1)，则参考频率ref_f减小特定量δf(步骤112)。如果瞬时参考频率ref_f(n)小于上一个参考频率ref_f(n-1)，则参考频率ref_f增加特定量δf(步骤114)。如上所讨论的，参考频率ref_f通过f/v变换器20变换为参考输入电压ref_in。第一pi控制器22然后基于参考输入电压ref_in提供第一pi控制信号pi_cont1，使得pcm控制器28基于mppt控制方案提供功率变换器控制信号pcc。

尽管图3中示出了p&omppt控制方案，但是在不偏离本公开的原理的情况下可使用任何mppt控制方案以便提供参考频率ref_f。例如，在不偏离本公开的原理的情况下，可由数字参考信号发生器16使用增加导电性的mppt控制方案、电流扫描mppt控制方案、恒定电压mppt控制方案等。

在功率变换器控制系统14的输出电压控制模式下，基于输出电压out_v的第二pi控制信号pi_cont2被提供至pcm控制器28。因此，pcm控制器28将基于常规的pcm控制方案提供功率变换器控制信号pcc，本领域中的技术人员将理解它们的细节。

图4是示出了在mppt操作模式与输出电压控制操作模式之间切换的数字参考信号发生器16的判定过程的流程图。首先，基于数字参考信号发生器16当前在哪个模式下操作进行判定(步骤200)。如果数字参考信号发生器16当前在输出电压控制操作模式下操作，则确定输出电压v_out是否小于预定的欠电压v_uv(步骤202)。如果输出电压v_out小于预定欠电压v_uv，则数字参考信号发生器16的操作模式从输出电压控制操作模式改变至mppt操作模式(步骤204)。如果数字参考信号发生器16当前在mppt操作模式下操作，则确定输出电压v_out是否在预定过电压v_ov之上(步骤206)。如果输出电压v_out在预定过电压v_ov之上，则数字参考信号发生器16的操作模式从mppt操作模式改变至输出电压控制操作模式(步骤208)。因此，数字参考信号发生器16可以切换模式以便根据需要控制功率变换器控制系统14。

预定欠电压v_uv和预定过电压v_ov可以基于功率变换器12的具体要求进行调节。进一步地，在不偏离本公开的原理的情况下，数字参考信号发生器16可使用在操作模式之间切换的任何适当办法。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。