一种基于抗饱和准谐振控制器的LC型变换器限流控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于抗饱和准谐振控制器的LC型变换器限流控制系统，该系统包括五个加法器、四个控制器和一个限幅器。其中，第一加法器的输出端连接第一控制器的输入端和第二加法器的第一输入端；第二加法器的第二输入端及输出端分别连接第二控制器的输入端和第三控制器的输出端；第三加法器的第一、第二输入端和输出端分别连接第一控制器的输出端、限幅器的输出端和第五加法器的第一输入端；第四加法器的第一、第二输入端和输出端分别连接限幅器的输出端、第二控制器的输出端和第三控制器的输入端；第五加法器的输出端连接第四控制器的输入端，第四控制器的输出端为调制信号。本发明专利技术具有过载或短路故障限流能力强且输出电压恢复快的特点。压恢复快的特点。压恢复快的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于抗饱和准谐振控制器的LC型变换器限流控制系统


[0001]本专利技术属于电源领域，更具体地，涉及一种基于抗饱和准谐振控制器的LC型变换器限流控制系统。

技术介绍

[0002]在大型通讯系统及医疗设备等应用场合，通常需要配备不间断电源(Uninterrupted Power Supply,简称UPS)以保障供电的可靠性，同时改善波形的电能质量，因此，不间断电源已成为业界重要的电力装备之一。这类不间断电源的核心单元是LC型变换器，当市电中断时，LC型变换器将直流电(在UPS中是由蓄电池提供直流电)转换为恒压恒频的交流电，从而实现对负载不间断供电。随着用户需求不断增大，对LC型变换器的控制性能要求也越来越高，特别是应对复杂的负载工况，例如过载或者直接短路等，这些极端场合易出现LC型变换器的输出电流突增而直接损坏功率器件，从而造成不必要的经济损失。
[0003]针对LC型变换器的过载或短路故障问题，主要有三种解决方案，包括硬件检测方法、软件控制方法以及硬件和软件结合的控制方法。采用硬件检测方法是通过调理电路检测出电感电流或者直流侧电流，当检测的电感电流或直流侧电流大于预设定值时，则直接关闭驱动信号，从而实现保护功率器件的目的。这种方法虽然简单，但故障清除后不能自动恢复输出电压，同时增加了额外硬件检测电路。为了能自动恢复输出电压，有文献采用软件控制方法，即采用双环控制结构(外环为电压环，内环为电流环)。在外环的输出端接入一个限幅器，限制滤波电感电流的指令值，从而调整LC型变换器的电感电流大小。这种方法虽然可以实现自动恢复输出电压且限制电感电流大小，但是无法兼顾当故障清除后快速恢复输出电压，同时电感电流指令值是严重的消顶波形，导致LC型变换器的电感电流波形质量也不佳。最后一种控制方法是利用硬软件结合方式，具体实现步骤是当短路故障时，先让硬件工作以限制电感电流突增，当电感电流限制到一定时，软件控制开始起作用，最终调整电感电流至预期值，从而保证功率器件不被损坏。这类方法尽管已广泛采用，但增加了额外硬件成本，且故障清除后输出电压易出现过压现象，从而触发硬件保护。
[0004]因此，受制于现有控制方案的不足，LC型变换器无法保证过载或短路故障清除情况下快速恢复输出电压到额定值，且由于常规控制方案中电感电流指令值是严重的消顶波形，导致LC型变换器的电感电流波形质量也不佳。故有必要提出更适合的LC型变换器限流控制系统，以适应未来高标准的电能需求。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于抗饱和准谐振控制器的LC型变换器限流控制系统，其目的在于解决现有技术中由于LC型变换器在过载或短路故障过程中限流波形质量差，以及在过载或短路故障清除后输出电压恢复速度慢的问题，导致在实际应用中(例如：不间断电源)无法及时给负载提供高质量的电能。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于抗饱和准谐振控制器
的LC型变换器限流控制系统，包括：第一加法器、电压外环控制器、第五加法器和电流内环控制器；第一加法器的第一输入端用于接收输出电压给定量，第一加法器的第二输入端用于接收LC型变换器的输出电压，第一加法器的输出端用于将输出电压给定量与LC型变换器的输出电压相减得到输出电压误差量；电压外环控制器的输入端连接至第一加法器的输出端，所述电压外环控制器用于调节所述输出电压误差量；所述第五加法器的第一输入端连接至所述电压外环控制器的输出端，第五加法器的第二输入端用于接收LC型变换器的电感电流，第五加法器用于将电感电流指令值与所述LC型变换器的电感电流相减得到电感电流误差量；电流内环控制器的输入端连接至第五加法器的输出端，电流内环控制器用于调节所述电感电流误差量。
[0007]更进一步地，电压外环控制器包括：第一控制器、第三加法器和抗饱和准谐振控制器；第一控制器的输入端作为所述电压外环控制器的输入端，第一控制器用于接收所述输出电压误差量；第三加法器的第一输入端连接至第一控制器的输出端，第三加法器的第二输入端连接至所述抗饱和准谐振控制器的输出端，第三加法器的输出端作为所述电压外环控制器的输出端，第三加法器用于得到电感电流指令值；抗饱和准谐振控制器的输入端连接至第一加法器的输出端，抗饱和准谐振控制器用于调节所述LC型变换器的输出电压以及所述电感电流指令值。
[0008]更进一步地，抗饱和准谐振控制器包括：第二加法器、第二控制器、第三控制器、第四加法器和限幅器；第二加法器的第一输入端作为抗饱和准谐振控制器的输入端，第二加法器的第二输入端连接至第三控制器的输出端，第二加法器用于将输出电压误差量与第三控制器输出量相减得到输出电压校正后误差量；第二控制器的输入端连接至第二加法器的输出端，第二控制器用于调节所述输出电压校正后误差量；限幅器的输入端连接至第二控制器的输出端，限幅器的输出端作为所述抗饱和准谐振控制器的输出端，限幅器用于将所述第二控制器输出量进行幅值限制；第四加法器的第一输入端连接至限幅器的输出端，第四加法器的第二输入端连接至第二控制器的输出端，第四加法器用于将第二控制器输出量与限幅器输出量相减得到限幅器误差量；第三控制器的输入端连接至第四加法器的输出端，第三控制器用于调节所述限幅器误差量。
[0009]相比于仅包含限幅器的传统抗饱和准谐振控制器结构，本专利技术实施例提供的抗饱和准谐振控制器的控制结构中通过引入第三控制器、所述第四加法器和限幅器后有更大的调控自由度，使得抗饱和控制器能够解决在负载过载或短路等工况下的限流及输出电压快速恢复问题。
[0010]具体而言，抗饱和准谐振控制器具备当负载过载或短路故障清除时，能够使得所述LC型变换器限流控制系统中电压外环快速起到调节作用，从而能及时调控所述LC型变换器的输出电压，避免了所述LC型变换器的输出电压超调量过大情况。与此同时，所述抗饱和准谐振控制器中含有限幅器，使得所述LC型变换器电感电流的指令值也是可调控的，故可间接调节所述LC型变换器电感电流的大小。
[0011]更进一步地，第一控制器和第三控制器均为比例形式，其表达式分别为k
up
和k
wind
；第二控制器为准谐振控制器G
ur
，其表达式为k
ur
s/(s2+2ω
c1
s+ω
02
)，其中，k
ur
为所述第二控制器对应的准谐振控制器系数，s为拉普拉斯算子，ω
c1
为准谐振控制器的带宽，为减少基波频率偏移带来的影响，通常取为1％的基波角频率，ω0为基波角频率。
[0012]更进一步地，电流内环控制器包括：第四控制器；第四控制器的输入端连接至第五加法器的输出端，第四控制器的输出端用于连接LC型变换器，输出调制信号使得所述LC型变换器的输出电压跟随所述输出电压给定量的变化。
[0013]其中，第四控制器为准比例谐振控制器G
i
，其表达式为k
ip
+k
ir
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于抗饱和准谐振控制器的LC型变换器限流控制系统，其特征在于，包括：第一加法器(1)、电压外环控制器、第五加法器(9)和电流内环控制器；所述第一加法器(1)的第一输入端用于接收输出电压给定量，所述第一加法器(1)的第二输入端用于接收所述LC型变换器的输出电压，所述第一加法器(1)的输出端用于将所述输出电压给定量与所述LC型变换器的输出电压相减得到输出电压误差量；所述电压外环控制器的输入端连接至所述第一加法器(1)的输出端，所述电压外环控制器用于调节所述输出电压误差量；所述第五加法器(9)的第一输入端连接至所述电压外环控制器的输出端，所述第五加法器(9)的第二输入端用于接收LC型变换器的电感电流，所述第五加法器(9)用于将电感电流指令值与所述LC型变换器的电感电流相减得到电感电流误差量；所述电流内环控制器的输入端连接至所述第五加法器(9)的输出端，所述电流内环控制器用于调节所述电感电流误差量。2.如权利要求1所述的LC型变换器限流控制系统，其特征在于，所述电压外环控制器包括：第一控制器(2)、第三加法器(3)和抗饱和准谐振控制器；所述第一控制器(2)的输入端作为所述电压外环控制器的输入端，所述第一控制器(2)用于接收所述输出电压误差量；所述第三加法器(3)的第一输入端连接至所述第一控制器(2)的输出端，所述第三加法器(3)的第二输入端连接至所述抗饱和准谐振控制器的输出端，所述第三加法器(3)的输出端作为所述电压外环控制器的输出端，所述第三加法器(3)用于得到所述电感电流指令值；所述抗饱和准谐振控制器的输入端连接至所述第一加法器(1)的输出端，所述抗饱和准谐振控制器用于调节所述LC型变换器的输出电压以及所述电感电流指令值。3.如权利要求2所述的LC型变换器限流控制系统，其特征在于，所述抗饱和准谐振控制器包括：第二加法器(4)、第二控制器(5)、第三控制器(8)、第四加法器(7)和限幅器(6)；所述第二加法器(4)的第一输入端作为所述抗饱和准谐振控制器的输入端，所述第二加法器(4)的第二输入端连接至所述第三控制器的输出端，所述第二加法器(4)用于将所述输出电压误差量与所述第三控制器(8)输出量相减得到输出电压校正后误差量；所述第二控制器(5)的输入端连接至所述第二加法器(4)的输出端，所述第二控制器(5)用于调节所述输出电压校正后误差量；所述限幅器(6)的输入端连接至所述第二控制器(5)的输出端，所述限幅器(6)的输出端作为所述抗饱和准谐振控制器的输出端，所述限幅器(6)用于将所述第二控制器(5)输出量进行幅值限制；所述第四加法器(7)的第一输入端连接至所述限幅器的输出端，所述第四加法器(7)的第二输入端连接至所述第二控制器(5)的输出端，所述第四加法器(7)用于将所述第二控制器(5)输出量与所述限幅器(6)输出量相减得到限幅器误差量；所述第三控制器(8)的输入端连接至所述第四加法器(7)的输出端，所述第三控制器(8)用于调节所述限幅器误差量。4.如权利要求3所述的LC型变换器限流控制系统，其特征在于，所述第一控制器和所述第三控制器均为比例形式，其表达式分别为k
up
和k
wind
；所述第二控制器为准谐振控制器G
ur
，其表达式为k
ur
s/(s2+2ω
c1
s+ω
02
)，
其中，k
ur
为所述第二控制器对应的准谐振控制器系数，s为拉普拉斯算子，ω
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为准谐振控制器的带宽，ω0为基波角频率。5.如权利要求1
‑
4任一项所述的LC型变换器限流控制系统，其特征在于，所述电流内环控制器包括：第四控制器(10)；所述第四控制器(10)的输入端连接至所述第五加法器的输出端，所述第四控制器(10)的输出端用于连接LC型变换...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴伟标，彭力，张明，韩谷静，刘新民，刘文琮，陆东亮，张倩，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：