一种变负载电流前馈系数的逆变电源限流控制方法与流程

本发明属于逆变电源控制技术领域，更具体地，涉及一种变负载电流前馈系数的逆变电源限流控制方法。

背景技术：

现有逆变电源的控制方法较多，但是大多是针对逆变器输出量的静态性能和动态性能上，对于提高逆变装置可靠性的研究较少，而解决逆变电源在过载及短路等复杂工况下输出波形质量问题对于提高装置可靠性具有非常重要意义。

现有技术对逆变电源多采取双环控制策略，外环PR控制器保证空载及带载工况下输出波形质量，负载电流前馈保证动态性能；限幅环节和内环PR保证带大负载或者短路时逆变器侧电感电流最大值不超过限幅值，具有限流功能。双环控制策略中常加上负载电流前馈以提高动态性能，现有文献中较少分析负载电流前馈在复杂工况下的影响如何。根据基尔霍夫电流定律，逆变器侧电感电流瞬时值等于电容电流瞬时值与负载电流瞬时值之和。当带有较大负载时，逆变器侧电感电流与负载电流额幅值和相位一致，若控制内环无稳态误差或者稳态误差很小时，逆变器侧电感电流指令值主要由负载前馈指令构成。当外环控制器输出限幅后，由于削顶的幅值只会影响逆变器侧电感电流指令值的大小，不影响逆变器侧电感电流指令值的相位，因此限流后输出电压的相位与电压给定值的相位基本一致；同理，限流后电压控制器的输出端相位与输出电压的相位同样是基本一致。当输出电压跌落到了额定值以下，因为电压控制器已接近饱和，则无论是否有负载前馈，电压控制器的输出值大小不变。考虑到逆变器侧电感电流指令值由电压控制器输出和负载电流前馈两部分组成，且电压控制器输出与负载电流前馈之间相位近似相等，因此实际逆变器侧电感电流指令值会变大。换句话说，有负载前馈会使得实际逆变器侧电感电流指令值更大，经过限幅环节后，削顶程度会更严重，使得逆变器侧电感电流指令谐波含量更多，从而导致限流后输出电流的谐波更大，谐波电流经过变压器会导致发热严重，噪声大，甚至损坏变压器，降低整个系统的可靠性。

另有限流方式是通过电压环和电流环切换控制，当出现过载或者短路工况时直接由电压环切换到单电流环，这种方法在切换中存在指令突变过程，限流波形的动态效果较差。现有技术还有利用软硬件结合的限流保护方法以提高装置的可靠性的保护策略，主要是限制开关管的最大电流，对限流后输出波形质量考虑的较少。

综上而言，现有技术中的负载电流前馈存在限流后输出波形质量较差，以及大量谐波通过变压器致使其发出刺耳噪、发热加剧，严重时甚至会损害变压器，因此，必须采取改进措施以提高限流后的输出波形质量。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种变负载电流前馈系数的逆变电源限流控制方法，其目的在于解决现有技术的双环控制中过载或者短路情况下负载前馈导致输出波形质量差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种变负载电流前馈系数的逆变电源限流控制方法，包括如下步骤：

(1)检测逆变电源的负载电流，利用负载电流瞬时值判断逆变电源是否短路，若是，则进入步骤(4)，若否，则进入步骤(2)；

(2)判断负载电流有效值是否大于3倍额定负载电流，若是，则进入步骤(5)；若否，则进入步骤(3)；

(3)判断负载电流有效值是否大于2倍额定负载电流，若是，则进入步骤(6)；若否，则进入步骤(7)；

(4)将前馈系数k_io设为0，结束；

(5)将前馈系数k_io设为0，并进入步骤(8)；

(6)修改前馈系数k_io，使之线性取值，并进入步骤(8)；

(7)将前馈系数k_io设为1，进入步骤(8)；

(8)对前馈系数k_io进行滤波处理，结束。

优选地，上述的逆变电源限流控制方法，步骤(1)中短路故障判断的阈值大于3倍负载电流瞬时值、且小于逆变电源内的功率器件耐流最大值。

优选地，上述的逆变电源限流控制方法，其步骤(6)中，前馈系数

其中，I_ORMS为负载电流有效值，I_ORate为负载电流额定值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的变负载电流前馈系数的逆变电源限流控制方法，由于采用了变前馈系数方法，而且在前馈系数切换后采进行滤波以减少前馈指令值的突变，以消除前馈系数切换带来的系统输出振荡；在过载、切入或者切出过载等复杂工况下均能提高输出波形质量；另一方面，由于逆变电源本身即需要检测负载电流以用于实时功率的显示，本发明提供的方法通过负载电流的检测值来进行判定，并不会增加额外的硬件成本，不改变现有的逆变电源或双环控制系统的结构。

附图说明

图1是实施例提供的变负载电流前馈系数的逆变电源限流控制方法的示意图；

图2是实施例的逆变电源的双环控制结构示意图；

图3是采用实施例提供的变负载电流前馈系数的逆变电源限流控制方法控制下的逆变电源工作在过载工况下的波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例提供的变负载电流前馈系数的逆变电源限流控制方法，其流程如图1所示，具体如下：

101：检测逆变电源的负载电流，利用负载电流瞬时值判断逆变电源是否短路，若是，则进入步骤104，若否，则进入步骤102；

本步骤中，短路故障判断的阈值大于3倍负载电流瞬时值且小于功率器件耐流最大值；

102：判断负载电流有效值是否大于3倍额定负载电流，若是，则进入步骤105；若否，则进入步骤103；

103：判断负载电流有效值是否大于2倍额定负载电流，若是，则进入步骤106；若否，则进入步骤107；

104：将前馈系数k_io设为0，结束；

105：将前馈系数k_io设为0，并进入步骤108；

106：设置前馈系数其中，I_ORMS为负载电流有效值，I_ORate为负载电流额定值；

107：将前馈系数k_io设为1，进入步骤108；

108：对前馈系数k_io进行滤波处理，以消除前馈系数切换导致的系统输出振荡；

实施例中，本步骤采用的滤波器的表达式为1/(τs+1)；其中τ为滤波器时间常量，s为复变函数算子；其中，τ选择小于或者等于逆变电源的LC型滤波器截止频率的倒数。

图2所示是实施例的逆变电源的双环控制结构示意图为；逆变电源的双环控制结构包括减法器1、减法器2、加法器1、控制器1、控制器2、放大器1以及放大器2；减法器1的第1输入端接收输出电压指令值，减法器1的第2输入端接收LC滤波器的输出电压；控制器1的输入端连接减法器1的输出端，控制器1的输出端连接减法器2的第1输入端；减法器2的第2输入端接收逆变器侧电感电流，减法器2的输出端连接加法器1的第1输入端；加法器1的第2输入端连接至放大器2的输出端，放大器2的输入端接收LC型滤波器的负载电流，加法器1的输出端连接控制器2的输入端，控制器2的输出端连接放大器1的输入端，放大器1的输出端连接LC型滤波器输入端；

在该双环控制结构中，控制器1采用比例基波谐振和谐波谐振控制器实现，用于抑制正常工况下低次谐波电压；控制器2采用比例基波谐振控制器，用于跟踪逆变器侧电感电流控制，且对经过控制器1处理后的逆变器电感电流指令值进行限幅；放大器1为逆变电源的等效增益环节，增益为固定常数；本实施例提供的变负载电流前馈系数的逆变电源限流控制方法，应用于该双环控制结构，关键在于根据负载电流的检测值来切换调整负载电流的前馈系数，即放大器2的增益取值。

为了更加清楚对本发明进行阐述，以下结合具体实施例进一步的说明；具体实施例中，额定功率为10kVA，额定输出电压为115V，单相功率3.3kVA，额定负载电流为29A，设计指标为限流至3倍负载电流，此时输出电流峰值为120A，有效值为87A；考虑到开关管的耐流值为150A，故在本实施例中将步骤101进行短路判定的短路阈值设置为130A；对应的2倍过载负载电流为58A，将该值作为步骤103的判定阈值；在本实施例中，前馈系数设置如下：

步骤108中，滤波器的延时时间根据LC滤波器谐振频率确定；本实施例中，滤波电感L＝280uH，滤波电容C＝50uF，可求得LC滤波器谐振频率f＝1345Hz，考虑到滤波器不影响到实际系统带宽，故取值应略大于或等于LC滤波器截止频率，近似计算得到τ≈7×10^-4，由此获得滤波器表达式为1/(7×10^-4·s+1)。

图3所述，是采用实施例提供的变负载电流前馈系数的逆变电源限流控制方法控制下的逆变电源工作在过载工况下的波形示意图，其中图3(a)是逆变器输出电压波形，图3(b)是负载电流波形；从该图可以看到过载工况下整个输出波形过冲较小，且过载过程中负载电流被限制预期值，表明系统在安全可靠运行；另外，通过FFT分析的波形质量发现有明显提升，验证了实施例提供的这种变负载前馈系数方法可改善输出波形质量的有益效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。