一种提升功率变换器动态响应速率的暂态补偿系统及方法与流程

本发明属于变换器控制，特别是一种提升功率变换器动态响应速率的暂态补偿系统及方法。

背景技术：

1、动态响应的快速性是评判开关电源性能优劣的关键指标之一。当发生负载突变、输入电压突变、或者其他动态扰动时，需保证开关电源的输出足够稳定，输出电压波动尽量小，且恢复到指定电压的时间足够短。

2、在功率变换器输出端并接大量电容可有效改善变换器的动态性能，但是极大地增加了功率变换器的体积、重量及成本，相比较而言，优化动态算法具有高效、高性能、低成本的优点。目前动态优化算法主要有优化控制器设计、加入非线性暂态补偿算法等。其中，优化控制器设计，一方面要对被控功率变换器进行建模，对于复杂功率变换器很难建立精确的小信号模型，且寄生参数对模型的准确性有较大影响；另一方面，控制器的优化通常伴随着控制器零极点的增加，对于模拟实现方式来说，这需要更多的阻容电路来实现复杂的控制，对数字实现方式来说，这需要更多的运算时间来进行复杂的算法实现；此外，采用较强的控制参数也能明显提升动态性能，但强控制参数可能会影响到变换器的稳定性，在某些变换场合，例如ac-dc变换器中，较强的闭环控制参数会导致波形畸变，影响系统的thd。非线性暂态补偿算法也是在动态优化过程中常用的方法，为不影响变换器正常运行状态的稳定性，暂态补偿通常是在检测到变换器发生暂态时及时补偿，在变换器达到稳态后退出补偿，然而我们很难确定暂态补偿的加入和退出条件，因此常常出现暂态补偿反复加入或在稳态时误加入的情况，从而影响到功率变换器的稳态性能。

3、总之，现有技术的快速动态响应方案需增加硬件电路、控制器设计的复杂程度，且很难兼顾动态性能和稳态性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种可平滑切入的暂态补偿方法。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一方面，提供了一种提升功率变换器动态响应速率的暂态补偿系统，所述系统包括功率变换器和变换器控制模块，所述变换器控制模块，用于基于暂态补偿算法实现所述功率变换器的输出电压稳压控制。

3、进一步地，所述变换器控制模块的核心装置为：集成微控制器mcu，或集成现场可编程逻辑器件fpga，或集成以微控制器或可编程逻辑器件为核心联合外部模拟电路组成的控制系统。

4、进一步地，所述变换器控制模块包括暂态补偿模块和主控模块；

5、所述暂态补偿模块的输入信号为用户期望补偿点电压voref_comp、功率变换器的输出电压vo，经过暂态补偿算法计算，向所述主控模块输出调节器补偿值vcomp2；

6、所述主控模块的输入信号为输出电压额定值voref_norm、输出电压实际值vo、输入电压vin、采样到的滤波电流值ilf以及所述调节器补偿值vcomp2，经过调节计算，所述主控模块向所述功率变换器输出开关管的驱动信号。

7、进一步地，所述主控模块的控制目标包括：

8、稳压控制：控制输出电压稳定在额定电压点voref_norm；

9、高功率因数：控制输入电流与电网电压同相位；

10、低谐波含量：控制输入电流波形为正弦。

11、进一步地，所述暂态补偿模块包括第一减法器、第一调节器、补偿条件判断模块以及限幅模块；

12、所述第一减法器的输入信号为用户期望补偿点电压voref_comp和功率变换器输出电压vo，所述第一减法器用于对所述输入信号作减法运算，运算结果记为vo_error1；

13、所述第一调节器的输入信号为所述第一减法器的输出信号vo_error1，所述第一调节器用于对输出信号vo_error1进行调节运算，运算结果记为vcomp0；

14、所述补偿条件判断模块，用于判断功率变换器是否满足补偿条件，若满足补偿条件则输出信号vcomp1＝vcomp0，否则输出信号vcomp1＝0；

15、所述限幅模块，用于对所述补偿条件判断模块的输出信号vcomp1进行幅值限定；所述限幅模块具有最大限定值vcomp_max和最小限定值vcomp_min，当vcomp1>vcomp_max时，限定所述限幅模块的输出结果为vcomp2＝vcomp_max；当vcomp1<vcomp_min时，限定所述限幅模块的输出结果为vcomp2＝vcomp_min；否则所述限幅模块的输出结果为vcomp2＝vcomp1。

16、进一步地，所述补偿条件判断模块为基于补偿历史的条件判断模块，其判断在t1时间内功率变换器是否进行过非零补偿，若是，则补偿条件判断模块的输出信号为零，否则补偿条件判断模块的输出为vcomp0。

17、进一步地，所述用户期望补偿点电压voref_comp为一个小于功率变换器额定电压voref_norm的值。

18、进一步地，所述主控模块包括第二减法器、第二调节器、补偿计算模块、锁相环模块、乘法器、第三减法器、第三调节器以及pwm生成模块；

19、所述第二减法器的输入信号为功率变换器额定电压voref_norm和功率变换器输出电压vo，所述第二减法器用于对所述输入信号作减法运算，运算结果记为vo_error2；

20、所述第二调节器的输入信号为所述第二减法器的输出信号vo_error2，所述第二调节器用于对输出信号vo_error2进行调节运算，运算结果包括调节器积分值iinteg0和调节器第一输出值iref0；

21、所述补偿计算模块的输入信号为所述限幅模块的输出值vcomp2以及所述第二调节器的输出值iinteg0、iref0，所述补偿计算模块用于将所述限幅模块的输出值vcomp2叠加到所述第二调节器的输出值iinteg0、iref0上，分别得到iinteg1、iref1，同时将计算结果反馈回所述第二调节器；

22、所述锁相环模块的输入信号为输入电压vin，所述锁相环模块通过对输入电压vin进行锁相计算得到输入电压的相位信息，以达到高功率因数、低谐波含量的控制目标，其输出信号传输至所述乘法器；

23、所述乘法器用于对所述补偿计算模块的电流峰值基准iref1和所述锁相环模块输出的相位信息相乘，得到输入电流基准iref2；

24、所述第三减法器的输入信号为所述输入电流基准iref2和采样到的滤波电流值ilf，所述第三减法器用于对所述输入信号作减法运算，得到输入电流误差ierror；

25、所述第三调节器的输入信号为所述第三减法器输出的输入电流误差ierror，所述第三调节器用于对输入电流误差ierror进行调节运算，运算结果记为ier2；

26、所述pwm生成模块，用于根据所述第三调节器输出的ier2生成相应的开关管驱动信号，以驱动所述功率变换器中的开关管。

27、另一方面，提供了一种提升功率变换器动态响应速率的暂态补偿方法，所述方法包括：

28、基于暂态期望补偿电压点确定误差电压；

29、所述误差电压通过调节器计算，得到暂态补偿值；

30、基于补偿历史监测判断是否满足补偿条件，进行不同的暂态补偿；

31、对暂态补偿值进行限幅；

32、将暂态补偿值叠加到功率变换器的调节器输出或调节器积分环节。

33、进一步地，所述方法具体包括：

34、步骤1，用户确定所述用户期望补偿点电压值voref_comp；

35、步骤2，基于所述用户期望补偿点电压值voref_comp以及采样到的功率变换器输出电压vo，计算得到暂态补偿误差vo_error1；

36、步骤3，基于所述暂态补偿误差vo_error1进行调节计算，得到第一暂态补偿值vcomp0；

37、步骤4，判断t1时间段内，是否进行过非零的暂态补偿，若是，则进入步骤5，否则进入步骤6；

38、步骤5，将第二暂态补偿值vcomp1赋0，之后进入步骤7；

39、步骤6，令第二暂态补偿值vcomp1等于第一暂态补偿值vcomp0，之后进入步骤7；

40、步骤7，判断第二暂态补偿值vcomp1是否大于暂态补偿最大值vcomp_max，若是，则进入步骤8，否则进入步骤9；

41、步骤8，令第三暂态补偿值vcomp2等于暂态补偿最大值vcomp_max，之后进入步骤10；

42、步骤9，令第三暂态补偿值vcomp2等于第二暂态补偿值vcomp1，之后进入步骤10；

43、步骤10，判断第二暂态补偿值vcomp1是否小于暂态补偿最大值vcomp_min，若是，则进入步骤11，否则进入步骤12；

44、步骤11，令第三暂态补偿值vcomp2等于暂态补偿最小值vcomp_min，之后进入步骤13；

45、步骤12，令第三暂态补偿值vcomp2等于第二暂态补偿值vcomp1，之后进入步骤13；

46、步骤13，将第三暂态补偿值vcomp2叠加到功率变换器主调节器的积分环节；

47、步骤14，等待下一个计算周期。

48、进一步地，步骤13中叠加到功率变换器主调节器的积分环节后，所述功率变换器的控制流程包括：

49、步骤130，基于所述用户期望补偿点电压值voref_comp以及采样到的功率变换器输出电压vo，计算得到调节误差vo_error2；

50、步骤131，基于所述调节误差vo_error2进行积分运算，得到第一积分值iinteg0和第一输出值iref0；

51、步骤132，将所述第三暂态补偿值vcomp2叠加到所述第一积分值iinteg0上，得到最终积分值iinteg1和第二调节器最终输出值即电流峰值基准iref1；

52、步骤133，根据所述输入交流电压vin进行锁相计算，得到输入电压的相位信息；

53、步骤134，根据步骤132得到的电流峰值基准iref1和步骤133得到的输入电压相位信息，计算得到输入电流的基准iref2；

54、步骤135，基于所述电流峰值基准iref1以及采样到的功率变换器输入电流ilf，计算得到调节误差ierror即输入电流误差ierror；

55、步骤136，基于所述输入电流误差ierror进行准比例谐振运算，得到输出值ier2；

56、步骤137，根据所述输出值ier2生成pwm信号提供给功率变换器开关管的驱动引脚；

57、步骤138，等待下一个计算周期。

58、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

59、(1)本发明提出的暂态补偿算法可以在稳态与暂态之间实现平滑过度，稳态时不影响功率变换器的正常调节，暂态发生时平滑加入补偿，在实现快速补偿的同时不会造成超调。

60、(2)本发明算法限定了暂态补偿的条件，即一旦成功进行了暂态补偿，随即记录补偿时刻，并限定一定时间t1内不允许再次进行暂态补偿，t1时间过后才能进行下次补偿。解决了连续的暂态补偿补偿可能会造成系统振荡问题。

61、下面结合附图对本发明作进一步详细描述。