阅读说明：本技术 基于PWM-PFM混合调制的Boost控制器及控制方法 (Boost controller based on PWM-PFM hybrid modulation and control method ) 是由 邓小兵 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于PWM-PFM混合调制的Boost控制器及控制方法,所述控制方法是通过在数字信号处理器(DSP)中储存测量到的系统光伏整列(PV)侧电压值、电流值和直流母线电压值；数字信号处理器(DSP)计算出需要调节的占空比d；设定比较因子δ,将计算出的需要调节的占空比d与控制器上一时刻未输出的占空比之和d′进行叠加,将叠加得到的总和与比较因子δ进行数值比较；若d+d′≥δ,则控制器用PWM调制方式输出占空比(Duty)；若d+d′<δ,则控制器输出d+d′＝0；将输出的d+d′＝0存入控制器上一时刻未输出的占空比之和d′内,再继续进行叠加运算。本发明的应用可以解决现有技术中电路在电感电流断续模式时系统不稳定,精度不高的问题,还可同步应用至其他电力电子拓扑电路中。(The invention discloses a Boost controller based on PWM-PFM mixed modulation and a control method, wherein the control method is characterized in that measured voltage values, current values and direct current bus voltage values of a photovoltaic array (PV) side of a system are stored in a Digital Signal Processor (DSP); a Digital Signal Processor (DSP) calculates a duty ratio d to be adjusted; setting a comparison factor delta, superposing the calculated duty ratio d required to be adjusted and the sum d' of duty ratios which are not output at the last moment of the controller, and carrying out numerical comparison on the sum obtained by superposition and the comparison factor delta; if d + d' is more than or equal to delta, the controller outputs Duty ratio (Duty) in a PWM (pulse-width modulation) mode; if d + d '< delta, the controller outputs d + d' ═ 0; and storing the output d + d 'as 0 into the sum d' of the duty ratios which are not output at the last moment of the controller, and continuing to perform superposition operation. The application of the invention can solve the problems of unstable system and low precision of the circuit in the inductive current discontinuous mode in the prior art, and can be synchronously applied to other power electronic topological circuits.)

基于PWM-PFM混合调制的Boost控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及Boost逆变器领域，尤其涉及一种基于PWM-PFM混合调制的Boost控制器及控制方法。

背景技术

为了人类社会的可持续发展，世界各国都在大力发展风力发电、太阳能发电等新能源发电系统。但是，太阳能电池的输出电压受温度、光照、负载的影响，风力发电机的输出电压受风速的影响，风力发电或太阳能光伏发电的输出电压不是一个恒定值，而是一个很宽的范围。因此,它们发出的电能一般通过一个两级式的并网逆变器并入电网，前级DC-DC变换器将风力发电机或太阳能电池的输出电压转换为需要的恒定直流电压，后级DC-AC逆变器将此直流电压转换为交流电压，并入电网。

Buck变换器和Boost变换器由于结构简单、效率高和成本低等特点在中小功率非隔离应用场合作为前级DC/DC变换器。对于风力发电或太阳能光伏发电来说，其输入电压变化范围较宽，一般采用Boost变换器来实现直流母线电压升高到需要的恒定直流电压的需求。

对于Boost变换电路，如单路Boost电路拓扑如图1所示：

其中，L为Boost电路的滤波电感，一般采用的是铁硅或者非晶等材质，C_pv为PV侧滤波电容，X2电容。C_bus为直流母线滤波电容器；i_pv为面板输出电流。

由于对PV电压进行控制，为简化分析，采用阻性负载R_pv建模，其拓扑图如图2所示：

定义：

因此，a点电位

V_a＝(1-S_a)×V_bus

采用KVL(基尔霍夫电压定律)和KCL(霍夫电流定律)定理，可得

式中，

因此，等效开关数学模型为：

由于开关数学模型不利于控制器设计，采用状态平均法，忽略开关过程中的高频分量，利用S_a≈d，d为等效平均占空比。得出单相光伏逆变器的s域平均状态数学模型为：

(sL+R_L)i_L＝V_pv-(1-d)V_bus

根据式可以得到Boost数学模型框图如下所示。图3中，

通过G_im、G_vm构建Boost-PV电压控制数学模型框图，然后给到传递函数，就可以通过多种脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)技术的占空比而达到控制直流母线电压升压的目的。

然而，在电感值比较小、轻载情况或者V_pv约小于V_bus等情况下，电路工作在电感电流断续模式时(DCM)，虽然采用了倍频采样，可以较准确检测出电流的平均值，然而由于Boost硬件死区以及窄脉冲效应，导致系统统控制环输出不精确，影响此时的输出电压，使之纹波增大，具体如图4所示。

从图4中可以看到，系统将存在较大的电流纹波与电压纹波，这些纹波将带来系统器件更大应力，同时也就加大系统风险，同时，从系统稳定性角度来看，该情况将使得系统存在激励源，加剧系统不稳定性。

因此，亟需提出一种新的技术方案来解决现有技术中存在的不足。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种基于PWM-PFM混合调制的Boost控制器及控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于PWM-PFM混合调制Boost控制器的控制方法，包括如下步骤：

S1：Boost控制器接收数字信号处理器计算出的需要调节的占空比d；

S2：将步骤S1中需要调节的占空比d与Boost控制器上一时刻未输出的占空比之和d′进行叠加，将叠加得到的总和与设定的比较因子δ进行数值比较；

S3：若d+d′≥δ，则Boost控制器用PWM调制方式输出占空比。

上述技术方案进一步的，步骤S2中，若d+d′<δ，则Boost控制器输出d+d′＝0；

进一步的，将未输出的d+d′幅值存入Boost控制器上一时刻未输出的占空比之和d′内，重复步骤S2，继续循环比较。

进一步的，步骤S1中，设定系统光伏整列的PFM的频率范围；

进一步的，在数字信号处理器中储存测量到的系统光伏整列侧的电压值、电流值和直流母线电压值；

进一步的，所述数字信号处理器采用系统光伏整列侧电压外环和/或系统光伏整列侧电流内环计算需要调节的占空比d。

更进一步的，所述系统光伏整列侧电压外环，是通过系统光伏整列侧的电压控制器进行PI算法，控制数字信号处理器计算出需要调节的占空比d，所述PI算法公式为：

其中，K_pv为电压环控制K_p参数，K_iv为电压环控制K_i参数，s为算法引入的拉氏变换；

进一步的，所述系统光伏整列侧电流内环，是通过系统光伏整列侧的电感电流控制器进行PI算法，控制数字信号处理器计算出需要调节的占空比d，所述PI算法公式为：

其中，K_pi为电流环控制K_p参数，K_ii为电流环控制K_i参数，s为算法引入的拉氏变换。

更进一步的，所述步骤S1中，所述数字信号处理器采用电压控制环、电流控制环和直流母线稳定控制环计算需要调节的占空比d。

进一步的，所述步骤S2中，根据系统Boost控制器硬件死区指标、软件死区指标以及窄脉冲效应指标设定比较因子δ的值。

进一步的，所述步骤S2中，人为设定比较因子δ的值。

进一步的，所述步骤S2中，Boost控制器上一时刻未输出的占空比之和d′采用以下公式获得：

d(k)′＝d(k-1)′+d(k)-0；

其中，k-1时刻是k时刻的上一时刻；d(k)′表示Boost控制器在k时刻的上一时刻未输出的占空比之和；d(k-1)′表示Boost控制器在k-1时刻的上一时刻未输出的占空比之和；d(k)表示数字信号处理器在k时刻计算出的需要调节的占空比d。

上述技术方案进一步的，一种基于PWM-PFM混合调制Boost控制器，包括存储模块、计算模块和输出模块；

进一步的，所述存储模块包括用于存储从数字处理器中接收到的需要调节的占空比d的第一存储单元，及用于存储Boost控制器上一时刻未输出的占空比之和d′的第二存储单元；

进一步的，所述计算模块包括运算单元和校验单元；

进一步的，所述运算单元，用于叠加需要调节的占空比d与Boost控制器上一时刻未输出的占空比之和d′；

进一步的，所述校验单元，用于d+d′与比较因子δ进行数值比较；

进一步的，所述输出模块，用于输出占空比。

更进一步的，所述计算模块还包括更新单元，所述更新单元用于刷新所述第二存储单元内d′的值；

更进一步的，所述输出模块，用于在所述校验单元校验到d+d′<δ时输出d+d′＝0；

更进一步的，所述第二存储单元，用于存储d+d′＝0。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的控制方法结合PWM-PFM混合调制来实现Boost升压控制调节，降低了电流纹波与电压纹波，进而降低系统器件应力，同时也降低系统风险；

2.本发明通过PWM-PFM调制方式可以在电路工况处于电感电流断续模式时(DCM)时，结合PFM调制方式有效测出电流的平均值，使得系统控制环输出精确，降低轻载时的输出电压，使电压纹波减小；

3.本发明所述的Boost控制器降低了系统噪音与功耗，提高了光伏逆变器稳定性与可靠性，提高了系统发电效率；

4.本发明所述的控制方法解决了电感电流断续模式时(DCM)下无法精确采样、控制等难点；

5.本发明所述的控制方法不局限于Boost控制器，可以推广应用至降压式变换电路(Buck)、逆变器等所有在电感电流断续模式时(DCM)下无法精确采样、控制的电力电子拓扑中；

6.本发明所述的控制方法可以应用到风电逆变器、不间断电源(UPS)等所有电力电子拓扑电路中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是背景技术中单路Boost电路拓扑图；

图2是背景技术中Boost-PV电压控制建模拓扑图；

图3是背景技术中Boost-PV电压控制数学模型框图；

图4是背景技术中Boost实际测试平台检测到的电压电流示意图；

图5是本发明所述PWM-PFM混合调制方式的案例图；

图6是实施本发明后Boost实际测试平台检测到的电压电流示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中可以通过多种脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)技术的占空比而达到控制直流母线电压升压的目的，但是，当电路处于电感电流断续模式时(DCM)，由于Boost硬件死区以及窄脉冲效应，将导致系统统控制环输出不精确，影响此时的输出电压，使电压纹波增大，加大了系统风险。

如图1、图2所示，表示的是Boost电路拓扑系统，该系统包括光伏电池模块，其中V_pv为光伏电池模块，C_pv为逆变器寄生电容，L为Boost电路的滤波电感，R_L为滤波电感等效阻抗，T为开关管，D为二极管，C_bus为直流母线滤波电容器，i_pv为面板输出电流，V_bus为直流母线电压。

如图3所示，PV电压外环，G_vc为PV电压控制器，PI算法，

其中，K_pv为电压环控制K_p参数，K_iv为电压环控制K_i参数；PV电流内环，G_ic为电感电流控制器，PI算法，

其中，K_pi为电流环控制K_p参数，K_ii为电流环控制K_i参数，Duty为Boost控制器占空比。

如图4所示，图片中部的直线表示直流母线电压V_bus，图片上部的连续波形为PV的Boost驱动Duty，图片下部的连续波形为PV的电流i_pv，图片中部的平缓曲线为PV1电压V_pv。

实施例：

为了现有技术中存在的问题，本发明提出了一种新的技术方案:

基于PWM-PFM混合调制Boost控制器的控制方法，包括如下步骤：

S1：Boost控制器接收数字信号处理器计算出的需要调节的占空比d；

S2：将步骤S1中需要调节的占空比d与Boost控制器上一时刻未输出的占空比之和d′进行叠加，将叠加得到的总和与设定的比较因子δ进行数值比较；

S3：若d+d′≥δ，则Boost控制器用PWM调制方式输出占空比。

上述技术方案进一步的，步骤S2中，若d+d′<δ，则Boost控制器输出d+d′＝0；

进一步的，将未输出的d+d′幅值存入Boost控制器上一时刻未输出的占空比之和d′内，重复步骤S2，继续循环比较。

进一步的，步骤S1中，设定系统光伏整列的PFM的频率范围；

进一步的，在数字信号处理器中储存测量到的系统光伏整列侧的电压值、电流值和直流母线电压值；

进一步的，所述数字信号处理器采用系统光伏整列侧电压外环和/或系统光伏整列侧电流内环计算需要调节的占空比d。

更进一步的，所述系统光伏整列侧电压外环，是通过系统光伏整列侧的电压控制器进行PI算法，控制数字信号处理器计算出需要调节的占空比d，所述PI算法公式为：

其中，K_pv为电压环控制K_p参数，K_iv为电压环控制K_i参数，s为算法引入的拉氏变换；

进一步的，所述系统光伏整列侧电流内环，是通过系统光伏整列侧的电感电流控制器进行PI算法，控制数字信号处理器计算出需要调节的占空比d，所述PI算法公式为：

其中，K_pi为电流环控制K_p参数，K_ii为电流环控制K_i参数，s为算法引入的拉氏变换。

更进一步的，所述步骤S1中，所述数字信号处理器采用电压控制环、电流控制环和直流母线稳定控制环计算需要调节的占空比d。

进一步的，所述步骤S2中，根据系统Boost控制器硬件死区指标、软件死区指标以及窄脉冲效应指标设定比较因子δ的值。

进一步的，所述步骤S2中，人为设定比较因子δ的值。

进一步的，所述步骤S2中，Boost控制器上一时刻未输出的占空比之和d′采用以下公式获得：

d(k)′＝d(k-1)′+d(k)-0；

其中，k-1时刻是k时刻的上一时刻；d(k)′表示Boost控制器在k时刻的上一时刻未输出的占空比之和；d(k-1)′表示Boost控制器在k-1时刻的上一时刻未输出的占空比之和；d(k)表示数字信号处理器在k时刻计算出的需要调节的占空比d。

上述技术方案进一步的，一种基于PWM-PFM混合调制Boost控制器，包括存储模块、计算模块和输出模块；

进一步的，所述存储模块包括用于存储从数字处理器中接收到的需要调节的占空比d的第一存储单元，及用于存储Boost控制器上一时刻未输出的占空比之和d′的第二存储单元；

进一步的，所述计算模块包括运算单元和校验单元；

进一步的，所述运算单元，用于叠加需要调节的占空比d与Boost控制器上一时刻未输出的占空比之和d′；

进一步的，所述校验单元，用于d+d′与比较因子δ进行数值比较；

进一步的，所述输出模块，用于输出占空比。

更进一步的，所述计算模块还包括更新单元，所述更新单元用于刷新所述第二存储单元内d′的值；

更进一步的，所述输出模块，用于在所述校验单元校验到d+d^′<δ时输出d+d′＝0；

更进一步的，所述第二存储单元，用于存储d+d′＝0。

本发明所述的控制方法，是通过检测平台检测PV侧电压值、电流值和直流母线电压值，数字信号处理器(DSP)计算控制Boost控制器输出占空比Duty，在调制发波过程，计及系统Boost硬件死区以及窄脉冲效应，根据决策预设选择PWM调试还是PFM调制方式作用到最终硬件电路输出端，实现Boost升压功能，对于调制决策预设：在安全裕量情况下，系统采用PWM调制的Boost控制器；在安全裕量不够时，系统采用脉冲频率调制(Pulse frequencymodulation，PFM)的Boost控制器，通过两种调制方式的组合，提供系统稳定裕度，同时降低输出电压、电流纹波。

本发明所述的PI算法引入了拉氏变换，在PI算法公式中：

式中，s有一个关于t的函数，在这种情况下引入s＝σ+jω(σ、ω均为实数)，以复指数exp(st)为基本信号，任意信号可分解为众多不同复频率的复指数分量，而LTI系统的零状态响应是输入信号的分量所引起响应的积分(拉氏变换)，而且若考虑到系统的初始状态则系统的零输入响应也可以同时求得，从而得到系统的全响应。

本发明所述控制方法的基本原理：

通过测测量系统PV侧电压与电流、直流母线电压值，并将该模型存储于DSP中，DSP一般采用PV电压外环，PV电流内环控制策略来计算出需要调节占空比d，根据占空比d+d′(其中d′表示上一时刻未输出的占空比之和)，当控制器输出占空比的d+d′≥δ(δ将根据系统Boost硬件死区以及窄脉冲效应等指标来决定，但不仅限与此，可以结合用户实际需要来设定)，输出采用PWM调制方式，直接输出占空比d+d′；如果控制器输出占空比Duty的d+d′<δ时，本次输出d+d′＝0，并将本次的控制器输出占空比d+d′锁存到d′中，供下一时刻判断使用，输出采用PWM调制方式实现不输出占空比，只有当d+d′≥δ满足才输出占空比。该输出方式通过不输出占空比与输出占空比方式，实现PFM调制方式。

如图5所示，横轴为给定示例时间，纵轴为占空比。

如图6所示，图片中部有三条非常平滑的粗曲线，接近于直线，上中下分布，其中位于中间的直线表示直流母线电压V_bus，位于上方的直线，连同此直线附近的密集波形均为PV的Boost驱动Duty，位于下方的直线为PV电压V_pv，图片下部的较均匀波形为PV的电流i_pv，对比图4，可以看到，图4中电流波动较大，最大i_pv达到12.4A，最小为2.9A，而在实施本专利后，最大i_pv为11.3A，最小为4.9A，相对图4，本专利电流波动明显减小，并且PV电压V_pv与母线电压V_bus均变得平稳。

综上所述，本发明所述的控制方法确实可以解决现有技术中存在问题，使得系统更加稳定。