九開關(guān)變換器直接電流控制研究

潘雷　王凱　張俊茹　王貝貝　楊釗　李梅

摘要：針對九開關(guān)變換器的控制問題，提出一種九開關(guān)變換器的直接電流控制策略。闡明了九開關(guān)變換器兩電容電壓與各橋臂開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)間的約束關(guān)系；采用開關(guān)函數(shù)法建立了九開關(guān)變換器在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并給出兩相靜止坐標(biāo)系下九開關(guān)變換器的等效電路模型；通過該等效電路，建立九開關(guān)變換器兩交流端的電流觀測模型，為避免傳統(tǒng)積分器的缺點，采用一種具有飽和反饋功能的改進(jìn)積分器，最終實現(xiàn)九開關(guān)變換器的直接電流控制。此外，該方法僅采用了兩個電壓傳感器，并通過仿真和實驗手段，驗證了該數(shù)學(xué)模型和控制方法的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：九開關(guān)變換器；等效電路；開關(guān)函數(shù)；電流觀測；直接電流控制

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中圖分類號：TM 74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

九開關(guān)變換器（nineswitch converter，NSC）可實現(xiàn)兩個交流端的獨立控制[1]。九開關(guān)變換器具有同頻（constant frequency，CF）和異頻（different frequency，DF）兩種工作模式[2]。CF模式是指兩交流端的工作頻率相同，相位可相同，也可不同；DF模式是指兩交流端的工作頻率不同。

各國學(xué)者針對九開關(guān)變換器進(jìn)行了廣泛深入的研究，研究的主要內(nèi)容為調(diào)制方法和應(yīng)用領(lǐng)域。針對調(diào)制方法的研究主要有載波PWM方法[1-3]和SVM方法兩種[4-5]，重點研究了在同頻和異頻模式下的PWM調(diào)制機理與方法[1]，空間矢量分布規(guī)律及調(diào)制方法[4]，兩交流端輸出電壓幅值與兩交流端相位差間的約束關(guān)系[5]，無死區(qū)時間的PWM調(diào)制機理與方法[2]，開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗[6]等。

九開關(guān)變換器的應(yīng)用領(lǐng)域較廣，如：混合動力汽車[7]、功率質(zhì)量調(diào)節(jié)[8-9]、風(fēng)力發(fā)電[10-13]、分布式發(fā)電系統(tǒng)[14]、不間斷電源[15]等領(lǐng)域。但是目前針對九開關(guān)變換器的數(shù)學(xué)模型與控制方法的研究并不多見。

一般來說，直接電流控制采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)串級控制結(jié)構(gòu)，與間接電流控制相比具有更高的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能和控制精度，同時也使負(fù)載電流的控制對系統(tǒng)參數(shù)的變化不敏感，從而增強了電流控制系統(tǒng)的魯棒性，因而得到了越來越深入的研究和廣泛的應(yīng)用[16]。直接電流控制可分為預(yù)測電流控制[17]、滯環(huán)電流控制[18]、平均電流控制[19- 20]和狀態(tài)反饋電流控制[21]等。

本文提出了一種九開關(guān)變換器的直接電流控制方法。該方法建立了九開關(guān)變換器在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，得到了兩交流端負(fù)載電壓與直流電容兩端電壓間的數(shù)學(xué)模型和兩交流端負(fù)載電流的觀測模型；建立了兩交流端負(fù)載電流的觀測器，針對觀測器中傳統(tǒng)積分環(huán)節(jié)的缺點進(jìn)行了改進(jìn)，最終建立了九開關(guān)變換器的直接電流控制系統(tǒng)。仿真和實驗結(jié)果驗證了該方法的正確性。

1開關(guān)函數(shù)模型

九開關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。鑒于開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)的切換和避免直流母線的短路及兩交流負(fù)載各相電位的不確定，可得各橋臂3個開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)切換的約束條件為：

SAH+SAM+SAL=2，

SBH+SBM+SBL=2，

SCH+SCM+SCL=2。（1）

其中：當(dāng)開關(guān)器件SJX閉合時，SJX=1；當(dāng)開關(guān)器件SJX斷開時，SJX=0（J=A，B，C；X=H，M，L）。

由式（1）可看出，九開關(guān)變換器正常工作時，每一橋臂有且僅有2個開關(guān)器件閉合，即每個橋臂開關(guān)器件工作狀態(tài)的和為2，該約束條件可避免直流母線短路及兩交流負(fù)載各相電位的不確定。

在圖4中，對傳統(tǒng)積分器進(jìn)行了改進(jìn)，采用了具有飽和反饋功能的改進(jìn)積分器（improved integrator with saturated feedback，IISF），其功能如下：系統(tǒng)啟動時，電流較小，接近于0，這時IISF可等效成一個低通濾波器；當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，IISF與傳統(tǒng)積分環(huán)節(jié)作用相當(dāng)；當(dāng)電流值接近上限值時，IISF也可等效成一個低通濾波器。IISF同時具備傳統(tǒng)積分環(huán)節(jié)和低通濾波器的優(yōu)點，不僅可解決積分初值問題，還可解決直流偏移問題。此外，門限值C可根據(jù)交流端負(fù)載額定電流的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

同理，IISF也可應(yīng)用于下端交流負(fù)載電流的觀測器中，這里不予詳述。

對式（2）進(jìn)行坐標(biāo)變換，可得到兩交流端電壓在αβ坐標(biāo)系下的表達(dá)式，如下：

式（10）中可以看出兩交流端電壓僅與兩電容電壓和開關(guān)狀態(tài)有關(guān)，即僅需采用2個電壓傳感器，并結(jié)合開關(guān)器件的工作狀態(tài)便可實現(xiàn)九開關(guān)變換器負(fù)載各相電壓的計算。

基于以上分析，結(jié)合九開關(guān)變換器負(fù)載各相電壓的計算方法和電流觀測方法可建立九開關(guān)變換器的直接電流控制系統(tǒng)，系統(tǒng)控制框圖如圖5所示，采用了電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式。

3仿真與實驗驗證

為了驗證所提出方法的有效性，進(jìn)行了仿真和實驗研究。仿真模型的結(jié)構(gòu)如圖5所示，并采用空間矢量調(diào)制方法[5]。仿真驗證采用Matlab/SIMULINK仿真工具，仿真條件為：輸入直流電壓為900 V，Rs1=Rs2=50 Ω，Ls1=Ls2=100 mH；為模擬實際生活和工業(yè)用電等級，使上端負(fù)載輸出線電壓為380 V，下端負(fù)載輸出線電壓為220 V；上端負(fù)載輸出電壓頻率為50 Hz，下端負(fù)載輸出電壓頻率為60 Hz。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

從圖6中可以看出，穩(wěn)態(tài)時上下兩個交流端的線電壓峰值分別約為537 V和310 V；上交流端的線電壓響應(yīng)速度較快，過渡過程約為0.015 s；下交流端線電壓響應(yīng)速度較慢，過渡過程約為0.02 s。從圖7中可以看出穩(wěn)態(tài)時上下2個交流端的線電流峰值分別約為5.27 A和2.87 A；上交流端的線電流響應(yīng)速度較快，過渡過程時間約為0.015 s；下交流端線電流響應(yīng)速度較慢，過渡過程時間約為0.02 s。從圖6和圖7可以看出，上交流端負(fù)載電壓和電流的頻率均為50 Hz，下交流端負(fù)載電壓和電流的頻率均為60 Hz。由圖8可知，上下兩交流端線電壓THD分別為2.18%和2.14%，上下兩交流端線電流THD分別為1.98%和1.92%；穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率約為97%。

針對所提出的九開關(guān)變換器直接電流控制方法，進(jìn)行了實驗驗證?？刂葡到y(tǒng)采用了圖5所示控制結(jié)構(gòu)，采用數(shù)字信號處理器TMS320F2812作為主控芯片，開關(guān)器件為SKW25N120，電壓傳感器采用CV 3-1000（測量范圍為-1 000～+1 000 V），實驗樣機如圖9所示。

實驗條件如下：輸入直流電壓為900 V，上下兩交流端均為感性負(fù)載（Rs1=Rs2=50 Ω，Ls1=Ls2=100 mH），實驗內(nèi)容分為2種情況，如下：

在CF模式下，上端負(fù)載設(shè)定輸出線電壓為380 V，下端負(fù)載設(shè)定輸出線電壓為220 V；兩交流端負(fù)載輸出電壓頻率均為50 Hz。實驗結(jié)果如圖10、圖11所示。

從圖10中可以看出，在CF模式下，上下兩交流端線電壓峰值分別約為537 V和310 V，頻率均為50 Hz。從圖11中可以看出，在CF模式下，上下兩交流端線電流峰值分別約為5.27 A和3 A，頻率均為50 Hz；上下兩交流端線電壓THD分別為3.13%和2.23%，上下兩交流端線電流THD分別為2.38%和3.08%；穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率約為80%。

在DF模式下，上端負(fù)載設(shè)定輸出線電壓為380 V，下端負(fù)載設(shè)定輸出線電壓為220 V；上交流端負(fù)載輸出電壓頻率為60 Hz，下交流端負(fù)載輸出電壓頻率為50 Hz。實驗結(jié)果如圖12、圖13所示。

從圖12中可以看出，在DF模式下，上下兩交流端線電壓峰值分別約為537 V和310 V，上下兩交流端線電流峰值分別約為4.96 A和3 A，頻率分別為60 Hz和50 Hz。從圖13中可以看出，頻率分別為60 Hz和50 Hz；上下兩交流端線電壓THD分別為3.36%和2.44%，上下兩交流端線電流THD分別為2.30%和3.11%；穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率約為80%。從仿真和實驗結(jié)果可看出，該控制方法可實現(xiàn)NSC的同頻和異頻控制，且實際輸出的電壓和電流頻率與設(shè)定值一致性較好，輸出電壓與電流的幅值與設(shè)定值的一致性也較好，表明了所提出方法的正確性和可行性。但是由于實驗系統(tǒng)中存在一定的干擾信號、信號采集誤差和傳輸延遲等，仿真結(jié)果的電壓和電流THD均優(yōu)于實驗結(jié)果，且仿真結(jié)果中諧波成分的數(shù)量少于實驗結(jié)果；仿真系統(tǒng)的響應(yīng)速度也優(yōu)于實驗系統(tǒng)的響應(yīng)速度，且仿真系統(tǒng)的效率優(yōu)于實驗系統(tǒng)的效率。

4結(jié)論

本文首先建立了九開關(guān)變換器在三相坐標(biāo)系下的開關(guān)函數(shù)模型，通過坐標(biāo)變換的方法得到了九開關(guān)變換器在兩相靜止坐標(biāo)系下的開關(guān)函數(shù)模型；其次，建立了九開關(guān)變換器在兩相靜止坐標(biāo)系下的等效電路和上下兩交流端線電流的觀測方法，并針對傳統(tǒng)積分環(huán)節(jié)存在的缺點進(jìn)行了改進(jìn)；最終提出了一種九開關(guān)變換器的直接電流控制方法。此外，該方法僅采用了兩個電壓傳感器。仿真和實驗結(jié)果表明了該方法的有效性。

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（編輯：邱赫男）