一種Buck-Boost矩陣變換器的復(fù)合控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種Buck-Boost矩陣變換器的復(fù) 合控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 矩陣變換器是一種具有簡單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和一系列理想電氣特性的"綠色"變頻器，其 優(yōu)點包括諸如輸入電流正弦、輸入功率因數(shù)可調(diào)、無中間儲能環(huán)節(jié)、能量可雙向流動等，因 而該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自上世紀(jì)70年代提出以來一直成為電力電子領(lǐng)域研宄的熱點。然而到目前 為止，矩陣變換器還沒有得到推廣應(yīng)用，其中一個主要原因就是電壓傳輸比低，它是制約矩 陣變換器在電力傳動等要求實現(xiàn)電氣設(shè)備額定運行的諸多領(lǐng)域應(yīng)用的重要因素。
[0003] 針對矩陣變換器存在電壓傳輸比低的缺陷，國內(nèi)外從改變控制策略入手進行了廣 泛的研宄，提出了多種可提高電壓傳輸比的控制方法，但效果不理想，如輸出諧波過大。為 此，研宄者提出了一種稱為Buck-Boost矩陣變換器（Buck-Boost Matrix Converter, BBMC) 的新型主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅保持了傳統(tǒng)矩陣變換器輸入電流正弦、輸入功率 因數(shù)可調(diào)等系列優(yōu)點，同時還具有輸出電壓和頻率任意可調(diào)，即其電壓傳輸比既可大于 1. 0、也可小于1. 0,且直接輸出高品質(zhì)的正弦波而無需濾波環(huán)節(jié)等特點，從而有效解決了傳 統(tǒng)矩陣變換器電壓傳輸比低的難題。
[0004] 而針對Buck-Boost矩陣變換器的控制，因其逆變級工作于變工作點，較難控制， 盡管目前已分別對其研宄采用了滑?？刂?、離散滑模控制、自抗擾控制、基于PID控制的雙 閉環(huán)控制等多種控制方法，并取得了一定的控制效果，但各種控制方法均存在穩(wěn)態(tài)誤差偏 大的問題，即Buck-Boost矩陣變換器的實際輸出電壓與其參考輸出電壓之間存在較大的 穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差，這對于以Buck-Boost矩陣變換器作為變頻器的變頻調(diào)速系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域 來說，難以滿足預(yù)定的調(diào)速精度的控制要求。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種Buck-Boost矩陣變換器的復(fù)合控 制裝置。
[0006] 所述裝置包括BBMC整流級、BBMC逆變級、直流電壓檢測模塊、逆變控制模塊、狀態(tài) 變量檢測模塊和輸出電流檢測模塊，所述BBMC整流級的輸出端與BBMC逆變級的輸入端、 直流電壓檢測模塊的輸入端相連；直流電壓檢測模塊的輸出端與逆變控制模塊的輸入端相 連；逆變控制模塊的輸出端與BBMC逆變級相連，逆變控制模塊控制BBMC逆變級；BBMC逆變 級的輸出端與狀態(tài)變量檢測模塊的輸入端和輸出電流檢測模塊的輸入端相連；狀態(tài)變量檢 測模塊的輸出端和輸出電流檢測模塊的輸出端與逆變控制模塊相連。
[0007] 優(yōu)選的，所述逆變控制模塊還包括：復(fù)合控制模塊、數(shù)值處理模塊、限幅模塊；復(fù) 合控制模塊、數(shù)值處理模塊和限幅模塊順序連接，逆變控制模塊將直流電壓檢測模塊、狀態(tài) 變量檢測模塊和輸出電流檢測模塊輸入的信號進行處理后輸出控制BBMC逆變級的信號。
[0008] 進一步優(yōu)選的，所述復(fù)合控制模塊包括電容電壓控制外環(huán)的復(fù)合控制器和電感電 流控制內(nèi)環(huán)中的復(fù)合控制器；所述電容電壓控制外環(huán)的復(fù)合控制器和電感電流控制內(nèi)環(huán)中 的復(fù)合控制器分別包括重復(fù)控制器和PI控制器；所述重復(fù)控制器包括周期延時環(huán)節(jié)和低 通濾波器。
[0009] 進一步優(yōu)選的，所述低通濾波器為一階低通濾波器。
[0010] 更進一步優(yōu)選的，電容電壓控制外環(huán)的復(fù)合控制器中的一階低通濾波器數(shù)學(xué)模型 為：
[0011] = 式中為截止頻率。
[0012] 更進一步優(yōu)選的，電感電流控制內(nèi)環(huán)中的復(fù)合控制器中的一階低通濾波器數(shù)學(xué)模 型為：
[0013] 研一；^，式中為截止頻率。
[0014] 進一步優(yōu)選的，周期延時環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型為et，式中時滯常數(shù)L取Buck-Boost矩 陣變換器參考輸出電壓的周期。
[0015] 進一步優(yōu)選的，PI控制器的數(shù)學(xué)模型為式中krci、kra分別為PI控制器 的比例和積分系數(shù)。
[0016] 相對于現(xiàn)有技術(shù)：本實用新型在Buck-Boost矩陣變換器輸出端獲得與其參考值 高度一致的輸出電壓，從而實現(xiàn)對其參考輸出電壓的準(zhǔn)確跟蹤。本實用新型具有控制精度 高、跟蹤誤差小、動態(tài)性能好等優(yōu)點，可大大提高Buck-Boost矩陣變換器控制系統(tǒng)的動態(tài) 和穩(wěn)態(tài)性能。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本實用新型Buck-Boost矩陣變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖2為本實用新型控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0019] 圖3為本實用新型中的電容電壓控制外環(huán)原理框圖。
[0020] 圖4為本實用新型中的電感電流控制內(nèi)環(huán)原理框圖。
[0021] 圖5為本實用新型控制系統(tǒng)的逆變控制模塊結(jié)構(gòu)框圖。
[0022] 圖6為本實用新型電容電壓控制外環(huán)中的復(fù)合控制器原理框圖。
[0023] 圖7為本實用新型電感電流控制內(nèi)環(huán)中的復(fù)合控制器原理框圖。
[0024] 圖8為本實用新型中采用遺傳免疫微粒群算法優(yōu)化復(fù)合控制器控制參數(shù)結(jié)構(gòu)框 圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
[0026] 參見圖1，圖1為本實用新型Buck-Boost矩陣變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。該結(jié) 構(gòu)采用AC-DC-AC兩級變換器的結(jié)構(gòu)形式，其整流級為一個3/2相矩陣變換器，采用無零矢 量的空間矢量調(diào)制策略進行控制（非本專利申請保護范圍，此處不再贅述）；而逆變級由三 個結(jié)構(gòu)相同的Buck-Boost DC/DC變換器構(gòu)成，因而其控制系統(tǒng)將針對每相Buck-Boost DC/ DC變換器構(gòu)建一個單獨的控制單元（因每相變換器的控制單元結(jié)構(gòu)完全相同，為簡化起 見，下述以第一相控制單元為例），每個控制單元又包括針對電容電壓與電感電流兩個系統(tǒng) 控制變量分別構(gòu)建的基于重復(fù)控制和PI (Proportional Integral)控制結(jié)合的復(fù)合控制閉 環(huán)；鑒于其中電容電壓與Buck-Boost矩陣變換器的輸出電壓直接相關(guān)聯(lián)（其交流分量即為 Buck-Boost矩陣變換器要求輸出的交流電壓），故將其作為控制外環(huán)（控制外環(huán)是對電容 的電壓進行控制，如第一相的電容為Q，則該相控制外環(huán)就是對電容Q兩端的電壓進行控 制，使該電壓與其參考電壓保持一致），而電感在Buck-Boost矩陣變換器中起中間能量傳 輸作用，對其電流進行直接控制可有效提高系統(tǒng)的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能及系統(tǒng)的可靠性，故將 其作為控制內(nèi)環(huán)（控制內(nèi)環(huán)是對電感的電流進行控制，如第一相的電感為U，則該相控制內(nèi) 環(huán)就是對電感1^的電流進行控制，使電感L i中的電流與其參考電流保持一致）；該控制策 略通過在電容電壓與電感電流兩個控制閉環(huán)中采用重復(fù)控制對變量偏差信號進行延時補 償，以達(dá)到消除電容電壓和電感電流對其參考信號跟蹤誤差的目的，從而實現(xiàn)Buck-Boost 矩陣變換器的實際輸出電壓對其參考輸出電壓的準(zhǔn)確跟蹤。
[0027] 參見圖2,圖2為本實用新型控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。包括BBMC(Buck_Boost Matrix Converter)整流級、BBMC逆變級、網(wǎng)側(cè)電壓檢測模塊、整流控制模塊、直流電壓檢測模塊、 逆變控制模塊、狀態(tài)變量檢測模塊和輸出電流檢測模塊，所述BBMC整流級的輸入端和網(wǎng)側(cè) 電壓檢測模塊的輸入端相連；網(wǎng)側(cè)電壓檢測模塊的輸出端與整流控制模塊的輸入端相連； 整流控制模塊的輸出端與BBMC整流級相連，整流控制模塊控制BBMC整流級；所述BBMC整 流級的輸出端與BBMC逆變級的輸入端、直流電壓檢測模塊的輸入端相連；直流電壓檢測模 塊的輸出端與逆變控制模塊的輸入端相連；逆變控制模塊的輸出端與BBMC逆變級相連，逆 變控制模塊控制BBMC逆變級；BBMC逆變級的輸出端與狀態(tài)變量檢測模塊的輸入端和輸出 電流檢測模塊的輸入端相連；狀態(tài)變量檢測模塊的輸出端和輸出電流檢測模塊的輸出端與 逆變控制模塊相連。
[0028] 參見圖3,圖3為本實用新型Buck-Boost矩陣變換器的電容電壓控制外環(huán)原理 框圖。該控制環(huán)的作用在于通過確定電感電流控制內(nèi)環(huán)的參考值i UMf，并由控制內(nèi)環(huán)改變 Buck-Boost矩陣變換器中對應(yīng)功率開關(guān)的占空比屯來調(diào)節(jié)電感電流和電容電壓（以第一 相Buck-Boost DC/DC變換器為例來說，占空比屯對應(yīng)控制功率開關(guān)的導(dǎo)通時間，功率開 關(guān)1和T i處于互補工作狀態(tài)，即T i導(dǎo)通時，T 2截止，反之T i截止時，T 2導(dǎo)通），使電容電壓 按設(shè)定的參考值變化，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。
[0029] 該控制環(huán)首先根據(jù)Buck-Boost矩陣變換器的參考輸出電壓信號并經(jīng)相關(guān)變換獲 得電容電壓的參考值u aref，即取其Buck-Boost矩陣變換器的參考輸出電壓幅值的1. 5倍作 為直流偏置，再將該直流偏置與參考輸出電壓信號疊加，便得到電容電壓的參考值uaref。
[0030] 然后將電容電壓參考值!^,#與其實際值11。1進行比較，其偏差A(yù) ua作為復(fù)合控制 器的輸入；該復(fù)合控制器包括重復(fù)控制器和PI控制器，偏差信號A ua經(jīng)重復(fù)控制器延時 補償再經(jīng)PI控制器運算處理后得到電容電流的參考值iaMf;通過檢測Buck-Boost矩陣變 換器的直流側(cè)電壓t、逆變級輸出電流h以及電容電壓實際值u a以及電容電流的參考值 iclMf在數(shù)值處理模塊中進行處理，處理方式為公式：= ，由上述 公式即可計算得到電感電流的參考值iUMf;將該參考值i UMf經(jīng)限幅環(huán)節(jié)限幅后作為電感 電流控制內(nèi)環(huán)的參考輸入，在限幅環(huán)節(jié)中限幅的目的在于避免電感電流出現(xiàn)異常值。
[0031] 參見圖4,圖4為本實用新型Buck-Boost矩陣變換器電感電流控制內(nèi)環(huán)原理框圖。 該控制環(huán)將電容電壓控制外環(huán)產(chǎn)生的電感電流參考值i UMf與其實際值i 11進行比較，其偏 差A(yù) iu作為復(fù)合控制器的輸入；同樣該復(fù)合控制器也包括重復(fù)控制器和PI控制器，偏差 信號A iu經(jīng)重復(fù)控制器延時補償再經(jīng)PI控制器運算處理后得到電感電壓的參考值u UMf; 通過檢測Buck-Boost矩陣變換器直流側(cè)電壓t、電容電壓實際值％以及電感電壓的參