本實用新型涉及一種九開關(guān)變換器的直接功率控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著功率變換器小型化、高可靠性和低功耗的不斷發(fā)展，各國學者對功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)的改進，及其相應(yīng)的控制方法做出了大量工作，并取得了大量成果。

九開關(guān)變換器相對于傳統(tǒng)背靠背兩電平12開關(guān)變換器減少了3個開關(guān)器件及其驅(qū)動電路，該種拓撲結(jié)構(gòu)在成本和體積上具有一定優(yōu)勢。

九開關(guān)變換器同時可具備兩路三相交流輸出，可實現(xiàn)三相交流負載的驅(qū)動，其運行模式可分為同頻運行和異頻運行兩種。目前，并未發(fā)現(xiàn)關(guān)于九開關(guān)變換器直接功率控制方法的公開報道。

直接功率控制策略已經(jīng)廣泛應(yīng)用于功率變換器的控制，利用直接功率控制策略可實現(xiàn)不同類型功率變換器的控制，但是不同拓撲結(jié)構(gòu)功率變換器的數(shù)學模型不同，直接功率控制策略也有很大不同，比如：傳統(tǒng)六開關(guān)功率變換器的數(shù)學模型與二極管鉗位式三電平功率變換器的數(shù)學模型有很大不同，兩者所涉及的直接功率控制方法也有很大區(qū)別，尤其是減少傳感器時的控制方法差別更大。也就是說，九開關(guān)功率變換器的數(shù)學模型較六開關(guān)功率變換器的數(shù)學模型更為復雜，所以二者的直接功率控制也存在較大差異。

此外，傳統(tǒng)九開關(guān)功率變換器的控制需檢測兩交流端的電壓和電流信號，供需6個電壓傳感器和6個電流傳感器，傳感器數(shù)量較多，成本較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型針對九開關(guān)功率變換器開關(guān)函數(shù)數(shù)學模型的結(jié)構(gòu)，提供了一種九開關(guān)變換器的直接功率控制系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)同時適用于九開關(guān)功率變換器 的同頻和異頻工作模式直接功率控制，該方法僅采用2個電壓傳感器便可實現(xiàn)九開關(guān)功率變換器的直接功率控制，降低了系統(tǒng)成本。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是提供九開關(guān)功率變換器直接功率控制系統(tǒng)，其中：該九開關(guān)功率變換器直接功率控制系統(tǒng)包括九開關(guān)功率變換器、上端負載、下端負載、上端電容、上端電容電壓檢測電路、下端電容、下端電容電壓檢測電路、AD轉(zhuǎn)換電路、TMS320F2812控制電路和IGBT驅(qū)動電路；連接方式為：

上端電容的一端與直流母線電壓的正極相連，另一端與下端電容電壓檢測電路的參考點相連，下端電容的一端與下端電容電壓檢測電路的參考點相連，另一端與直流母線電壓的負極相連；上端電容電壓檢測電路的輸入與上端電容的兩端相連，其輸出連接到AD轉(zhuǎn)換電路的輸入端；下端電容電壓檢測電路的輸入與下端電容的兩端相連，其輸出連接到AD轉(zhuǎn)換電路的輸入端；AD轉(zhuǎn)換電路的輸出u_c1和u_c2連接到TMS320F2812控制電路的輸入端；TMS320F2812控制電路的輸出連接到IGBT驅(qū)動電路的輸入端；IGBT驅(qū)動電路的輸出端連接到九開關(guān)功率變換器的開關(guān)器件的控制信號輸入端。

本實用新型的效果是該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)九開關(guān)變換器的同頻和異頻控制。與傳統(tǒng)九開關(guān)變換器控制系統(tǒng)相比，將電壓傳感器的數(shù)量從6個減少到2個；更顯著的是，該系統(tǒng)不需要電流傳感器，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要6個電流傳感器；該結(jié)構(gòu)可降低系統(tǒng)成本，優(yōu)化系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)體積。

附圖說明

圖1為本實用新型的基于兩電壓檢測電路的九開關(guān)功率變換器直接功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

圖2為本實用新型的i_α1觀測電路；

圖3為本實用新型的i_β1觀測電路；

圖4為本實用新型的i_α2觀測電路；

圖5為本實用新型的i_β2觀測電路；

圖6為本實用新型的上交流端直接功率控制單元；

圖7為本實用新型的下交流端直接功率控制單元。

圖中：

1、九開關(guān)功率變換器 2、橋臂Ⅰ 3、橋臂Ⅱ 4、橋臂Ⅲ 5、上端電容電話檢測電路 6、下端電容電壓檢測電路 7、上端電容 8、下端電容 9、上交流端 10、下交流端 11、三相坐標系到兩相靜止坐標系變換 12、電流觀測器 13、i_α1觀測電路Ⅰ 14、i_β1觀測電路Ⅱ 15、i_α2觀測電路Ⅲ 16、i_β2觀測電路Ⅳ 17、直接功率控制 18、上交流端直接功率控制單元 19、下交流端直接功率控制單元 20、SVPWM調(diào)制 21、TMS320F2812 22、IGBT驅(qū)動 23、AD轉(zhuǎn)換電路

具體實施方式

結(jié)合附圖對本實用新型的九開關(guān)變換器的直接功率控制系統(tǒng)加以說明。

如圖1所示，本實用新型的九開關(guān)功率變換器直接功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中僅包含兩個電容電壓檢測電路，并不含有任何的電流檢測電路，包括九開關(guān)功率變換器1、上端負載9、下端負載10、上端電容7、上端電容電壓檢測電路5、下端電容8、下端電容電壓檢測電路6、AD轉(zhuǎn)換電路23、TMS320F2812控制電路21和IGBT驅(qū)動電路22；其連接方式如下：

上端電容7的一端與直流母線電壓的正極相連，另一端與參考點相連；下端電容8的一端與參考點相連，另一端與直流母線電壓的負極相連；上端電容電壓檢測電路5的輸入與上端電容7的兩端相連，其輸出連接到AD轉(zhuǎn)換器23的輸入端；下端電壓檢測電路6的輸入與下端電容8的兩端相連，其輸出連接到AD轉(zhuǎn)換器23的輸入端；AD轉(zhuǎn)換器23的輸出u_c1和u_c2連接到TMS320F2812控制電路21的輸入端；TMS320F2812控制電路21的輸出連接到IGBT驅(qū)動電路22的輸入端；IGBT驅(qū)動電路22的輸出端連接到 九開關(guān)變換器開關(guān)器件的控制信號輸入端。所述TMS320F2812控制電路21是市售DSP芯片，所述IGBT驅(qū)動電路22是市售FP40R12KT3型號的IGBT驅(qū)動模塊。

本實用新型的九開關(guān)功率變換器直接功率控制系統(tǒng)的控制步驟為：

Step1：首先根據(jù)上端負載9和下端負載10的運行模式，初始化九開關(guān)功率變換器1中開關(guān)器件的初始狀態(tài)，并得到初始電壓矢量。

Step2：通過上端電容電壓檢測電路5和下端電容電壓檢測電路6進行上端電容7電壓和下端電容8電壓的采樣。

Step3：將采樣電壓經(jīng)AD轉(zhuǎn)換電路23送入TMS320F2812控制電路21進行處理，得到上端電容7電壓和下端電容8電壓，分別為u_c1和u_c2。

Step4：將九開關(guān)功率變換器1中開關(guān)器件IS_AH、開關(guān)器件II S_AM、開關(guān)器件III S_AL、開關(guān)器件IV S_BH、開關(guān)器件V S_BM、開關(guān)器件VI S_BL、開關(guān)器件VII S_CH、開關(guān)器件VIII S_CM和開關(guān)器件ⅨS_CL的工作狀態(tài)進行定義：開關(guān)器件I S_AH、開關(guān)器件II S_AM、開關(guān)器件III S_AL、開關(guān)器件IV S_BH、開關(guān)器件V S_BM、開關(guān)器件VI S_BL、開關(guān)器件VII S_CH、開關(guān)器件VIII S_CM和開關(guān)器件ⅨS_CL閉合時為“1”，斷開時為“0”；針對開關(guān)器件IS_AH、開關(guān)器件II S_AM、開關(guān)器件III S_AL、開關(guān)器件IV S_BH、開關(guān)器件V S_BM、開關(guān)器件VI S_BL、開關(guān)器件VII S_CH、開關(guān)器件VIII S_CM和開關(guān)器件ⅨS_CL的工作狀態(tài)，將開關(guān)器件IS_AH、開關(guān)器件II S_AM、開關(guān)器件III S_AL、開關(guān)器件IV S_BH、開關(guān)器件V S_BM、開關(guān)器件VI S_BL、開關(guān)器件VII S_CH、開關(guān)器件VIII S_CM和開關(guān)器件ⅨS_CL經(jīng)TMS320F2812控制電路(21)中三相坐標系到兩相靜止坐標系變換11，得到兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IS_αH、兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IIS_αM、兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IIIS_αL、兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IVS_βH、兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)VS_βM和兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)VIS_βL；

Step5：將上端電容電壓u_c1、下端電容電壓u_c2、兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IS_αH、兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IIS_αM、兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IIIS_αL、兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IVS_βH、兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)VS_βM和兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)VIS_βL送入TMS320F2812控制電路21中電流觀測器12，經(jīng)TMS320F2812控制電路21中i_α1觀測電路Ⅰ13得到上交流端α軸電流信號i_α1，經(jīng)TMS320F2812控制電路21中i_β1觀測電路Ⅱ14得到上交流端β軸電流信號i_β1、經(jīng)TMS320F2812控制電路21中i_α2觀測電路Ⅲ15得到下交流端α軸電流信號i_α2，經(jīng)TMS320F2812控制電路21中i_β2觀測電路Ⅳ16得到下交流端β軸電流信號i_β2；上端電容電壓u_c1、下端電容電壓u_c2、上交流端α軸電流信號i_α1、上交流端β軸電流信號i_β1、下交流端α軸電流信號i_α2和下交流端β軸電流信號i_β2送入TMS320F2812控制電路21中直接功率控制單元17，經(jīng)TMS320F2812控制電路21中上交流端直接功率控制單元18和下交流端直接功率控制單元19，得到兩相靜止坐標系下的上交流端α軸電壓參考信號上交流端β軸電壓參考信號下交流端α軸電壓參考信號和下交流端β軸電壓參考信號

Step6：上交流端α軸電壓參考信號上交流端β軸電壓參考信號下交流端α軸電壓參考信號和下交流端β軸電壓參考信號送入TMS320F2812控制電路21中SVPWM調(diào)制模塊20，經(jīng)SVPWM調(diào)制模塊20得到各開關(guān)器件的PWM信號，經(jīng)驅(qū)動電路控制開關(guān)器件I S_AH、開關(guān)器件II S_AM、開關(guān)器件III S_AL、開關(guān)器件IV S_BH、開關(guān)器件V S_BM、開關(guān)器件VIS_BL、開關(guān)器件VII S_CH、開關(guān)器件VIII S_CM和開關(guān)器件Ⅸ S_CL的工作狀態(tài)；

Step7：判斷系統(tǒng)是否停止運行，如果是則結(jié)束，否則返回step2繼續(xù)執(zhí)行。

本實用新型的i_α1觀測電路13Ⅰ如圖2所示，其連接方式如下：上端電容電壓u_c1與兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IS_αH相乘得到結(jié)果I-IY_1,1；兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IIS_αM與兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IIIS_αL相乘得到結(jié)果II-IY_2,1；兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)VS_βM和兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)VIS_βL相乘得到結(jié)果III-IY_3,1；結(jié)果II-IY_2,1和結(jié)果III-IY_3,1相減得到結(jié)果IV-IY_4,1；結(jié)果IV-IY_4,1和2相乘得到結(jié)果V-IY_5,1；下端電容電壓u_c2和結(jié)果V-IY_5,1相乘得到結(jié)果VI-IY_6,1；結(jié)果I-IY_1,1和結(jié)果VI-IY_6,1相加得到結(jié)果VII-IY_7,1；結(jié)果VII-IY_7,1與結(jié)果X-IY_10,1相減得到結(jié)果VIII-IY_8,1；對結(jié)果VIII-IY_8,1積分得到結(jié)果IX-IY_9,1；結(jié)果IX-IY_9,1與上交流端負載電感的倒數(shù)1/L_s1相乘得到上交流端α軸電流信號i_α1；上交流端α軸電流信號i_α1與上交流端相負載電阻R_s1相乘得到結(jié)果X-IY_10,1。

本實用新型的i_β1觀測電路14Ⅱ如圖3所示，其連接方式如下：上端電容電壓u_c1與兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IVS_βH相乘得到結(jié)果I-IIY_1,2；兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IIS_αM與兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)VIS_βL相乘得到結(jié)果II-IIY_2,2；兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)VS_βM和兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IIIS_αL相乘得到結(jié)果III-IIY_3,2；結(jié)果II-IIY_2,2和結(jié)果III-IIY_3,2相減得到結(jié)果IV-IIY_4,2；結(jié)果IV-IIY_4,2和2相乘得到結(jié)果V-IIY_5,2；下端電容電壓u_c2和結(jié)果V-IIY_5,2相乘得到結(jié)果VI-IIY_6,2；結(jié)果I-IIY_1,2和結(jié)果VI-IIY_6,2相加得到結(jié)果VII-IIY_7,2；結(jié)果VII-IIY_7,2與結(jié)果X-IIY_10,2相減得到結(jié)果VIII-IIY_8,2；對結(jié)果VIII-IIY_8,2積分得到結(jié)果IX-IIY_9,2；結(jié)果IX-IIY_9,2與上交流端負載電感的倒數(shù)1/L_s1相乘得到上交流端β軸電流信號i_β1；上交流端β軸電流信號i_β1與上交流端負載電阻R_s1相乘得到結(jié)果X-IIY_10,2。

本實用新型的i_α2觀測電路Ⅲ15如圖4所示，其連接方式如下：下端電容電壓u_c2與兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IIIS_αL相乘得到結(jié)果I-IIIY_1,3；兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IS_αH與兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IIS_αM相乘得到結(jié) 果II-IIIY_2,3；兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IVS_βH和兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)VS_βM相乘得到結(jié)果III-IIIY_3,3；結(jié)果II-IIIY_2,3和結(jié)果III-IIIY_3,3相減得到結(jié)果IV-IIIY_4,3；結(jié)果IV-IIIY_4,3和2相乘得到結(jié)果V-IIIY_5,3；上端電容電壓u_c1和結(jié)果V-IIIY_5,3相乘得到結(jié)果VI-IIIY_6,3；結(jié)果I-IIIY_1,3和結(jié)果VI-IIIY_6,3相加得到結(jié)果VII-IIIY_7,3；結(jié)果VII-IIIY_7,3與結(jié)果X-IIIY_10,3相減得到結(jié)果VIII-IIIY_8,3；對結(jié)果VIII-IIIY_8,3積分得到結(jié)果IX-IIIY_9,3；結(jié)果IX-IIIY_9,3與下交流端負載電感的倒數(shù)1/L_s2相乘得到下交流端α軸電流信號i_α2；下交流端α軸電流信號i_α2與下交流端負載電阻R_s2相乘得到結(jié)果X-IIIY_10,3。

本實用新型的i_β2觀測電路Ⅳ16如圖5所示，其連接方式如下：下端電容電壓u_c2與兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)VIS_βL相乘得到結(jié)果I-IVY_1,4；兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IS_αH與兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)VS_βM相乘得到結(jié)果II-IVY_2,4；兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IVS_βH和兩相靜止坐標系下開關(guān)狀態(tài)IIS_αM相乘得到結(jié)果III-IVY_3,4；結(jié)果II-IVY_2,4Y_2,4和結(jié)果III-IVY_3,4相減得到結(jié)果IV-IVY_4,4；結(jié)果IV-IVY_4,4和2相乘得到結(jié)果V-IVY_5,4；上端電容電壓u_c1和結(jié)果V-IVY_5,4相乘得到結(jié)果VI-IVY_6,4；結(jié)果I-IVY_1,4和結(jié)果VI-IVY_6,4相加得到結(jié)果VII-IVY_7,4；結(jié)果VII-IVY_7,4與結(jié)果X-IVY_10,4相減得到結(jié)果VIII-IVY_8,4；對結(jié)果VIII-IVY_8,4積分得到結(jié)果IX-IVY_9,4；結(jié)果IX-IVY_9,4與下交流端負載電感的倒數(shù)1/L_s2相乘得到下交流端β軸電流信號i_β2；下交流端β軸電流信號i_β2與下交流端負載電阻R_s2相乘得到Y(jié)_10,4。

本實用新型的上交流端直接功率控制單元18如圖6所示，其連接方式如下：上交流端α軸電流信號i_α1與上交流端α軸電壓信號u_α1相乘得到結(jié)果I-VY_1,5；上交流端β軸電流信號i_β1與上交流端β軸電壓信號u_β1相乘得到結(jié)果II-VY_2,5；上交流端β軸電流信號i_β1與上交流端α軸電壓信號u_α1相乘得到結(jié)果III-VY_3,5；上交流端α軸電流信號i_α1與上交流端β軸電壓信號u_β1相乘得到結(jié)果IV-VY_4,5；結(jié)果I-VY_1,5與結(jié)果II-VY_2,5相加得到上端有功功率p₁； 結(jié)果III-VY_3,5與結(jié)果IV-V Y_4,5相減得到上端無功功率q₁；上端參考有功功率p^*₁與上端有功功率p₁相減得到上端有功功率偏差Δp₁；上端參考無功功率q^*₁與上端無功功率q₁相減得到上端無功功率偏差Δq₁；上交流端α軸電流信號i_α1與上端有功功率偏差Δp₁相乘得到結(jié)果V-VY_5,5；上交流端β軸電流信號i_β1與上端有功功率偏差Δp₁相乘得到結(jié)果VI-VY_6,5；上交流端β軸電流信號i_β1與上端無功功率偏差Δq₁相乘得到結(jié)果VII-VY_7,5；上交流端α軸電流信號i_α1與無功功率偏差Δq₁相乘得到結(jié)果VIII-VY_8,5；結(jié)果VII-VY_7,5減去結(jié)果V-VY_5,5得到結(jié)果IX-VY_9,5；負的結(jié)果VI-VY_6,5減去結(jié)果VIII-VY_8,5得到結(jié)果X-VY_10,5；結(jié)果IX-VY_9,5通過PI調(diào)節(jié)器得到上交流端α軸電壓參考信號u^*_α1；結(jié)果X-VY_10,5通過PI調(diào)節(jié)器得到上交流端β軸電壓參考信號u^*_β1。

本實用新型的下交流端直接功率控制單元19如圖7所示，其連接方式如下：下交流端α軸電流信號i_α2與下交流端α軸電壓信號u_α2相乘得到結(jié)果I-VIY_1,6；下交流端β軸電流信號i_β2與下交流端β軸電壓信號u_β2相乘得到結(jié)果II-VIY_2,6；下交流端β軸電流信號i_β2與下交流端α軸電壓信號u_α2相乘得到結(jié)果III-VIY_3,6；下交流端α軸電流信號i_α2與下交流端β軸電壓信號u_β2相乘得到結(jié)果IV-VIY_4,6；結(jié)果I-VIY_1,6與結(jié)果II-VIY_2,6相加得到下端有功功率p₂；結(jié)果III-VIY_3,6減去結(jié)果IV-VIY_4,6得到下端無功功率q₂；下端參考有功功率p^*₂減去下端有功功率p₂得到下端有功功率偏差Δp₂；下端參考無功功率q^*₂減去下端無功功率q₂得到下端無功功率偏差Δq₂；下交流端α軸電流信號i_α2與下端有功功率偏差Δp₂相乘得到結(jié)果V-VIY_5,6；下交流端β軸電流信號i_β2與下端有功功率偏差Δp₂相乘得到結(jié)果VI-VIY_6,6；下交流端β軸電流信號i_β2與無功功率偏差Δq₂相乘得到結(jié)果VII-VIY_7,6；下交流端α軸電流信號i_α2與無功功率偏差Δq₂相乘得到結(jié)果VIII-VIY_8,6；結(jié)果VII-VIY_7,6減去結(jié)果V-VIY_5,6得到結(jié)果IX-VIY_9,6；負的結(jié)果VI-VIY_6,6減去結(jié)果VIII-VIY_8,6得到結(jié)果X-VIY_10,6；結(jié)果IX-VIY_9,6通過PI調(diào)節(jié)器得到下交流端α軸電壓參 考信號u^*_α2；結(jié)果X-VIY_10,6通過PI調(diào)節(jié)器得到下交流端β軸電壓參考信號u^*_β2。