潘雷　王凱　張俊茹　王貝貝　楊釗　李梅

摘要：針對(duì)九開(kāi)關(guān)變換器的控制問(wèn)題，提出一種九開(kāi)關(guān)變換器的直接電流控制策略。闡明了九開(kāi)關(guān)變換器兩電容電壓與各橋臂開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)間的約束關(guān)系；采用開(kāi)關(guān)函數(shù)法建立了九開(kāi)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(kāi)關(guān)變換器的等效電路模型；通過(guò)該等效電路，建立九開(kāi)關(guān)變換器兩交流端的電流觀(guān)測(cè)模型，為避免傳統(tǒng)積分器的缺點(diǎn)，采用一種具有飽和反饋功能的改進(jìn)積分器，最終實(shí)現(xiàn)九開(kāi)關(guān)變換器的直接電流控制。此外，該方法僅采用了兩個(gè)電壓傳感器，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)手段，驗(yàn)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(kāi)關(guān)變換器；等效電路；開(kāi)關(guān)函數(shù)；電流觀(guān)測(cè)；直接電流控制

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

九開(kāi)關(guān)變換器（nineswitch converter，NSC）可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)交流端的獨(dú)立控制[1]。九開(kāi)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(guó)學(xué)者針對(duì)九開(kāi)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(duì)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(diǎn)研究了在同頻和異頻模式下的PWM調(diào)制機(jī)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(wú)死區(qū)時(shí)間的PWM調(diào)制機(jī)理與方法[2]，開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗[6]等。

九開(kāi)關(guān)變換器的應(yīng)用領(lǐng)域較廣，如：混合動(dòng)力汽車(chē)[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(duì)九開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)學(xué)模型與控制方法的研究并不多見(jiàn)。

一般來(lái)說(shuō)，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(jí)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(dòng)態(tài)性能和控制精度，同時(shí)也使負(fù)載電流的控制對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化不敏感，從而增強(qiáng)了電流控制系統(tǒng)的魯棒性，因而得到了越來(lái)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(cè)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(kāi)關(guān)變換器的直接電流控制方法。該方法建立了九開(kāi)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(guān)測(cè)模型；建立了兩交流端負(fù)載電流的觀(guān)測(cè)器，針對(duì)觀(guān)測(cè)器中傳統(tǒng)積分環(huán)節(jié)的缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，最終建立了九開(kāi)關(guān)變換器的直接電流控制系統(tǒng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性。

1開(kāi)關(guān)函數(shù)模型

九開(kāi)關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。鑒于開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換和避免直流母線(xiàn)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(gè)開(kāi)關(guān)器件開(kāi)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(kāi)關(guān)器件SJX閉合時(shí)，SJX=1；當(dāng)開(kāi)關(guān)器件SJX斷開(kāi)時(shí)，SJX=0（J=A，B，C；X=H，M，L）。

由式（1）可看出，九開(kāi)關(guān)變換器正常工作時(shí)，每一橋臂有且僅有2個(gè)開(kāi)關(guān)器件閉合，即每個(gè)橋臂開(kāi)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(xiàn)短路及兩交流負(fù)載各相電位的不確定。

在圖4中，對(duì)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(dòng)時(shí)，電流較小，接近于0，這時(shí)IISF可等效成一個(gè)低通濾波器；當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，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(shí)，IISF也可等效成一個(gè)低通濾波器。IISF同時(shí)具備傳統(tǒng)積分環(huán)節(jié)和低通濾波器的優(yōu)點(diǎn)，不僅可解決積分初值問(wèn)題，還可解決直流偏移問(wèn)題。此外，門(mén)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(guān)測(cè)器中，這里不予詳述。

對(duì)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(kāi)關(guān)狀態(tài)有關(guān)，即僅需采用2個(gè)電壓傳感器，并結(jié)合開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài)便可實(shí)現(xiàn)九開(kāi)關(guān)變換器負(fù)載各相電壓的計(jì)算。

基于以上分析，結(jié)合九開(kāi)關(guān)變換器負(fù)載各相電壓的計(jì)算方法和電流觀(guān)測(cè)方法可建立九開(kāi)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出方法的有效性，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(shí)際生活和工業(yè)用電等級(jí)，使上端負(fù)載輸出線(xiàn)電壓為380 V，下端負(fù)載輸出線(xiàn)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(shí)上下兩個(gè)交流端的線(xiàn)電壓峰值分別約為537 V和310 V；上交流端的線(xiàn)電壓響應(yīng)速度較快，過(guò)渡過(guò)程約為0.015 s；下交流端線(xiàn)電壓響應(yīng)速度較慢，過(guò)渡過(guò)程約為0.02 s。從圖7中可以看出穩(wěn)態(tài)時(shí)上下2個(gè)交流端的線(xiàn)電流峰值分別約為5.27 A和2.87 A；上交流端的線(xiàn)電流響應(yīng)速度較快，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間約為0.015 s；下交流端線(xiàn)電流響應(yīng)速度較慢，過(guò)渡過(guò)程時(shí)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(xiàn)電壓THD分別為2.18%和2.14%，上下兩交流端線(xiàn)電流THD分別為1.98%和1.92%；穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率約為97%。

針對(duì)所提出的九開(kāi)關(guān)變換器直接電流控制方法，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(hào)處理器TMS320F2812作為主控芯片，開(kāi)關(guān)器件為SKW25N120，電壓傳感器采用CV 3-1000（測(cè)量范圍為-1 000～+1 000 V），實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)電壓為380 V，下端負(fù)載設(shè)定輸出線(xiàn)電壓為220 V；兩交流端負(fù)載輸出電壓頻率均為50 Hz。實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)電壓THD分別為3.13%和2.23%，上下兩交流端線(xiàn)電流THD分別為2.38%和3.08%；穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(xiàn)電壓為380 V，下端負(fù)載設(shè)定輸出線(xiàn)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)電壓峰值分別約為537 V和310 V，上下兩交流端線(xiàn)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(xiàn)電壓THD分別為3.36%和2.44%，上下兩交流端線(xiàn)電流THD分別為2.30%和3.11%；穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率約為80%。從仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，該控制方法可實(shí)現(xiàn)NSC的同頻和異頻控制，且實(shí)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中存在一定的干擾信號(hào)、信號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，且仿真結(jié)果中諧波成分的數(shù)量少于實(shí)驗(yàn)結(jié)果；仿真系統(tǒng)的響應(yīng)速度也優(yōu)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，且仿真系統(tǒng)的效率優(yōu)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的效率。

4結(jié)論

本文首先建立了九開(kāi)關(guān)變換器在三相坐標(biāo)系下的開(kāi)關(guān)函數(shù)模型，通過(guò)坐標(biāo)變換的方法得到了九開(kāi)關(guān)變換器在兩相靜止坐標(biāo)系下的開(kāi)關(guān)函數(shù)模型；其次，建立了九開(kāi)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(xiàn)電流的觀(guān)測(cè)方法，并針對(duì)傳統(tǒng)積分環(huán)節(jié)存在的缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)；最終提出了一種九開(kāi)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(gè)電壓傳感器。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性。

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（編輯：邱赫男）