本實(shí)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(guó)學(xué)者對(duì)功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn),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(duì)于傳統(tǒng)背靠背兩電平12開關(guān)變換器減少了3個(gè)開關(guān)器件及其驅(qū)動(dòng)電路,該種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在成本和體積上具有一定優(yōu)勢(shì)。
九開關(guān)變換器同時(shí)可具備兩路三相交流輸出,可實(shí)現(xiàn)三相交流負(fù)載的驅(qū)動(dòng),其運(yùn)行模式可分為同頻運(yùn)行和異頻運(yùn)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(bào)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(shí)現(xiàn)不同類型功率變換器的控制,但是不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率變換器的數(shù)學(xué)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(xué)模型與二極管鉗位式三電平功率變換器的數(shù)學(xué)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(shí)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(xué)模型較六開關(guān)功率變換器的數(shù)學(xué)模型更為復(fù)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(cè)兩交流端的電壓和電流信號(hào),供需6個(gè)電壓傳感器和6個(gè)電流傳感器,傳感器數(shù)量較多,成本較高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本實(shí)用新型針對(duì)九開關(guān)功率變換器開關(guān)函數(shù)數(shù)學(xué)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(shí)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(gè)電壓傳感器便可實(shí)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(shí)現(xiàn)上述目的,本實(shí)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(fù)載、下端負(fù)載、上端電容、上端電容電壓檢測(cè)電路、下端電容、下端電容電壓檢測(cè)電路、AD轉(zhuǎn)換電路、TMS320F2812控制電路和IGBT驅(qū)動(dòng)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(cè)電路的參考點(diǎn)相連,下端電容的一端與下端電容電壓檢測(cè)電路的參考點(diǎn)相連,另一端與直流母線電壓的負(fù)極相連;上端電容電壓檢測(cè)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(cè)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uc1和uc2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(dòng)電路的輸入端;IGBT驅(qū)動(dòng)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(hào)輸入端。
本實(shí)用新型的效果是該控制系統(tǒng)可實(shí)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(gè)減少到2個(gè);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(gè)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(shí)用新型的基于兩電壓檢測(cè)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(shí)用新型的iα1觀測(cè)電路;
圖3為本實(shí)用新型的iβ1觀測(cè)電路;
圖4為本實(shí)用新型的iα2觀測(cè)電路;
圖5為本實(shí)用新型的iβ2觀測(cè)電路;
圖6為本實(shí)用新型的上交流端直接功率控制單元;
圖7為本實(shí)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(cè)電路 6、下端電容電壓檢測(cè)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(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系變換 12、電流觀測(cè)器 13、iα1觀測(cè)電路Ⅰ 14、iβ1觀測(cè)電路Ⅱ 15、iα2觀測(cè)電路Ⅲ 16、iβ2觀測(cè)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(dòng) 23、AD轉(zhuǎn)換電路
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)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(shí)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(gè)電容電壓檢測(cè)電路,并不含有任何的電流檢測(cè)電路,包括九開關(guān)功率變換器1、上端負(fù)載9、下端負(fù)載10、上端電容7、上端電容電壓檢測(cè)電路5、下端電容8、下端電容電壓檢測(cè)電路6、AD轉(zhuǎn)換電路23、TMS320F2812控制電路21和IGBT驅(qū)動(dòng)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(diǎn)相連;下端電容8的一端與參考點(diǎn)相連,另一端與直流母線電壓的負(fù)極相連;上端電容電壓檢測(cè)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(cè)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uc1和uc2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(dòng)電路22的輸入端;IGBT驅(qū)動(dòng)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(hào)輸入端。所述TMS320F2812控制電路21是市售DSP芯片,所述IGBT驅(qū)動(dòng)電路22是市售FP40R12KT3型號(hào)的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊。
本實(shí)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(fù)載9和下端負(fù)載10的運(yùn)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(cè)電路5和下端電容電壓檢測(cè)電路6進(jìn)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(jìn)行處理,得到上端電容7電壓和下端電容8電壓,分別為uc1和uc2。
Step4:將九開關(guān)功率變換器1中開關(guān)器件ISAH、開關(guān)器件II SAM、開關(guān)器件III SAL、開關(guān)器件IV SBH、開關(guān)器件V SBM、開關(guān)器件VI SBL、開關(guān)器件VII SCH、開關(guān)器件VIII SCM和開關(guān)器件ⅨSCL的工作狀態(tài)進(jìn)行定義:開關(guān)器件I SAH、開關(guān)器件II SAM、開關(guān)器件III SAL、開關(guān)器件IV SBH、開關(guān)器件V SBM、開關(guān)器件VI SBL、開關(guān)器件VII SCH、開關(guān)器件VIII SCM和開關(guān)器件ⅨSCL閉合時(shí)為“1”,斷開時(shí)為“0”;針對(duì)開關(guān)器件ISAH、開關(guān)器件II SAM、開關(guān)器件III SAL、開關(guān)器件IV SBH、開關(guān)器件V SBM、開關(guān)器件VI SBL、開關(guān)器件VII SCH、開關(guān)器件VIII SCM和開關(guān)器件ⅨSCL的工作狀態(tài),將開關(guān)器件ISAH、開關(guān)器件II SAM、開關(guān)器件III SAL、開關(guān)器件IV SBH、開關(guān)器件V SBM、開關(guān)器件VI SBL、開關(guān)器件VII SCH、開關(guān)器件VIII SCM和開關(guān)器件ⅨSCL經(jīng)TMS320F2812控制電路(21)中三相坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系變換11,得到兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)ISαH、兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IISαM、兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IIISαL、兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IVSβH、兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)VSβM和兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)VISβL;
Step5:將上端電容電壓uc1、下端電容電壓uc2、兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)ISαH、兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IISαM、兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IIISαL、兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IVSβH、兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)VSβM和兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)VISβL送入TMS320F2812控制電路21中電流觀測(cè)器12,經(jīng)TMS320F2812控制電路21中iα1觀測(cè)電路Ⅰ13得到上交流端α軸電流信號(hào)iα1,經(jīng)TMS320F2812控制電路21中iβ1觀測(cè)電路Ⅱ14得到上交流端β軸電流信號(hào)iβ1、經(jīng)TMS320F2812控制電路21中iα2觀測(cè)電路Ⅲ15得到下交流端α軸電流信號(hào)iα2,經(jīng)TMS320F2812控制電路21中iβ2觀測(cè)電路Ⅳ16得到下交流端β軸電流信號(hào)iβ2;上端電容電壓uc1、下端電容電壓uc2、上交流端α軸電流信號(hào)iα1、上交流端β軸電流信號(hào)iβ1、下交流端α軸電流信號(hào)iα2和下交流端β軸電流信號(hào)iβ2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(biāo)系下的上交流端α軸電壓參考信號(hào)上交流端β軸電壓參考信號(hào)下交流端α軸電壓參考信號(hào)和下交流端β軸電壓參考信號(hào)
Step6:上交流端α軸電壓參考信號(hào)上交流端β軸電壓參考信號(hào)下交流端α軸電壓參考信號(hào)和下交流端β軸電壓參考信號(hào)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(hào),經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制開關(guān)器件I SAH、開關(guān)器件II SAM、開關(guān)器件III SAL、開關(guān)器件IV SBH、開關(guān)器件V SBM、開關(guān)器件VISBL、開關(guān)器件VII SCH、開關(guān)器件VIII SCM和開關(guān)器件Ⅸ SCL的工作狀態(tài);
Step7:判斷系統(tǒng)是否停止運(yùn)行,如果是則結(jié)束,否則返回step2繼續(xù)執(zhí)行。
本實(shí)用新型的iα1觀測(cè)電路13Ⅰ如圖2所示,其連接方式如下:上端電容電壓uc1與兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)ISαH相乘得到結(jié)果I-IY1,1;兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IISαM與兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IIISαL相乘得到結(jié)果II-IY2,1;兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)VSβM和兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)VISβL相乘得到結(jié)果III-IY3,1;結(jié)果II-IY2,1和結(jié)果III-IY3,1相減得到結(jié)果IV-IY4,1;結(jié)果IV-IY4,1和2相乘得到結(jié)果V-IY5,1;下端電容電壓uc2和結(jié)果V-IY5,1相乘得到結(jié)果VI-IY6,1;結(jié)果I-IY1,1和結(jié)果VI-IY6,1相加得到結(jié)果VII-IY7,1;結(jié)果VII-IY7,1與結(jié)果X-IY10,1相減得到結(jié)果VIII-IY8,1;對(duì)結(jié)果VIII-IY8,1積分得到結(jié)果IX-IY9,1;結(jié)果IX-IY9,1與上交流端負(fù)載電感的倒數(shù)1/Ls1相乘得到上交流端α軸電流信號(hào)iα1;上交流端α軸電流信號(hào)iα1與上交流端相負(fù)載電阻Rs1相乘得到結(jié)果X-IY10,1。
本實(shí)用新型的iβ1觀測(cè)電路14Ⅱ如圖3所示,其連接方式如下:上端電容電壓uc1與兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IVSβH相乘得到結(jié)果I-IIY1,2;兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IISαM與兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)VISβL相乘得到結(jié)果II-IIY2,2;兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)VSβM和兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IIISαL相乘得到結(jié)果III-IIY3,2;結(jié)果II-IIY2,2和結(jié)果III-IIY3,2相減得到結(jié)果IV-IIY4,2;結(jié)果IV-IIY4,2和2相乘得到結(jié)果V-IIY5,2;下端電容電壓uc2和結(jié)果V-IIY5,2相乘得到結(jié)果VI-IIY6,2;結(jié)果I-IIY1,2和結(jié)果VI-IIY6,2相加得到結(jié)果VII-IIY7,2;結(jié)果VII-IIY7,2與結(jié)果X-IIY10,2相減得到結(jié)果VIII-IIY8,2;對(duì)結(jié)果VIII-IIY8,2積分得到結(jié)果IX-IIY9,2;結(jié)果IX-IIY9,2與上交流端負(fù)載電感的倒數(shù)1/Ls1相乘得到上交流端β軸電流信號(hào)iβ1;上交流端β軸電流信號(hào)iβ1與上交流端負(fù)載電阻Rs1相乘得到結(jié)果X-IIY10,2。
本實(shí)用新型的iα2觀測(cè)電路Ⅲ15如圖4所示,其連接方式如下:下端電容電壓uc2與兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IIISαL相乘得到結(jié)果I-IIIY1,3;兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)ISαH與兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IISαM相乘得到結(jié) 果II-IIIY2,3;兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IVSβH和兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)VSβM相乘得到結(jié)果III-IIIY3,3;結(jié)果II-IIIY2,3和結(jié)果III-IIIY3,3相減得到結(jié)果IV-IIIY4,3;結(jié)果IV-IIIY4,3和2相乘得到結(jié)果V-IIIY5,3;上端電容電壓uc1和結(jié)果V-IIIY5,3相乘得到結(jié)果VI-IIIY6,3;結(jié)果I-IIIY1,3和結(jié)果VI-IIIY6,3相加得到結(jié)果VII-IIIY7,3;結(jié)果VII-IIIY7,3與結(jié)果X-IIIY10,3相減得到結(jié)果VIII-IIIY8,3;對(duì)結(jié)果VIII-IIIY8,3積分得到結(jié)果IX-IIIY9,3;結(jié)果IX-IIIY9,3與下交流端負(fù)載電感的倒數(shù)1/Ls2相乘得到下交流端α軸電流信號(hào)iα2;下交流端α軸電流信號(hào)iα2與下交流端負(fù)載電阻Rs2相乘得到結(jié)果X-IIIY10,3。
本實(shí)用新型的iβ2觀測(cè)電路Ⅳ16如圖5所示,其連接方式如下:下端電容電壓uc2與兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)VISβL相乘得到結(jié)果I-IVY1,4;兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)ISαH與兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)VSβM相乘得到結(jié)果II-IVY2,4;兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IVSβH和兩相靜止坐標(biāo)系下開關(guān)狀態(tài)IISαM相乘得到結(jié)果III-IVY3,4;結(jié)果II-IVY2,4Y2,4和結(jié)果III-IVY3,4相減得到結(jié)果IV-IVY4,4;結(jié)果IV-IVY4,4和2相乘得到結(jié)果V-IVY5,4;上端電容電壓uc1和結(jié)果V-IVY5,4相乘得到結(jié)果VI-IVY6,4;結(jié)果I-IVY1,4和結(jié)果VI-IVY6,4相加得到結(jié)果VII-IVY7,4;結(jié)果VII-IVY7,4與結(jié)果X-IVY10,4相減得到結(jié)果VIII-IVY8,4;對(duì)結(jié)果VIII-IVY8,4積分得到結(jié)果IX-IVY9,4;結(jié)果IX-IVY9,4與下交流端負(fù)載電感的倒數(shù)1/Ls2相乘得到下交流端β軸電流信號(hào)iβ2;下交流端β軸電流信號(hào)iβ2與下交流端負(fù)載電阻Rs2相乘得到Y(jié)10,4。
本實(shí)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(hào)iα1與上交流端α軸電壓信號(hào)uα1相乘得到結(jié)果I-VY1,5;上交流端β軸電流信號(hào)iβ1與上交流端β軸電壓信號(hào)uβ1相乘得到結(jié)果II-VY2,5;上交流端β軸電流信號(hào)iβ1與上交流端α軸電壓信號(hào)uα1相乘得到結(jié)果III-VY3,5;上交流端α軸電流信號(hào)iα1與上交流端β軸電壓信號(hào)uβ1相乘得到結(jié)果IV-VY4,5;結(jié)果I-VY1,5與結(jié)果II-VY2,5相加得到上端有功功率p1; 結(jié)果III-VY3,5與結(jié)果IV-V Y4,5相減得到上端無(wú)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(wú)功功率q*1與上端無(wú)功功率q1相減得到上端無(wú)功功率偏差Δq1;上交流端α軸電流信號(hào)iα1與上端有功功率偏差Δp1相乘得到結(jié)果V-VY5,5;上交流端β軸電流信號(hào)iβ1與上端有功功率偏差Δp1相乘得到結(jié)果VI-VY6,5;上交流端β軸電流信號(hào)iβ1與上端無(wú)功功率偏差Δq1相乘得到結(jié)果VII-VY7,5;上交流端α軸電流信號(hào)iα1與無(wú)功功率偏差Δq1相乘得到結(jié)果VIII-VY8,5;結(jié)果VII-VY7,5減去結(jié)果V-VY5,5得到結(jié)果IX-VY9,5;負(fù)的結(jié)果VI-VY6,5減去結(jié)果VIII-VY8,5得到結(jié)果X-VY10,5;結(jié)果IX-VY9,5通過PI調(diào)節(jié)器得到上交流端α軸電壓參考信號(hào)u*α1;結(jié)果X-VY10,5通過PI調(diào)節(jié)器得到上交流端β軸電壓參考信號(hào)u*β1。
本實(shí)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(hào)iα2與下交流端α軸電壓信號(hào)uα2相乘得到結(jié)果I-VIY1,6;下交流端β軸電流信號(hào)iβ2與下交流端β軸電壓信號(hào)uβ2相乘得到結(jié)果II-VIY2,6;下交流端β軸電流信號(hào)iβ2與下交流端α軸電壓信號(hào)uα2相乘得到結(jié)果III-VIY3,6;下交流端α軸電流信號(hào)iα2與下交流端β軸電壓信號(hào)uβ2相乘得到結(jié)果IV-VIY4,6;結(jié)果I-VIY1,6與結(jié)果II-VIY2,6相加得到下端有功功率p2;結(jié)果III-VIY3,6減去結(jié)果IV-VIY4,6得到下端無(wú)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(wú)功功率q*2減去下端無(wú)功功率q2得到下端無(wú)功功率偏差Δq2;下交流端α軸電流信號(hào)iα2與下端有功功率偏差Δp2相乘得到結(jié)果V-VIY5,6;下交流端β軸電流信號(hào)iβ2與下端有功功率偏差Δp2相乘得到結(jié)果VI-VIY6,6;下交流端β軸電流信號(hào)iβ2與無(wú)功功率偏差Δq2相乘得到結(jié)果VII-VIY7,6;下交流端α軸電流信號(hào)iα2與無(wú)功功率偏差Δq2相乘得到結(jié)果VIII-VIY8,6;結(jié)果VII-VIY7,6減去結(jié)果V-VIY5,6得到結(jié)果IX-VIY9,6;負(fù)的結(jié)果VI-VIY6,6減去結(jié)果VIII-VIY8,6得到結(jié)果X-VIY10,6;結(jié)果IX-VIY9,6通過PI調(diào)節(jié)器得到下交流端α軸電壓參 考信號(hào)u*α2;結(jié)果X-VIY10,6通過PI調(diào)節(jié)器得到下交流端β軸電壓參考信號(hào)u*β2。