一種Buck-Boost矩陣變換器的復合控制方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種Buck-Boost矩陣變換器的復合控 制方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 矩陣變換器是一種具有簡單拓撲結(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 而該拓撲結(jié)構(gòu)自上世紀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) 的新型主電路拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(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?？刂?、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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種Buck-Boost矩陣變換器的復合控制方 法及其裝置。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種Buck-Boost矩陣變換器的復合控制方法，其 中所述復合控制方法，包括：
[0007] 步驟1 :對Buck-Boost矩陣變換器的逆變級的電容電壓控制外環(huán)進行控制；
[0008] 步驟2 :對Buck-Boost矩陣變換器的逆變級的電感電流控制內(nèi)環(huán)進行控制。
[0009] 通過上述對電容電壓與電感電流分別構(gòu)建復合控制閉環(huán)進行控制，從而調(diào)節(jié)電感 電流與電容電壓使其按確定的參考值變化，由此可在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。
[0010] 為了通過確定電感電流控制內(nèi)環(huán)的參考值iu,ef，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，使電容電壓按設(shè)定的 參考值變化，達到控制輸出電壓的目的。
[0011] 優(yōu)選的，步驟1中對Buck-Boost矩陣變換器的逆變級的電容電壓控制外環(huán)的控 制，具體包括的步驟為：
[0012] 步驟la :根據(jù)Buck-Boost矩陣變換器的參考輸出電壓信號并經(jīng)變換獲得電容電 壓的參考值uclref;
[0013] 步驟lb :檢測電容電壓的實際值如，將其與電容電壓的參考值11^{進行比較，得 到電容電壓的偏差A(yù) ucl;
[0014] 步驟lc :將電容電壓的偏差A(yù) 1^作為復合控制器的輸入，復合控制器輸出電容電 流的參考值
[0015] 步驟Id :Buck-B〇〇St矩陣變換器的直流側(cè)電壓t、逆變級輸出電流h、電容電壓 實際值u a以及電容電流的參考值i ^在數(shù)值處理模塊中進行處理得到電感電流的參考值 -^-Llref?
[0016] 步驟le :參考值iUMf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。
[0017] 這里，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。
[0018] 進一步優(yōu)選的，步驟la具體為：給定Buck-Boost矩陣變換器的參考輸出電壓，取 其幅值的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，得到相應(yīng)電容 電壓的參考值uaMf。
[0019] 進一步優(yōu)選的，步驟lc具體為：將電容電壓的偏差A(yù) ua作為復合控制器的輸入； 復合控制器包括重復控制器和PI控制器，偏差信號A ua經(jīng)重復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iaref。
[0020] 更進一步優(yōu)選的，重復控制器是一個由周期延時環(huán)節(jié)和低通濾波器構(gòu)成的時滯正 反饋控制環(huán)節(jié)。
[0021] 更進一步優(yōu)選的，周期延時環(huán)節(jié)的數(shù)學模型為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。
[0022] 更進一步優(yōu)選的，低通濾波器為一階低通濾波器，其數(shù)學模型為
【主權(quán)項】
1. 一種Buck-Boost矩陣變換器的復合控制方法，其特征在于，所述復合控制方法包 括： 步驟1 :對Buck-Boost矩陣變換器的逆變級的電容電壓控制外環(huán)進行控制； 步驟2 :對Buck-Boost矩陣變換器的逆變級的電感電流控制內(nèi)環(huán)進行控制。
2. 如權(quán)利要求1所述的Buck-Boost矩陣變換器的復合控制方法，其特征在于，所述步 驟1對Buck-Boost矩陣變換器的逆變級的電容電壓控制外環(huán)的控制具體為： 步驟Ia :根據(jù)Buck-Boost矩陣變換器的參考輸出電壓信號并經(jīng)變換獲得電容電壓的 參考值Uclref; 步驟Ib :檢測電容電壓的實際值Ua，將其與電容電壓的參考值11。^進行比較，得到電 容電壓的偏差Λ ucl; 步驟Ic :將電容電壓的偏差Λ 作為復合控制器的輸入，復合控制器輸出電容電流的 參考值 步驟Id :Buck-B〇〇St矩陣變換器的直流側(cè)電壓^、逆變級輸出電流I1、電容電壓實 際值ua以及電容電流的參考值i ^在數(shù)值處理模塊中進行處理得到電感電流的參考值 lLlref; 步驟Ie :參考值iUMf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。
3. 如權(quán)利要求2所述的Buck-Boost矩陣變換器的復合控制方法，其特征在于，所述步 驟Ia具體為：給定Buck-Boost矩陣變換器的參考輸出電壓，取其幅值的1. 5倍作為直流偏 置，再將直流偏置與參考輸出電壓信號疊加，得到相應(yīng)電容電壓的參考值uaref。
4. 權(quán)利要求1所述的Buck-Boost矩陣變換器的復合控制方法，其特征在于，所述步驟 2對Buck-Boost矩陣變換器的逆變級的電感電流控制內(nèi)環(huán)的控制具體為： 步驟2a :將電容電壓控制外環(huán)產(chǎn)生的電感電流參考值iUMf與其實際值i u進行比較， 得到偏差Λ iu; 步驟2b :偏差Λ U乍為復合控制器的輸入，復合控制器輸出電感電壓的參考值u UMf; 步驟2c :Buck-B〇〇St矩陣變換器直流側(cè)電壓心:、電容電壓實際值ua、電感電壓的參考 值uUMf在數(shù)值處理模塊中進行處理得到占空比d i; 步驟2d :占空比Cl1經(jīng)限幅環(huán)節(jié)限幅后并根據(jù)相應(yīng)的開關(guān)周期確定Buck-Boost DC/DC 變換器中對應(yīng)功率開關(guān)的開通時間。
5. 如權(quán)利要求4所述的Buck-Boost矩陣變換器的復合控制方法，其特征在于，步驟2b 具體為：將電感電流的偏差Λ iu作為復合控制器的輸入；該復合控制器包括重復控制器和 PI控制器，偏差信號Λ iu經(jīng)重復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uUref。
6. 如權(quán)利要求2或4所述的Buck-Boost矩陣變換器的復合控制方法，其特征在于：在 所述復合控制器采用遺傳免疫微粒群算法將電容電壓偏差信號Λ ua和電感電流偏差信號 A iu作為優(yōu)化適應(yīng)值，以偏差積分A 《《Μ和A = f 作為系統(tǒng)優(yōu)化的目標函數(shù)。
7. 如權(quán)利要求6所述的Buck-Boost矩陣變換器的復合控制方法，其特征在于：所述遺 傳免疫微粒群算法中，設(shè)種群規(guī)模為M，每個種群粒子的位置矢量\由電容電壓控制環(huán)中低 通濾波器截止頻率ωα、PI控制器比例和積分系數(shù)krci和k ra、電感電流控制環(huán)中低通濾波 器截止頻率《u、PI控制器比例和積分系數(shù)kPU* k IU組成，包括以下步驟： 步驟3a:搜索范圍以試湊法獲得的控制參數(shù)為中心，向四周擴散，如果優(yōu)化結(jié)果接近 搜索空間的邊緣，則可以在該優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上進一步擴展，將優(yōu)化后得到的低通濾波器 截止頻率及PI控制器比例與積分系數(shù)分別代入電容電壓控制外環(huán)復合控制器和電感電流 控制內(nèi)環(huán)復合控制器中，獲得微粒的適應(yīng)值電容電壓差值信號Λ Ua和電感電流差值信號 Δ iL1； 步驟3b:將各個微粒的適應(yīng)值與其各自的個體最優(yōu)解和群體最優(yōu)解進行比較，更新個 體最優(yōu)解和群體最優(yōu)解，并判斷是否最優(yōu)； 步驟3c :取出最優(yōu)解作為最優(yōu)控制參數(shù)。
8. -種Buck-Boost矩陣變換器的復合控制裝置，其特征在于：所述裝置包括BBMC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。
9. 如權(quán)利要求8所述的Buck-Boost矩陣變換器的復合控制裝置，其特征在于：所述逆 變控制模塊還包括：復合控制模塊、數(shù)值處理模塊、限幅模塊；復合控制模塊、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。
10. 如權(quán)利要求9所述的Buck-Boost矩陣變換器的復合控制裝置，其特征在于：所述 復合控制模塊包括電容電壓控制外環(huán)的復合控制器和電感電流控制內(nèi)環(huán)中的復合控制器； 所述電容電壓控制外環(huán)的復合控制器和電感電流控制內(nèi)環(huán)中的復合控制器分別包括重復 控制器和PI控制器；所述重復控制器包括周期延時環(huán)節(jié)和低通濾波器。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Buck-Boost矩陣變換器的復合控制方法及其裝置。所述方法以Buck-Boost矩陣變換器中電容電壓與電感電流兩狀態(tài)變量為系統(tǒng)控制變量，主要包括步驟1：對Buck-Boost矩陣變換器的逆變級的電容電壓控制外環(huán)進行控制；步驟2：對Buck-Boost矩陣變換器的逆變級的電感電流控制內(nèi)環(huán)進行控制。所述裝置包括BBMC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。本發(fā)明的優(yōu)點是可在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確跟蹤。該控制方法具有控制精度高、跟蹤誤差小、動態(tài)性能好的優(yōu)點。
【IPC分類】H02M5-458
【公開號】CN104734532
【申請?zhí)枴緾N201510133556
【發(fā)明人】張小平, 唐水平, 周蘭
【申請人】湖南科技大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月25日