一种Buck-Boost矩阵变换器的复合控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于电力电子技术领域，特别涉及一种Buck-Boost矩阵变换器的复 合控制装置。
【背景技术】
[0002] 矩阵变换器是一种具有简单拓扑结构和一系列理想电气特性的"绿色"变频器，其 优点包括诸如输入电流正弦、输入功率因数可调、无中间储能环节、能量可双向流动等，因 而该拓扑结构自上世纪70年代提出以来一直成为电力电子领域研宄的热点。然而到目前 为止，矩阵变换器还没有得到推广应用，其中一个主要原因就是电压传输比低，它是制约矩 阵变换器在电力传动等要求实现电气设备额定运行的诸多领域应用的重要因素。
[0003] 针对矩阵变换器存在电压传输比低的缺陷，国内外从改变控制策略入手进行了广 泛的研宄，提出了多种可提高电压传输比的控制方法，但效果不理想，如输出谐波过大。为 此，研宄者提出了一种称为Buck-Boost矩阵变换器（Buck-Boost Matrix Converter, BBMC) 的新型主电路拓扑结构，该拓扑结构不仅保持了传统矩阵变换器输入电流正弦、输入功率 因数可调等系列优点，同时还具有输出电压和频率任意可调，即其电压传输比既可大于 1. 0、也可小于1. 0,且直接输出高品质的正弦波而无需滤波环节等特点，从而有效解决了传 统矩阵变换器电压传输比低的难题。
[0004] 而针对Buck-Boost矩阵变换器的控制，因其逆变级工作于变工作点，较难控制， 尽管目前已分别对其研宄采用了滑模控制、离散滑模控制、自抗扰控制、基于PID控制的双 闭环控制等多种控制方法，并取得了一定的控制效果，但各种控制方法均存在稳态误差偏 大的问题，即Buck-Boost矩阵变换器的实际输出电压与其参考输出电压之间存在较大的 稳态跟踪误差，这对于以Buck-Boost矩阵变换器作为变频器的变频调速系统等应用领域 来说，难以满足预定的调速精度的控制要求。 【实用新型内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种Buck-Boost矩阵变换器的复合控 制装置。
[0006] 所述装置包括BBMC整流级、BBMC逆变级、直流电压检测模块、逆变控制模块、状态 变量检测模块和输出电流检测模块，所述BBMC整流级的输出端与BBMC逆变级的输入端、 直流电压检测模块的输入端相连；直流电压检测模块的输出端与逆变控制模块的输入端相 连；逆变控制模块的输出端与BBMC逆变级相连，逆变控制模块控制BBMC逆变级；BBMC逆变 级的输出端与状态变量检测模块的输入端和输出电流检测模块的输入端相连；状态变量检 测模块的输出端和输出电流检测模块的输出端与逆变控制模块相连。
[0007] 优选的，所述逆变控制模块还包括：复合控制模块、数值处理模块、限幅模块；复 合控制模块、数值处理模块和限幅模块顺序连接，逆变控制模块将直流电压检测模块、状态 变量检测模块和输出电流检测模块输入的信号进行处理后输出控制BBMC逆变级的信号。
[0008] 进一步优选的，所述复合控制模块包括电容电压控制外环的复合控制器和电感电 流控制内环中的复合控制器；所述电容电压控制外环的复合控制器和电感电流控制内环中 的复合控制器分别包括重复控制器和PI控制器；所述重复控制器包括周期延时环节和低 通滤波器。
[0009] 进一步优选的，所述低通滤波器为一阶低通滤波器。
[0010] 更进一步优选的，电容电压控制外环的复合控制器中的一阶低通滤波器数学模型 为：
[0011] = 式中为截止频率。
[0012] 更进一步优选的，电感电流控制内环中的复合控制器中的一阶低通滤波器数学模 型为：
[0013] 研一；^，式中为截止频率。
[0014] 进一步优选的，周期延时环节的数学模型为et，式中时滞常数L取Buck-Boost矩 阵变换器参考输出电压的周期。
[0015] 进一步优选的，PI控制器的数学模型为式中krci、kra分别为PI控制器 的比例和积分系数。
[0016] 相对于现有技术：本实用新型在Buck-Boost矩阵变换器输出端获得与其参考值 高度一致的输出电压，从而实现对其参考输出电压的准确跟踪。本实用新型具有控制精度 高、跟踪误差小、动态性能好等优点，可大大提高Buck-Boost矩阵变换器控制系统的动态 和稳态性能。
【附图说明】
[0017] 图1为本实用新型Buck-Boost矩阵变换器的主电路拓扑结构图。
[0018] 图2为本实用新型控制系统的结构框图。
[0019] 图3为本实用新型中的电容电压控制外环原理框图。
[0020] 图4为本实用新型中的电感电流控制内环原理框图。
[0021] 图5为本实用新型控制系统的逆变控制模块结构框图。
[0022] 图6为本实用新型电容电压控制外环中的复合控制器原理框图。
[0023] 图7为本实用新型电感电流控制内环中的复合控制器原理框图。
[0024] 图8为本实用新型中采用遗传免疫微粒群算法优化复合控制器控制参数结构框 图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0026] 参见图1，图1为本实用新型Buck-Boost矩阵变换器的主电路拓扑结构图。该结 构采用AC-DC-AC两级变换器的结构形式，其整流级为一个3/2相矩阵变换器，采用无零矢 量的空间矢量调制策略进行控制（非本专利申请保护范围，此处不再赘述）；而逆变级由三 个结构相同的Buck-Boost DC/DC变换器构成，因而其控制系统将针对每相Buck-Boost DC/ DC变换器构建一个单独的控制单元（因每相变换器的控制单元结构完全相同，为简化起 见，下述以第一相控制单元为例），每个控制单元又包括针对电容电压与电感电流两个系统 控制变量分别构建的基于重复控制和PI (Proportional Integral)控制结合的复合控制闭 环；鉴于其中电容电压与Buck-Boost矩阵变换器的输出电压直接相关联（其交流分量即为 Buck-Boost矩阵变换器要求输出的交流电压），故将其作为控制外环（控制外环是对电容 的电压进行控制，如第一相的电容为Q，则该相控制外环就是对电容Q两端的电压进行控 制，使该电压与其参考电压保持一致），而电感在Buck-Boost矩阵变换器中起中间能量传 输作用，对其电流进行直接控制可有效提高系统的动态与稳态性能及系统的可靠性，故将 其作为控制内环（控制内环是对电感的电流进行控制，如第一相的电感为U，则该相控制内 环就是对电感1^的电流进行控制，使电感L i中的电流与其参考电流保持一致）；该控制策 略通过在电容电压与电感电流两个控制闭环中采用重复控制对变量偏差信号进行延时补 偿，以达到消除电容电压和电感电流对其参考信号跟踪误差的目的，从而实现Buck-Boost 矩阵变换器的实际输出电压对其参考输出电压的准确跟踪。
[0027] 参见图2,图2为本实用新型控制系统的结构框图。包括BBMC(Buck_Boost Matrix Converter)整流级、BBMC逆变级、网侧电压检测模块、整流控制模块、直流电压检测模块、 逆变控制模块、状态变量检测模块和输出电流检测模块，所述BBMC整流级的输入端和网侧 电压检测模块的输入端相连；网侧电压检测模块的输出端与整流控制模块的输入端相连； 整流控制模块的输出端与BBMC整流级相连，整流控制模块控制BBMC整流级；所述BBMC整 流级的输出端与BBMC逆变级的输入端、直流电压检测模块的输入端相连；直流电压检测模 块的输出端与逆变控制模块的输入端相连；逆变控制模块的输出端与BBMC逆变级相连，逆 变控制模块控制BBMC逆变级；BBMC逆变级的输出端与状态变量检测模块的输入端和输出 电流检测模块的输入端相连；状态变量检测模块的输出端和输出电流检测模块的输出端与 逆变控制模块相连。
[0028] 参见图3,图3为本实用新型Buck-Boost矩阵变换器的电容电压控制外环原理 框图。该控制环的作用在于通过确定电感电流控制内环的参考值i UMf，并由控制内环改变 Buck-Boost矩阵变换器中对应功率开关的占空比屯来调节电感电流和电容电压（以第一 相Buck-Boost DC/DC变换器为例来说，占空比屯对应控制功率开关的导通时间，功率开 关1和T i处于互补工作状态，即T i导通时，T 2截止，反之T i截止时，T 2导通），使电容电压 按设定的参考值变化，从而达到控制输出电压的目的。
[0029] 该控制环首先根据Buck-Boost矩阵变换器的参考输出电压信号并经相关变换获 得电容电压的参考值u aref，即取其Buck-Boost矩阵变换器的参考输出电压幅值的1. 5倍作 为直流偏置，再将该直流偏置与参考输出电压信号叠加，便得到电容电压的参考值uaref。
[0030] 然后将电容电压参考值!^,#与其实际值11。1进行比较，其偏差A ua作为复合控制 器的输入；该复合控制器包括重复控制器和PI控制器，偏差信号A ua经重复控制器延时 补偿再经PI控制器运算处理后得到电容电流的参考值iaMf;通过检测Buck-Boost矩阵变 换器的直流侧电压t、逆变级输出电流h以及电容电压实际值u a以及电容电流的参考值 iclMf在数值处理模块中进行处理，处理方式为公式：= ，由上述 公式即可计算得到电感电流的参考值iUMf;将该参考值i UMf经限幅环节限幅后作为电感 电流控制内环的参考输入，在限幅环节中限幅的目的在于避免电感电流出现异常值。
[0031] 参见图4,图4为本实用新型Buck-Boost矩阵变换器电感电流控制内环原理框图。 该控制环将电容电压控制外环产生的电感电流参考值i UMf与其实际值i 11进行比较，其偏 差A iu作为复合控制器的输入；同样该复合控制器也包括重复控制器和PI控制器，偏差 信号A iu经重复控制器延时补偿再经PI控制器运算处理后得到电感电压的参考值u UMf; 通过检测Buck-Boost矩阵变换器直流侧电压t、电容电压实际值％以及电感电压的参