考值uUMf在数值处理模块中进行处理，处理方式为公式《二+4)，由上 述公式即可计算得到占空比d1;将该占空比经限幅环节限幅后并根据相应的开关周期确定 Buck-Boost DC/DC变换器中对应功率开关的开通时间，从而调节电感电流和电容电压使 其按确定的参考值变化。由此可在Buck-Boost矩阵变换器输出端获得与其参考输出高度 一致的输出电压，从而实现对参考输出电压的准确跟踪。其中在限幅环节中对占空比限幅 的目的在于避免电感电流出现异常值。
[0032] 参见图5,图5为本实用新型控制系统的逆变控制模块结构框图。逆变控制模块包 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。上述逆变控制模块中的处理过程与图3和 图4处理的步骤相对应，其中图3和图4中的信号检测对应状态变量检测模块和输出电流 检测模块。
[0033] 参见图6,图6为本实用新型中电容电压控制外环中复合控制器原理框图。该复合 控制器包括重复控制器和PI控制器，其中基于内模原理（内模原理：把外部作用信号的动 力学模型植入控制器来构成高精度反馈控制系统的设计原理）的重复控制器能使系统实 现无静差地跟随输入信号的变化，该重复控制器是一个由周期延时环节和低通滤波器构成 的时滞正反馈控制环节。如图6虚线框所示；其中周期延时环节的作用在于将电容电压偏 差信号A ua延时一个信号周期后，再与下一个周期的偏差信号叠加。其目的是通过将上一 个周期的控制输入添加到本周期的控制输入中，调节并产生本周期的控制输入，从而达到 消除电容电压％对其参考信号跟踪误差的目的。这里周期延时环节的数学模型为e +，式 中时滞常数L取Buck-Boost矩阵变换器参考输出电压的周期。
[0034] 低通滤波器的作用在于通过减少重复控制作用在高频段的增益以改善系统稳定 性。本实用新型采用一阶低通滤波器，其数学模型为@5> = ^^式中为截止频率；图6 中电容电压偏差信号A ua经重复控制器延时补偿后产生相应的输出信号为A u Clb，该信号 再作为PI控制器的输入；根据电容微分方程可知，电容电流与电容电压的 变化率成比例，当电容电压ua与其参考信号间发生偏差A u ^时，可通过调整相应的电容 电流达到减少直至消除该偏差。
[0035] 本实用新型采用PI控制算法模拟电容电流、与电容电压偏差A 1!_间的函数 关系，效果十分理想。将经重复控制器修正补偿后的电容电压偏差信号A 1!^经PI控制器 运算处理后，得电容电流的参考值本实用新型中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。本实用新型中，低通滤波器的截止频率 ?C1、PI控制器的比例和积分系数krcJP k K1的确定是在保证整个系统稳定的前提下，通过 采用遗传免疫微粒群算法使性能指标A 达到最小来进行确定的，其基本结构框 图如图8所示。
[0036] 参见图7,图7为本实用新型中电感电流控制内环中复合控制器原理框图。与图6 相似，该复合控制器同样包括重复控制器和PI控制器，其中重复控制器是一个由周期延时 环节和低通滤波器构成的时滞正反馈控制环节，如图7虚线框所示；其中周期延时环节的 作用在于将电感电流偏差信号A iu延时一个信号周期后，再与下一个周期的偏差信号叠 加，通过补偿控制输入达到消除电感电流込对其参考信号跟踪误差的目的。本实用新型中 周期延时环节的数学模型为式中时滞常数L取Buck-Boost矩阵变换器参考输出电压 的周期；低通滤波器的作用也在于通过减少重复控制作用在高频段的增益以改善系统稳定 性。
[0037] 本实用新型中该低通滤波器同样采用一阶低通滤波器，其数学模型为= 式中为截止频率；图中电感电流的偏差信号A iu经重复控制器延时补偿后产 生相应的输出信号为A iub，该信号再作为PI控制器的输入；同样根据电感微分方程 气丨令胃知，輔概域馳勺魏軸曝@幢輔沁与麟制誇 间发生偏差A ，可通过调整相应的电感电压达到减少直至消除该偏差。
[0038] 本实用新型采用PI控制算法模拟电感电压1^与电感电流偏差A i ub间的函数关 系，效果十分理想，电感电流偏差信号A iubg PI控制器运算处理后得到电感电压的参考 值uUMf;本实用新型中该PI控制器的数模型为式中kPU、k IU分别为比例和积分 系数。
[0039] 本实用新型中，低通滤波器的截止频率《u、PI控制器的比例和积分系数k PU* kIU的确定同样是在保证整个系统稳定的前提下，通过采用遗传免疫微粒群算法使性能指 标/2 =￡aW,达到最小来进行确定的，其基本结构框图如图8所示。
[0040] 参见图8,图8为本实用新型中采用遗传免疫微粒群算法（PSO :Particle Swarm Optimization)优化复合控制器控制参数的结构框图。鉴于Buck-Boost矩阵变换器中电容 电压与电感电流对其参考信号的跟踪误差与复合控制器的控制参数直接相关，而该控制参 数以往由于采用试凑法获得而难以获得最佳控制效果，本实用新型采用遗传免疫微粒群算 法实现对上述控制参数进行优化，则有效克服了试凑法存在的局限；该算法是一种具有良 好的全局搜索和多目标优化能力的优化算法，适于对Buck-Boost矩阵变换器复合控制器 相关参数的寻优。
[0041] 本实用新型采用遗传免疫微粒群算法以减小Buck-Boost矩阵变换器中电容电压 与电感电流对其参考信号的跟踪误差为目的，将电容电压偏差信号A %和电感电流偏差 信号A iu作为优化适应值，以偏差积分乃二￡^21以,和/2二^八2^,作为系统优化的目标函 数。设种群规模为M，每个种群粒子的位置矢量\由电容电压控制环中低通滤波器截止频率 ?C1、PI控制器比例和积分系数krcJP k Ia、电感电流控制环中低通滤波器截止频率《U、PI 控制器比例和积分系数kPU* k m组成，即粒子矢量维度D = 6,其搜索范围以试凑法获得 的控制参数为中心，向四周扩散，如果优化结果接近搜索空间的边缘，则可以在该优化结果 的基础上进一步扩展，将优化后得到的低通滤波器截止频率及PI控制器比例与积分系数 分别代入电容电压控制外环复合控制器和电感电流控制内环复合控制器中，获得微粒的适 应值电容电压差值信号A ua和电感电流差值信号A i u，然后将各个微粒的适应值与其各 自的个体最优解和群体最优解进行比较，更新个体最优解和群体最优解，并判断是否最优， 最后取出最优解作为本实用新型的最优控制参数。
[0042] 本实用新型以Buck-Boost矩阵变换器中电容电压与电感电流为系统控制变量， 并针对这两个系统控制变量分别构建基于重复控制和PI控制结合的复合控制闭环，其中 以电容电压为控制外环，电感电流为控制内环，即首先根据Buck-Boost矩阵变换器的参 考输出电压信号并经相关变换得到电容电压的参考值，再针对该参考值与其实际值的偏 差采用重复控制和PI控制结合的复合控制算法进行处理并结合相关数值运算，得到相应 电感电流的参考值，同样再针对该电感电流参考值与其实际值的偏差采用重复控制和PI 控制结合的复合控制算法进行处理并结合相关数值运算，得到Buck-Boost矩阵变换器中 对应功率开关的占空比控制信号，根据该占空比及相应的开关周期确定变换器中对应功 率开关的开通时间，从而调节电感电流与电容电压使其按确定的参考值变化，由此可在 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。
【主权项】
1. 一种Buck-Boost矩阵变换器的复合控制装置，其特征在于：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。
2. 如权利要求1所述的Buck-Boost矩阵变换器的复合控制装置，其特征在于：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。
3. 如权利要求2所述的Buck-Boost矩阵变换器的复合控制装置，其特征在于：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。
4. 如权利要求3所述的Buck-Boost矩阵变换器的复合控制装置，其特征在于：所述低 通滤波器为一阶低通滤波器。
【专利摘要】本实用新型公开了一种Buck-Boost矩阵变换器的复合控制装置。所述装置包括BBMC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。本实用新型的优点是可在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。
【IPC分类】H02M5-458
【公开号】CN204597785
【申请号】CN201520172063
【发明人】张小平, 唐水平, 周兰
【申请人】湖南科技大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年3月25日