专利名称：适用于九开关变换器的滑模控制方法
技术领域：
本发明属于九开关变换器的控制技术，具体涉及一种适用于九开关变换器的滑模控制方法。
背景技术：
在电动或混合动力汽车、舰船动力装置、高铁、UPS、风力发电系统等许多工业应用中，变换器需要同时连接多路三相系统运行，其最简单的实现方法是为每一路三相系统配备独立的变换器；这将增加整套装置的体积与开发成本。为了降低开发成本、减小装置的体积，一种采用九个开关器件连接两路三相系统的变换器被提出，其拓扑结构如图I所示。九开关变换器[参见K. Oka, Y. Nozawa, R. Omata, K. Suzuki, A. Furuya, and K. Matsuse. Characteristic comparison between Five-Leg Inverter and Nine-SwitchInverter. PCCj 07，pp. 279-283，June 2007.]由九个开关管 Q1-Q9 组成，其中，QpQ2 和 Q3 组成A相桥臂，Q4, Q5和Q6组成B相桥臂，Q7, Q8和Q9组成C相桥臂。九开关变换器划分为上变换器与下变换器两个部分，上变换器由开关管Qp Q2> Q4> Q5> Q7和Q8构成，称为Inv-1，通过ApB1和C1输出；下变换器由开关管Q2、Q3、Q5、Q6、Q8和Q9构成，称为Inv-2，通过A2、B2和C2输出；开关管Q2、Q3和Q5被上变换器和下变换器共用。九开关变换器的正常工作，需要采用一种分时调制的控制策略将一个开关周期划分为两个时间片，在第一个时间片内，上管Qp Q4和Q7—直保持导通，此时Ap B1和C1同时连接到正电压，Inv-I输出为零状态，Inv-2采用传统的三相逆变器调制策略来控制；在第二个时间片内，下管Q3、Q6和Q9—直保持导通，此时A2、B2和C2同时连接到负电压，Inv-2输出为零状态，，Inv-I采用传统的三相逆变器调制策略来控制。正弦脉冲宽度调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)[参见 Congwei Liu, Bin Wu,NavidZargari and David Xu. A Novel Nine-Switch P WM Rectifier-Inverter TopologyForThree-Phase UPS Applications. J. Eur. Power Electron. (EPE), vol. 19, no. 2,pp. 1-10, 2009.]和空间矢量脉冲宽度调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)[参见 S. M. Dehghan, M. Mohamadian, A. Yazdian, F.Ashrafzadeh. A novel spacevectormodulation for nine-switch converters. Energy Conversion Congress andExposition, 2009. ECCE 2009. IEEE. pp. 885-891.]本质上均采用了这种分时调制的方法，属于基于输出电压的调制策略，这种调制策略通过控制输出电压达到控制输出电流的目的。然而，在交流系统中，被控对象大多为电流，因此这种基于输出电压的调制策略会对整个控制系统带来以下不利的影响由于被控对象为输出电流，基于输出电压的调制策略会使调制策略和控制方法变得复杂；系统的动态响应存在一定的暂态过渡延迟，在暂态过渡过程完成后，系统输出才能够正确跟Ife指令。另一方面，滞环调制(HysteresisModulation, HM)[参见 A. Shukla, A. Ghosh,iA. Joshi. Hysteresis Modulation of Multilevel Inverters. IEEE Transactions onPowerElectronics. Volume :26. pp. 1396-1409, 2011.]或滑模脉冲宽度调制(SlidingModePulse Width Modulation, SMP丽)[参见 w. G. Yan, H. G. Hu, V. Utkin, L. Y. Xu.Slidingmode pulse-width modulation. IEEE Trans. Power Electron, vol. 23, no.2,pp. 619-626，Mar2008.]因其以输出电流为被控对象，具有控制方法简单、动态响应快速的优点，被广泛应用于单相或三相变换器中。但由于九开关变换器中存在三个公共的功率开关，若直接应用上述电流型调制策略，则会产生调制冲突，使九开关变换器不能正常工作，甚至会对电路产生损害。为了保留电流型调制策略的优点而克服上述缺点，本发明提出一种适用于九开关变换器的滑模脉冲宽度调制策略。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于九开关变换器的滑模控制方法，以解决调制过程中产生的调制冲突的问题，并使得九开关变换器两组三相输出的电流可直接跟踪指令值；与电压型调制策略相比，本发明提出的调制策略可简化调制过程，并提高输出电流跟踪指令的能力。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种适用于九开关变换器的滑模控制方法，包括如下步骤第I步根据九开关变换器的工作模式计算九开关变换器正常工作所需要的最小直流电压；第2步霍尔电流传感器对九开关变换器的上变换器Inv-I的A相输出电流ial、B相输出电流ibl，下变换器Inv-2的A相输出电流ia2、B相输出电流ib2取样，霍尔电压传感器对九开关变换器上变换器Inv-I的中点N1对地的电压vN1及下变换器Inv-2的中点N2对地的电压vN2取样；第3步按照公式I计算九开关变换器滑模控制所需要的误差变量Xai、Xbi、XNi，公式I中，X代表误差变量，I = I表示计算结果为上变换器Inv-I的A相、B相或母线N的误差变量,i = 2表示计算结果为下变换器Inv-2的A相、B相或母线N的误差变量,*上标表示预先设定的相应变量的指令值表示系统绝对时间；
权利要求
1.一种适用于九开关变换器的滑模控制方法，包括如下步骤 第I步根据九开关变换器的工作模式计算九开关变换器正常工作所需要的最小直流电压； 第2步霍尔电流传感器对九开关变换器的上变换器Inv-I的A相输出电流ial、B相输出电流ibl，下变换器Inv-2的A相输出电流ia2、B相输出电流ib2取样，霍尔电压传感器对九开关变换器上变换器Inv-I的中点N1对地的电压vN1及下变换器Inv-2的中点N2对地的电压vN2取样； 第3步按照公式I计算九开关变换器滑模控制所需要的误差变量xai、xbi> xNi,公式I中，X代表误差变量，i = I表示计算结果为上变换器Inv-I的A相、B相或母线N的误差变量,i = 2表示计算结果为下变换器Inv-2的A相、B相或母线N的误差变量,*上标表示预先设定的相应变量的指令值表示系统绝对时间； x^=C-L < - 公式 I = J (4 _、，'、<_ 第4步依照公式II构建九开关变换器滑模控制需要的滑模面函数Sai、Sbi、SNi，公式II中，S代表滑模面函数,i = I表示计算结果为上变换器Inv-I的滑模面函数,i = 2表示计算结果为下变换器Inv-2的滑模面函数A为负载电感，其中，L1代表上变换器Inv-I支路负载电感山2代表下变换器Inv-2支路负载电感；'Sai=LiXat^Xst -Shl =LlXhl +Xxt公式 II / V — I^L·. Y ~~ Λα/ / Mi 第5步当Sal大于滞环带宽Bhl并且Sa2大于滞环带宽Bh2时，控制开关管Q1和Q2开通，Q3关断；当Sal小于负的滞环带宽-Bhl并且Sa2小于负的滞环带宽-Bh2时，控制开关管Q1关断，Q2和Q3开通；当Sal大于滞环带宽Bhl并且Sa2小于负的滞环带宽-Bh2时，控制开关管Q1和Q3开通，Q2关断；特别地，当Sal小于负的滞环带宽-Bhl并且Sa2大于滞环带宽Bh2时，控制开关管Q1和Q3关断，Q2开通，并且此时cN1*和vN/的取值应满足公式III的约束；公式III中，RpR2表不Inv-I与Inv-2的负载电阻，eal、ea2表不A相负载反电动势,^表不^的导数，表示&的导数； Msl + ^lCil + eal ^ vNI > ^aZ + + βα2 + V,V2公式工工工 当Sbl大于滞环带宽Bhl并且Sb2大于滞环带宽Bh2时，控制开关管Q4和Q5开通，Q6关断；当Sbl小于负的滞环带宽-Bhl并且Sb2小于负的滞环带宽-Bh2时，控制开关管Q4关断，Q5和Q6开通；当Sbl大于滞环带宽Bhl并且Sb2小于负的滞环带宽-Bh2时，控制开关管Q4和Q6开通，Q5关断；特别地，当Sbl小于负的滞环带宽-Bhl并且Sb2大于滞环带宽Bh2时，控制开关管Q4和Q6关断，Q5开通，并且此时vm*和vN2*的取值应满足公式IV的约束；公式IV中，ebl、eb2表示B相负载反电动势,&表示4的导数,表示4的导数; -^I41 + Ww +eM + νΛ > +為匕2 +%2 +%2公式工乂 当Scl大于滞环带宽Bhl并且Sci2大于滞环带宽Bh2时，控制开关管Q7和Q8开通，Q9关断；当Sca小于负的滞环带宽-Bhl并且Sci2小于负的滞环带宽-Bh2时，控制开关管Q7关断，Q8和Q9开通；当Scl大于滞环带宽Bhl并且Sci2小于负的滞环带宽-Bh2时，控制开关管Q7和Q9开通，Q8关断；特别地，当Scl小于负的滞环带宽-Bhl并且Se2大于滞环带宽Bh2时，控制开关管Q7和Q9关断，Q8开通；并且此时vm*和vN/的取值应满足公式V的约束； 公式V中，ecl> ec2表不C相负载反电动势。
2.根据权利要求I所述的适用于九开关变换器的滑模控制方法，其特征在于，第I步中，当九开关变换器工作于异频运行模式时，直流电压依照公式VI计算获得；九开关变换器工作于同频运行模式时，直流电压依照公式VII计算获得九开关变换器正常工作所需要的直流母线电压最小值Vdc;_min ；
3.根据权利要求I或2所述的适用于九开关变换器的滑模控制方法，其特征在于，滞环带宽Bhl、Bh2是为了防止过高的开关频率而设置的Inv-I和Inv-2的滑模轨迹能够滑动的区间，其取值范围通过公式IX确定，其中，fs—max为九开关变换器正常工作的最大开关频率，Vdc表示直流母线电压，
全文摘要
本发明提供一种适用于九开关变换器的滑模控制方法通过对输出电流及中点对地电压取样，再将电压电流取样信号与其对应的指令值通过运算得到滑模面后送入滑模控制系统，并依滑模轨迹的状态给出相应的驱动信号控制九个开关管开关，使滑模轨迹始终收敛于滑模面，最终使九开关变换器输出的两组三相正弦电流可直接跟踪给定。本发明以输出电流为被控对象，与脉冲宽度调制、空间矢量脉冲宽度调制等电压型调制策略相比控制方法更加简单，具有稳态精度高、动态响应快的优点。
文档编号H02M7/5395GK102969930SQ20121041691
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者陈宇, 文刚, 康勇 申请人:华中科技大学