九开关变换器的直接功率控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种九开关变换器的直接功率控制系统。

背景技术：

随着功率变换器小型化、高可靠性和低功耗的不断发展，各国学者对功率变换器拓扑结构的改进，及其相应的控制方法做出了大量工作，并取得了大量成果。

九开关变换器相对于传统背靠背两电平12开关变换器减少了3个开关器件及其驱动电路，该种拓扑结构在成本和体积上具有一定优势。

九开关变换器同时可具备两路三相交流输出，可实现三相交流负载的驱动，其运行模式可分为同频运行和异频运行两种。目前，并未发现关于九开关变换器直接功率控制方法的公开报道。

直接功率控制策略已经广泛应用于功率变换器的控制，利用直接功率控制策略可实现不同类型功率变换器的控制，但是不同拓扑结构功率变换器的数学模型不同，直接功率控制策略也有很大不同，比如：传统六开关功率变换器的数学模型与二极管钳位式三电平功率变换器的数学模型有很大不同，两者所涉及的直接功率控制方法也有很大区别，尤其是减少传感器时的控制方法差别更大。也就是说，九开关功率变换器的数学模型较六开关功率变换器的数学模型更为复杂，所以二者的直接功率控制也存在较大差异。

此外，传统九开关功率变换器的控制需检测两交流端的电压和电流信号，供需6个电压传感器和6个电流传感器，传感器数量较多，成本较高。

技术实现要素：

本实用新型针对九开关功率变换器开关函数数学模型的结构，提供了一种九开关变换器的直接功率控制系统，该结构同时适用于九开关功率变换器 的同频和异频工作模式直接功率控制，该方法仅采用2个电压传感器便可实现九开关功率变换器的直接功率控制，降低了系统成本。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是提供九开关功率变换器直接功率控制系统，其中：该九开关功率变换器直接功率控制系统包括九开关功率变换器、上端负载、下端负载、上端电容、上端电容电压检测电路、下端电容、下端电容电压检测电路、AD转换电路、TMS320F2812控制电路和IGBT驱动电路；连接方式为：

上端电容的一端与直流母线电压的正极相连，另一端与下端电容电压检测电路的参考点相连，下端电容的一端与下端电容电压检测电路的参考点相连，另一端与直流母线电压的负极相连；上端电容电压检测电路的输入与上端电容的两端相连，其输出连接到AD转换电路的输入端；下端电容电压检测电路的输入与下端电容的两端相连，其输出连接到AD转换电路的输入端；AD转换电路的输出u_c1和u_c2连接到TMS320F2812控制电路的输入端；TMS320F2812控制电路的输出连接到IGBT驱动电路的输入端；IGBT驱动电路的输出端连接到九开关功率变换器的开关器件的控制信号输入端。

本实用新型的效果是该控制系统可实现九开关变换器的同频和异频控制。与传统九开关变换器控制系统相比，将电压传感器的数量从6个减少到2个；更显著的是，该系统不需要电流传感器，而传统结构需要6个电流传感器；该结构可降低系统成本，优化系统控制结构，降低了系统体积。

附图说明

图1为本实用新型的基于两电压检测电路的九开关功率变换器直接功率控制系统结构；

图2为本实用新型的i_α1观测电路；

图3为本实用新型的i_β1观测电路；

图4为本实用新型的i_α2观测电路；

图5为本实用新型的i_β2观测电路；

图6为本实用新型的上交流端直接功率控制单元；

图7为本实用新型的下交流端直接功率控制单元。

图中：

1、九开关功率变换器 2、桥臂Ⅰ 3、桥臂Ⅱ 4、桥臂Ⅲ 5、上端电容电话检测电路 6、下端电容电压检测电路 7、上端电容 8、下端电容 9、上交流端 10、下交流端 11、三相坐标系到两相静止坐标系变换 12、电流观测器 13、i_α1观测电路Ⅰ 14、i_β1观测电路Ⅱ 15、i_α2观测电路Ⅲ 16、i_β2观测电路Ⅳ 17、直接功率控制 18、上交流端直接功率控制单元 19、下交流端直接功率控制单元 20、SVPWM调制 21、TMS320F2812 22、IGBT驱动 23、AD转换电路

具体实施方式

结合附图对本实用新型的九开关变换器的直接功率控制系统加以说明。

如图1所示，本实用新型的九开关功率变换器直接功率控制系统结构中仅包含两个电容电压检测电路，并不含有任何的电流检测电路，包括九开关功率变换器1、上端负载9、下端负载10、上端电容7、上端电容电压检测电路5、下端电容8、下端电容电压检测电路6、AD转换电路23、TMS320F2812控制电路21和IGBT驱动电路22；其连接方式如下：

上端电容7的一端与直流母线电压的正极相连，另一端与参考点相连；下端电容8的一端与参考点相连，另一端与直流母线电压的负极相连；上端电容电压检测电路5的输入与上端电容7的两端相连，其输出连接到AD转换器23的输入端；下端电压检测电路6的输入与下端电容8的两端相连，其输出连接到AD转换器23的输入端；AD转换器23的输出u_c1和u_c2连接到TMS320F2812控制电路21的输入端；TMS320F2812控制电路21的输出连接到IGBT驱动电路22的输入端；IGBT驱动电路22的输出端连接到 九开关变换器开关器件的控制信号输入端。所述TMS320F2812控制电路21是市售DSP芯片，所述IGBT驱动电路22是市售FP40R12KT3型号的IGBT驱动模块。

本实用新型的九开关功率变换器直接功率控制系统的控制步骤为：

Step1：首先根据上端负载9和下端负载10的运行模式，初始化九开关功率变换器1中开关器件的初始状态，并得到初始电压矢量。

Step2：通过上端电容电压检测电路5和下端电容电压检测电路6进行上端电容7电压和下端电容8电压的采样。

Step3：将采样电压经AD转换电路23送入TMS320F2812控制电路21进行处理，得到上端电容7电压和下端电容8电压，分别为u_c1和u_c2。

Step4：将九开关功率变换器1中开关器件IS_AH、开关器件II S_AM、开关器件III S_AL、开关器件IV S_BH、开关器件V S_BM、开关器件VI S_BL、开关器件VII S_CH、开关器件VIII S_CM和开关器件ⅨS_CL的工作状态进行定义：开关器件I S_AH、开关器件II S_AM、开关器件III S_AL、开关器件IV S_BH、开关器件V S_BM、开关器件VI S_BL、开关器件VII S_CH、开关器件VIII S_CM和开关器件ⅨS_CL闭合时为“1”，断开时为“0”；针对开关器件IS_AH、开关器件II S_AM、开关器件III S_AL、开关器件IV S_BH、开关器件V S_BM、开关器件VI S_BL、开关器件VII S_CH、开关器件VIII S_CM和开关器件ⅨS_CL的工作状态，将开关器件IS_AH、开关器件II S_AM、开关器件III S_AL、开关器件IV S_BH、开关器件V S_BM、开关器件VI S_BL、开关器件VII S_CH、开关器件VIII S_CM和开关器件ⅨS_CL经TMS320F2812控制电路(21)中三相坐标系到两相静止坐标系变换11，得到两相静止坐标系下开关状态IS_αH、两相静止坐标系下开关状态IIS_αM、两相静止坐标系下开关状态IIIS_αL、两相静止坐标系下开关状态IVS_βH、两相静止坐标系下开关状态VS_βM和两相静止坐标系下开关状态VIS_βL；

Step5：将上端电容电压u_c1、下端电容电压u_c2、两相静止坐标系下开关状态IS_αH、两相静止坐标系下开关状态IIS_αM、两相静止坐标系下开关状态IIIS_αL、两相静止坐标系下开关状态IVS_βH、两相静止坐标系下开关状态VS_βM和两相静止坐标系下开关状态VIS_βL送入TMS320F2812控制电路21中电流观测器12，经TMS320F2812控制电路21中i_α1观测电路Ⅰ13得到上交流端α轴电流信号i_α1，经TMS320F2812控制电路21中i_β1观测电路Ⅱ14得到上交流端β轴电流信号i_β1、经TMS320F2812控制电路21中i_α2观测电路Ⅲ15得到下交流端α轴电流信号i_α2，经TMS320F2812控制电路21中i_β2观测电路Ⅳ16得到下交流端β轴电流信号i_β2；上端电容电压u_c1、下端电容电压u_c2、上交流端α轴电流信号i_α1、上交流端β轴电流信号i_β1、下交流端α轴电流信号i_α2和下交流端β轴电流信号i_β2送入TMS320F2812控制电路21中直接功率控制单元17，经TMS320F2812控制电路21中上交流端直接功率控制单元18和下交流端直接功率控制单元19，得到两相静止坐标系下的上交流端α轴电压参考信号上交流端β轴电压参考信号下交流端α轴电压参考信号和下交流端β轴电压参考信号

Step6：上交流端α轴电压参考信号上交流端β轴电压参考信号下交流端α轴电压参考信号和下交流端β轴电压参考信号送入TMS320F2812控制电路21中SVPWM调制模块20，经SVPWM调制模块20得到各开关器件的PWM信号，经驱动电路控制开关器件I S_AH、开关器件II S_AM、开关器件III S_AL、开关器件IV S_BH、开关器件V S_BM、开关器件VIS_BL、开关器件VII S_CH、开关器件VIII S_CM和开关器件Ⅸ S_CL的工作状态；

Step7：判断系统是否停止运行，如果是则结束，否则返回step2继续执行。

本实用新型的i_α1观测电路13Ⅰ如图2所示，其连接方式如下：上端电容电压u_c1与两相静止坐标系下开关状态IS_αH相乘得到结果I-IY_1,1；两相静止坐标系下开关状态IIS_αM与两相静止坐标系下开关状态IIIS_αL相乘得到结果II-IY_2,1；两相静止坐标系下开关状态VS_βM和两相静止坐标系下开关状态VIS_βL相乘得到结果III-IY_3,1；结果II-IY_2,1和结果III-IY_3,1相减得到结果IV-IY_4,1；结果IV-IY_4,1和2相乘得到结果V-IY_5,1；下端电容电压u_c2和结果V-IY_5,1相乘得到结果VI-IY_6,1；结果I-IY_1,1和结果VI-IY_6,1相加得到结果VII-IY_7,1；结果VII-IY_7,1与结果X-IY_10,1相减得到结果VIII-IY_8,1；对结果VIII-IY_8,1积分得到结果IX-IY_9,1；结果IX-IY_9,1与上交流端负载电感的倒数1/L_s1相乘得到上交流端α轴电流信号i_α1；上交流端α轴电流信号i_α1与上交流端相负载电阻R_s1相乘得到结果X-IY_10,1。

本实用新型的i_β1观测电路14Ⅱ如图3所示，其连接方式如下：上端电容电压u_c1与两相静止坐标系下开关状态IVS_βH相乘得到结果I-IIY_1,2；两相静止坐标系下开关状态IIS_αM与两相静止坐标系下开关状态VIS_βL相乘得到结果II-IIY_2,2；两相静止坐标系下开关状态VS_βM和两相静止坐标系下开关状态IIIS_αL相乘得到结果III-IIY_3,2；结果II-IIY_2,2和结果III-IIY_3,2相减得到结果IV-IIY_4,2；结果IV-IIY_4,2和2相乘得到结果V-IIY_5,2；下端电容电压u_c2和结果V-IIY_5,2相乘得到结果VI-IIY_6,2；结果I-IIY_1,2和结果VI-IIY_6,2相加得到结果VII-IIY_7,2；结果VII-IIY_7,2与结果X-IIY_10,2相减得到结果VIII-IIY_8,2；对结果VIII-IIY_8,2积分得到结果IX-IIY_9,2；结果IX-IIY_9,2与上交流端负载电感的倒数1/L_s1相乘得到上交流端β轴电流信号i_β1；上交流端β轴电流信号i_β1与上交流端负载电阻R_s1相乘得到结果X-IIY_10,2。

本实用新型的i_α2观测电路Ⅲ15如图4所示，其连接方式如下：下端电容电压u_c2与两相静止坐标系下开关状态IIIS_αL相乘得到结果I-IIIY_1,3；两相静止坐标系下开关状态IS_αH与两相静止坐标系下开关状态IIS_αM相乘得到结 果II-IIIY_2,3；两相静止坐标系下开关状态IVS_βH和两相静止坐标系下开关状态VS_βM相乘得到结果III-IIIY_3,3；结果II-IIIY_2,3和结果III-IIIY_3,3相减得到结果IV-IIIY_4,3；结果IV-IIIY_4,3和2相乘得到结果V-IIIY_5,3；上端电容电压u_c1和结果V-IIIY_5,3相乘得到结果VI-IIIY_6,3；结果I-IIIY_1,3和结果VI-IIIY_6,3相加得到结果VII-IIIY_7,3；结果VII-IIIY_7,3与结果X-IIIY_10,3相减得到结果VIII-IIIY_8,3；对结果VIII-IIIY_8,3积分得到结果IX-IIIY_9,3；结果IX-IIIY_9,3与下交流端负载电感的倒数1/L_s2相乘得到下交流端α轴电流信号i_α2；下交流端α轴电流信号i_α2与下交流端负载电阻R_s2相乘得到结果X-IIIY_10,3。

本实用新型的i_β2观测电路Ⅳ16如图5所示，其连接方式如下：下端电容电压u_c2与两相静止坐标系下开关状态VIS_βL相乘得到结果I-IVY_1,4；两相静止坐标系下开关状态IS_αH与两相静止坐标系下开关状态VS_βM相乘得到结果II-IVY_2,4；两相静止坐标系下开关状态IVS_βH和两相静止坐标系下开关状态IIS_αM相乘得到结果III-IVY_3,4；结果II-IVY_2,4Y_2,4和结果III-IVY_3,4相减得到结果IV-IVY_4,4；结果IV-IVY_4,4和2相乘得到结果V-IVY_5,4；上端电容电压u_c1和结果V-IVY_5,4相乘得到结果VI-IVY_6,4；结果I-IVY_1,4和结果VI-IVY_6,4相加得到结果VII-IVY_7,4；结果VII-IVY_7,4与结果X-IVY_10,4相减得到结果VIII-IVY_8,4；对结果VIII-IVY_8,4积分得到结果IX-IVY_9,4；结果IX-IVY_9,4与下交流端负载电感的倒数1/L_s2相乘得到下交流端β轴电流信号i_β2；下交流端β轴电流信号i_β2与下交流端负载电阻R_s2相乘得到Y_10,4。

本实用新型的上交流端直接功率控制单元18如图6所示，其连接方式如下：上交流端α轴电流信号i_α1与上交流端α轴电压信号u_α1相乘得到结果I-VY_1,5；上交流端β轴电流信号i_β1与上交流端β轴电压信号u_β1相乘得到结果II-VY_2,5；上交流端β轴电流信号i_β1与上交流端α轴电压信号u_α1相乘得到结果III-VY_3,5；上交流端α轴电流信号i_α1与上交流端β轴电压信号u_β1相乘得到结果IV-VY_4,5；结果I-VY_1,5与结果II-VY_2,5相加得到上端有功功率p₁； 结果III-VY_3,5与结果IV-V Y_4,5相减得到上端无功功率q₁；上端参考有功功率p^*₁与上端有功功率p₁相减得到上端有功功率偏差Δp₁；上端参考无功功率q^*₁与上端无功功率q₁相减得到上端无功功率偏差Δq₁；上交流端α轴电流信号i_α1与上端有功功率偏差Δp₁相乘得到结果V-VY_5,5；上交流端β轴电流信号i_β1与上端有功功率偏差Δp₁相乘得到结果VI-VY_6,5；上交流端β轴电流信号i_β1与上端无功功率偏差Δq₁相乘得到结果VII-VY_7,5；上交流端α轴电流信号i_α1与无功功率偏差Δq₁相乘得到结果VIII-VY_8,5；结果VII-VY_7,5减去结果V-VY_5,5得到结果IX-VY_9,5；负的结果VI-VY_6,5减去结果VIII-VY_8,5得到结果X-VY_10,5；结果IX-VY_9,5通过PI调节器得到上交流端α轴电压参考信号u^*_α1；结果X-VY_10,5通过PI调节器得到上交流端β轴电压参考信号u^*_β1。

本实用新型的下交流端直接功率控制单元19如图7所示，其连接方式如下：下交流端α轴电流信号i_α2与下交流端α轴电压信号u_α2相乘得到结果I-VIY_1,6；下交流端β轴电流信号i_β2与下交流端β轴电压信号u_β2相乘得到结果II-VIY_2,6；下交流端β轴电流信号i_β2与下交流端α轴电压信号u_α2相乘得到结果III-VIY_3,6；下交流端α轴电流信号i_α2与下交流端β轴电压信号u_β2相乘得到结果IV-VIY_4,6；结果I-VIY_1,6与结果II-VIY_2,6相加得到下端有功功率p₂；结果III-VIY_3,6减去结果IV-VIY_4,6得到下端无功功率q₂；下端参考有功功率p^*₂减去下端有功功率p₂得到下端有功功率偏差Δp₂；下端参考无功功率q^*₂减去下端无功功率q₂得到下端无功功率偏差Δq₂；下交流端α轴电流信号i_α2与下端有功功率偏差Δp₂相乘得到结果V-VIY_5,6；下交流端β轴电流信号i_β2与下端有功功率偏差Δp₂相乘得到结果VI-VIY_6,6；下交流端β轴电流信号i_β2与无功功率偏差Δq₂相乘得到结果VII-VIY_7,6；下交流端α轴电流信号i_α2与无功功率偏差Δq₂相乘得到结果VIII-VIY_8,6；结果VII-VIY_7,6减去结果V-VIY_5,6得到结果IX-VIY_9,6；负的结果VI-VIY_6,6减去结果VIII-VIY_8,6得到结果X-VIY_10,6；结果IX-VIY_9,6通过PI调节器得到下交流端α轴电压参 考信号u^*_α2；结果X-VIY_10,6通过PI调节器得到下交流端β轴电压参考信号u^*_β2。