九开关变换器直接电流控制研究

潘雷　王凯　张俊茹　王贝贝　杨钊　李梅

摘要：针对九开关变换器的控制问题，提出一种九开关变换器的直接电流控制策略。阐明了九开关变换器两电容电压与各桥臂开关器件开关状态间的约束关系；采用开关函数法建立了九开关变换器在两相静止坐标系下的数学模型，并给出两相静止坐标系下九开关变换器的等效电路模型；通过该等效电路，建立九开关变换器两交流端的电流观测模型，为避免传统积分器的缺点，采用一种具有饱和反馈功能的改进积分器，最终实现九开关变换器的直接电流控制。此外，该方法仅采用了两个电压传感器，并通过仿真和实验手段，验证了该数学模型和控制方法的正确性和有效性。

关键词：九开关变换器；等效电路；开关函数；电流观测；直接电流控制

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中图分类号：TM 74

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

九开关变换器（nineswitch converter，NSC）可实现两个交流端的独立控制[1]。九开关变换器具有同频（constant frequency，CF）和异频（different frequency，DF）两种工作模式[2]。CF模式是指两交流端的工作频率相同，相位可相同，也可不同；DF模式是指两交流端的工作频率不同。

各国学者针对九开关变换器进行了广泛深入的研究，研究的主要内容为调制方法和应用领域。针对调制方法的研究主要有载波PWM方法[1-3]和SVM方法两种[4-5]，重点研究了在同频和异频模式下的PWM调制机理与方法[1]，空间矢量分布规律及调制方法[4]，两交流端输出电压幅值与两交流端相位差间的约束关系[5]，无死区时间的PWM調制机理与方法[2]，开关损耗和导通损耗[6]等。

九开关变换器的应用领域较广，如：混合动力汽车[7]、功率质量调节[8-9]、风力发电[10-13]、分布式发电系统[14]、不间断电源[15]等领域。但是目前针对九开关变换器的数学模型与控制方法的研究并不多见。

一般来说，直接电流控制采用电压外环和电流内环的双闭环串级控制结构，与间接电流控制相比具有更高的稳态性能、动态性能和控制精度，同时也使负载电流的控制对系统参数的变化不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性，因而得到了越来越深入的研究和广泛的应用[16]。直接电流控制可分为预测电流控制[17]、滞环电流控制[18]、平均电流控制[19- 20]和状态反馈电流控制[21]等。

本文提出了一种九开关变换器的直接电流控制方法。该方法建立了九开关变换器在两相静止坐标系下的数学模型，得到了两交流端负载电压与直流电容两端电压间的数学模型和两交流端负载电流的观测模型；建立了两交流端负载电流的观测器，针对观测器中传统积分环节的缺点进行了改进，最终建立了九开关变换器的直接电流控制系统。仿真和实验结果验证了该方法的正确性。

1开关函数模型

九开关变换器的拓扑结构如图1所示。鉴于开关器件开关状态的切换和避免直流母线的短路及两交流负载各相电位的不确定，可得各桥臂3个开关器件开关状态切换的约束条件为：

SAH+SAM+SAL=2，

SBH+SBM+SBL=2，

SCH+SCM+SCL=2。（1）

其中：当开关器件SJX闭合时，SJX=1；当开关器件SJX断开时，SJX=0（J=A，B，C；X=H，M，L）。

由式（1）可看出，九开关变换器正常工作时，每一桥臂有且仅有2个开关器件闭合，即每个桥臂开关器件工作状态的和为2，该约束条件可避免直流母线短路及两交流负载各相电位的不确定。

在图4中，对传统积分器进行了改进，采用了具有饱和反馈功能的改进积分器（improved integrator with saturated feedback，IISF），其功能如下：系统启动时，电流较小，接近于0，这时IISF可等效成一个低通滤波器；当系统正常运行时，IISF与传统积分环节作用相当；当电流值接近上限值时，IISF也可等效成一个低通滤波器。IISF同时具备传统积分环节和低通滤波器的优点，不仅可解决积分初值问题，还可解决直流偏移问题。此外，门限值C可根据交流端负载额定电流的大小进行调节。

同理，IISF也可应用于下端交流负载电流的观测器中，这里不予详述。

对式（2）进行坐标变换，可得到两交流端电压在αβ坐标系下的表达式，如下：

式（10）中可以看出两交流端电压仅与两电容电压和开关状态有关，即仅需采用2个电压传感器，并结合开关器件的工作状态便可实现九开关变换器负载各相电压的计算。

基于以上分析，结合九开关变换器负载各相电压的计算方法和电流观测方法可建立九开关变换器的直接电流控制系统，系统控制框图如图5所示，采用了电压外环、电流内环的控制方式。

3仿真与实验验证

为了验证所提出方法的有效性，进行了仿真和实验研究。仿真模型的结构如图5所示，并采用空间矢量调制方法[5]。仿真验证采用Matlab/SIMULINK仿真工具，仿真条件为：输入直流电压为900 V，Rs1=Rs2=50 Ω，Ls1=Ls2=100 mH；为模拟实际生活和工业用电等级，使上端负载输出线电压为380 V，下端负载输出线电压为220 V；上端负载输出电压频率为50 Hz，下端负载输出电压频率为60 Hz。仿真结果如图6、图7所示。

从图6中可以看出，稳态时上下两个交流端的线电压峰值分别约为537 V和310 V；上交流端的线电压响应速度较快，过渡过程约为0.015 s；下交流端线电压响应速度较慢，过渡过程约为0.02 s。从图7中可以看出稳态时上下2个交流端的线电流峰值分别约为5.27 A和2.87 A；上交流端的线电流响应速度较快，过渡过程时间约为0.015 s；下交流端线电流响应速度较慢，过渡过程时间约为0.02 s。从图6和图7可以看出，上交流端负载电压和电流的频率均为50 Hz，下交流端负载电压和电流的频率均为60 Hz。由图8可知，上下两交流端线电压THD分别为2.18%和2.14%，上下两交流端线电流THD分别为1.98%和1.92%；稳态时，系统整体转换效率约为97%。

針对所提出的九开关变换器直接电流控制方法，进行了实验验证。控制系统采用了图5所示控制结构，采用数字信号处理器TMS320F2812作为主控芯片，开关器件为SKW25N120，电压传感器采用CV 3-1000（测量范围为-1 000～+1 000 V），实验样机如图9所示。

实验条件如下：输入直流电压为900 V，上下两交流端均为感性负载（Rs1=Rs2=50 Ω，Ls1=Ls2=100 mH），实验内容分为2种情况，如下：

在CF模式下，上端负载设定输出线电压为380 V，下端负载设定输出线电压为220 V；两交流端负载输出电压频率均为50 Hz。实验结果如图10、图11所示。

从图10中可以看出，在CF模式下，上下两交流端线电压峰值分别约为537 V和310 V，频率均为50 Hz。从图11中可以看出，在CF模式下，上下两交流端线电流峰值分别约为5.27 A和3 A，频率均为50 Hz；上下两交流端线电压THD分别为3.13%和2.23%，上下两交流端线电流THD分别为2.38%和3.08%；稳态时，系统整体转换效率约为80%。

在DF模式下，上端负载设定输出线电压为380 V，下端负载设定输出线电压为220 V；上交流端负载输出电压频率为60 Hz，下交流端负载输出电压频率为50 Hz。实验结果如图12、图13所示。

从图12中可以看出，在DF模式下，上下两交流端线电压峰值分别约为537 V和310 V，上下两交流端线电流峰值分别约为4.96 A和3 A，频率分别为60 Hz和50 Hz。从图13中可以看出，频率分别为60 Hz和50 Hz；上下两交流端线电压THD分别为3.36%和2.44%，上下两交流端线电流THD分别为2.30%和3.11%；稳态时，系统整体转换效率约为80%。从仿真和实验结果可看出，该控制方法可实现NSC的同频和异频控制，且实际输出的电压和电流频率与设定值一致性较好，输出电压与电流的幅值与设定值的一致性也较好，表明了所提出方法的正确性和可行性。但是由于实验系统中存在一定的干扰信号、信号采集误差和传输延迟等，仿真结果的电压和电流THD均优于实验结果，且仿真结果中谐波成分的数量少于实验结果；仿真系统的响应速度也优于实验系统的响应速度，且仿真系统的效率优于实验系统的效率。

4结论

本文首先建立了九开关变换器在三相坐标系下的开关函数模型，通过坐标变换的方法得到了九开关变换器在两相静止坐标系下的开关函数模型；其次，建立了九开关变换器在两相静止坐标系下的等效电路和上下两交流端线电流的观测方法，并针对传统积分环节存在的缺点进行了改进；最终提出了一种九开关变换器的直接电流控制方法。此外，该方法仅采用了两个电压传感器。仿真和实验结果表明了该方法的有效性。

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（编辑：邱赫男）