一种三相交错并联三电平buck变换器的电压电流双闭环操控方法pdf

  本发明涉及一种三相交错并联三电平buck变换器的电压电流双闭环控制方法，该方法可以有明显效果地地提高变换器的输出电压稳定性和动态响应性能，同时实现中点电位平衡和开关损耗降低。本发明具有有益效果为：通过引入前馈补偿机制，有效地抑制输入端交流母线电压波动对输出端直流母线电压的影响，提高输出端直流母线电压稳定性；通过引入中点平衡机制，有效地保持输入端直流母线与中点电位的电位差、中点电位与地之间的电位差相等，防止中点漂移现象，减少开关管的反向恢复损耗；通过采用三相交错并联结构和三电平拓扑结构，有效地降低输出

  1.本文所设计的三相交错并联三电平buck变换器电压电流双闭环操控方法，其特征在

  于，所述的三相交错并联三电平buck变换器的控制电路采取电压电流双闭环的控制方式，

  并引入了前馈补偿机制和中点平衡机制；所述的三相交错并联三电平buck变换器采用三相

  交错并联结构和三电平拓扑结构，包括十二个IGBT开关管、六个感性元件、四个支撑电容、

  一个电压采样电路、一个电流采样电路、一个前馈补偿电路、一个中点电位检测电路、一个

  PWM信号生成器和一个驱动电路。所述的十二个开关管分别为S、S、S、S、S、S、S、

  S、S、S、S和S。其中S、S为第一相位的上桥臂开关管和S和S为第一相位的下桥

  臂开关管；其中S、S为第二相位的上桥臂开关管和S和S为第二相位的下桥臂开关管；

  其中S、S为第三相位的上桥臂开关管和S和S为第三相位的下桥臂开关管。每一桥臂的

  两个开关管互补导通，不同相位，相同位置的开关管间隔120°相继导通。所述的六个感性元

  件分别为L、L、L、L、L、L，其中L、L为第一相位的感性元件；L、L为第二相位的感性元

  件；L、L为第三相位的感性元件。所述的PWM信号生成器包括四个PI调节器和一个SVPWM算

  法模块，其中PI调节器用于根据四个信号生成六个的参考三角波。六个参考三角波之间的

  关系为控制每一相上下桥臂参考三角波关于0轴对称，三相之间控制上、下桥臂的三个参考

  三角波相差120°。SVPWM算法模块用于根据三个参考波生成十二个PWM控制信号。

  2.根据权利要求1所述的三相交错并联三电平buck变换器电压电流双闭环控制方法，

  步骤1、采样输出端的直流母线电压，并将其与给定的参考电压作比较，得到一个电

  步骤2、将电压误差信号输入已经调整参数后PI调节器后，输出的电流取三分之一作为

  步骤3、采样每个相位的输入端感性元件的感性电流，并将其与给定的参考电流进行比

  步骤5、检测输入端直流母线与中点电位的电位差、中点电位与地之间的电位差，并将

  步骤6、根据上述四个信号，采用PI调节器和SVPWM算法，生成六个PWM控制信号；

  [0001]本发明涉及一种三相交错并联三电平buck变换器的电压电流双闭环操控方法，属

  [0002]三相交错并联三电平buck变换器是一种高效、高密度、高可靠性的直流‑直流变换

  器，大范围的应用于风力发电、光伏发电、微网、智能配电等领域。该变换器具有以下优点：

  [0003]1.采用三相交错并联结构，可以大大降低输入和输出端的纹波，提高系统的动态

  [0004]2.采用三电平结构，能够更好的降低开关管的压力和损耗，提高系统的效率和功率密度；

  [0005]3.采用buck型拓扑结构，能轻松实现无源箝位和零电压开关，减少开关管的开关损

  [0007]1.输出端直流母线电压受到输入端直流母线电压、负载和开关管状态等因素的影

  响，需要采用闭环控制来保证输出端直流母线.输入端直流母线中点电位受到开关管导通时间不均衡等因素的影响，需要采用

  [0009]3.输入端感性元件的感性电流受到输入端直流母线电压、输出端直流母线电压和

  [0011]1.单闭环操控方法，只对输出端直流母线电压进行反馈控制，忽略了输入端直流

  [0012]2.双闭环操控方法，对输出端直流母线电压和输入端直流母线中点平衡进行反馈

  [0013]3.三闭环操控方法，对输出端直流母线电压、输入端直流母线中点平衡和感性元

  件的感性电流进行反馈控制，但控制结构较为复杂，调节器参数难以设计，且易产生耦合干

  [0014]因此，本发明的目的是提供一种三相交错并联三电平buck变换器的电压电流双闭

  环控制方法，该办法能够实现输出端直流母线电压的稳定、输入端直流母线中点平衡的保

  持和感性元件工作状态的优化，且控制结构简单、调节器参数易于设计，且无耦合干扰。

  [0016]一种三相交错并联三电平buck变换器电压电流双闭环控制方法，其特征在于，所

  述的三相交错并联三电平buck变换器的控制电路采用电压电流双闭环的控制方式，并引入

  了前馈补偿机制和中点平衡机制；所述的三相交错并联三电平buck变换器采用三相交错并

  联结构和三电平拓扑结构，包括十二个IGBT开关管、六个感性元件、四个支撑电容、一个电

  压采样电路、一个电流采样电路、一个前馈补偿电路、一个中点电位检测电路、一个PWM信号

  生成器和一个驱动电路。所述的十二个开关管分别为S、S、S、S、S、S、S、S、S、

  S、S和S。其中S、S为第一相位的上桥臂开关管和S和S为第一相位的下桥臂开关

  管；其中S、S为第二相位的上桥臂开关管和S和S为第二相位的下桥臂开关管；其中

  S、S为第三相位的上桥臂开关管和S和S为第三相位的下桥臂开关管。每一桥臂的两个

  开关管互补导通，不同相位，相同位置的开关管间隔120°相继导通。所述的六个感性元件分

  别为L、L、L、L、L、L，其中L、L为第一相位的感性元件；L、L为第二相位的感性元件；L、

  L为第三相位的感性元件。所述的PWM信号生成器包括四个PI调节器和一个SVPWM算法模

  块，其中PI调节器用于根据四个信号生成六个的参考三角波。六个参考三角波之间的关系

  为控制每一相上下桥臂参考三角波关于0轴对称，三相之间控制上、下桥臂的三个参考三角

  波相差120°。SVPWM算法模块用于根据三个参考波生成十二个PWM控制信号，具体包括以下

  [0017]步骤1、采样输出端的直流母线电压，并将其与给定的参考电压进行比较，得到一

  [0018]步骤2、将电压误差信号输入已经调整参数后PI调节器后，输出的电流取三分之一

  [0019]步骤3、采样每个相位的输入端感性元件的感性电流，并将其与给定的参考电流进

  [0021]步骤5、检测输入端直流母线与中点电位的电位差、中点电位与地之间的电位差，

  [0022]步骤6、根据上述四个信号，采用PI调节器和SVPWM算法，生成六个PWM控制信号；

  [0023]步骤7、根据PWM控制信号，驱动变换器中的十二个开关管进行开关动作。

  [0025]1.本发明采用电压电流双闭环控制方法，能轻松实现输出端直流母线电压的稳定、

  输入端直流母线中点平衡的保持和感性元件工作状态的优化，提高系统的性能和效率；

  [0026]2.本发明采用前馈补偿电路，可以抵消输出端直流母线电压对输入端感性元件感

  [0027]3.本发明采用中点电位检测电路，可以实时监测输入端直流母线中点电位与地之

  间的电位差，并将其作为一个反馈信号，实现中点平衡控制，避免支撑电容过充或过放，延

  [0028]4.本发明采用PWM信号生成器，可以根据四个信号生成六个参考三角波，并根据三

  个参考波生成十二个PWM控制信号，实现对十二个开关管的精确控制，降低开关管的开关损

  [0029]5.本发明采用简单的控制结构，只需要四个PI调节器和一个SVPWM算法模块，无需

  [0030]图1是本发明所设计的三相交错并联三电平buck变换器的结构示意图；

  [0031]图2是本发明所设计的三相交错并联三电平buck变换器的控制框图；

  [0032]图3是本发明所设计的三相交错并联三电平buck变换器的PWM信号图；

  [0033]图4是本发明所设计的三相交错并联三电平buck变换器在参考电压为900V时的仿

  [0034]如图1所示，本发明所设计的三相交错并联三电平buck变换器包括十二个IGBT开

  关管、六个感性元件、四个支撑电容、一个电压采样电路、一个电流采样电路、一个前馈补偿

  电路、一个中点电位检测电路、一个PWM信号生成器和一个驱动电路。其中，十二个开关管分

  别为S、S、S、S、S、S、S、S、S、S、S和S,其中S、S为第一相位的上桥臂开关

  管和S和S为第一相位的下桥臂开关管；其中S、S为第二相位的上桥臂开关管和S和

  S为第二相位的下桥臂开关管；其中S、S为第三相位的上桥臂开关管和S和S为第三

  相位的下桥臂开关管。每一桥臂的两个开关管互补导通，不同相位，相同位置的开关管间隔

  120°相继导通。所述的六个感性元件分别为L、L、L、L、L、L，其中L、L为第一相位的感性

  元件；L、L为第二相位的感性元件；L、L为第三相位的感性元件；所述的四个支撑电容分

  别为C、C、C和C，其中C和C为输入端的支撑电容；C和C为输出端的支撑电容；所述的电

  压采样电路用于采样输出端的直流母线电压U，并将其与给定的参考电压进行比较，得到

  一个电压误差信号U；所述的电流采样电路用于采样每个相位的输入端感性元件的感性电

  流I、I和I，并将其与给定的参考电流进行比较，得到一个电流误差信号I；所述的前馈

  补偿电路用于将输出端的直流母线电压U作为前馈补偿信号；所述的中点电位检测电路用

  于检测输入端直流母线与中点电位的电位差U和中点电位与地之间的电位差U，并将它

  们之间的差值与给定的零参考值进行比较，得到一个中点平衡信号U；所述的PWM信号生成

  器包括四个PI调节器和一个SVPWM算法模块，其中PI调节器用于根据四个信号U、I、U和U

  生成六个参考三角波V、V、V、V、V和V，六个参考三角波之间的关系为控制每一相上

  下桥臂参考三角波关于0轴对称，三相之间控制上、下桥臂的三个参考三角波相差120°，

  SVPWM算法模块用于根据三个参考波V、V和V生成十二个PWM控制信号S、S、S、S、S、

  S、S、S、S、S、S和S；所述的驱动电路用于根据PWM控制信号驱动变换器中的十二个

  [0035]如图2所示，本发明所设计的三相交错并联三电平buck变换器的控制框图包括以

  下部分：一个输出端直流母线电压闭环控制器，一个输入端直流母线中点平衡闭环控制器，

  一个输入端感性元件感性电流闭环控制器，一个PWM信号生成器和一个驱动电路。其中，输

  出端直流母线电压闭环控制器包括一个电压采样电路和一个PI调节器，用于根据输出端直

  流母线电压误差信号U生成每一相给定的参考电流；输入端直流母线中点平衡闭环控制器

  包括一个中点电位检测电路和一个PI调节器，用于根据输入端直流母线中点平衡信号U生

  成每一相上下桥臂参考三角波之间的偏移量ΔV；输入端感性元件感性电流闭环控制器包

  括一个电流采样电路、一个前馈补偿电路和三个PI调节器，用于根据输入端感性元件感性

  电流误差信号I和前馈补偿信号U生成每一相上下桥臂参考三角波的幅值V；PWM信号生成

  器包括一个SVPWM算法模块，用于根据每一相上下桥臂参考三角波的幅值V和偏移量ΔV生

  成十二个PWM控制信号S、S、S、S、S、S、S、S、S、S、S和S；驱动电路用于根据

  [0036]如图3所示，本发明所设计的三相交错并联三电平buck变换器的PWM信号图。具体

  [0037]首先，将三个参考波V、V和V分别与一个载波进行比较，得到六个比较结果C、

  C、C、C、C和C，其中C表示V与载波比较后的结果，C表示‑V与载波比较后的结果，

  以此类推。然后，根据六个比较结果C、C、C、C、C和C确定当前所处的扇区，并根据扇

  区选择合适的开关矢量。最后，根据开关矢量确定十二个开关管的导通状态，并生成相应的

  [0038]如图4所示，本发明所设计的三相交错并联三电平buck变换器在参考电压为900V

  电流双闭环操控方法可以实现以下快速降压，并保持保证输出端直流母线电压稳定的目

  [0039]以上就是本发明所设计的三相交错并联三电级buck变换器的电压电流双闭环控

  制方法的具体实施方式，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员在不脱离本发明创

  意和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修改，这些变化和修改都应属于本发明

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