CN103296956B - 基于双级式矩阵变换器的起动/发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双级式矩阵变换器的起动/发电系统及其控制方法，该系统将起动/发电机置于变换器的单向开关侧，起动电源和负载置于双向开关侧，硬件上只需要在起动电源和负载间设置一个切换开关即可实现起动状态到发电状态的转换，在状态转换时，控制算法无需过多改变，整个起动发电系统具有结构紧凑、高效、可靠的优点，容易实现起动/发电一体化运行，适合于航空起动/发电系统。

Description

基于双级式矩阵变换器的起动/发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种新型的基于双级矩阵变换器的起动/发电系统及其控制方法，属于矩阵变换器和起动/发电系统领域。

背景技术

长期以来，飞机、车辆等许多场合发动机的起动需借助专用电起动机（如有刷直流电动机）或非电起动机（如空气涡轮起动机与燃气涡轮起动机）。起动/发电机技术使与发动机联接的发电机一机两用，在发动机起动时，作为起动机工作，带动发动机转子旋转到一定转速后喷油点火，使发动机进入自行工作状态。此后，发动机反过来传动电机，使其成为发电机向用电设备供电。起动/发电一体化技术使发电机与起动机实现了统一，革除了传统的起动机，减轻了重量，提高了可靠性。因此，起动/发电机技术引起了研究人员的广泛关注。

四象限交-交功率变换器是交流起动/发电系统的关键部件，传统的双PWM变换器需要较大体积的直流母线储能电容和较大重量的滤波电感，且无法集成于起动/发电机内部，不利于系统性能的提高。最近几年，矩阵变换器成为一大研究热点，它无需大体积滤波电容和大重量滤波电感、结构紧凑易于集成，具有“绿色变换器”的称号。其中，双级式矩阵变换器的换流控制和箝位电路均较简单，易于实现，是目前极具发展前景的交-交变换器之一。将双级式矩阵变换器应用于起动/发电系统，能够较大程度利用双级式矩阵变换器结构上的优势，使整个系统的结构变得更为简单可靠。

目前，基于双级式矩阵变换器的起动/发电系统结构主要有2种。第一种结构针对无刷直流电机，它将电机置于双级式矩阵变换器的双向开关侧，起动电源和负载置于单向开关侧，如图1(a)所示，这种系统首次将双级式矩阵变换器和无刷直流电机结合应用于起动/发电系统，特别适合于高速的应用场合，然而受限于双级式矩阵变换器的固有特性，这种结构在起动状态下会发生过流故障，导致起动失败；第二种结构针对电励磁或混合励磁同步电机，同样将电机置于双向开关侧，如图1(b)所示，这种结构在变换器两侧各设置一组带切换开关的滤波电容，通过切换开关改变系统硬件结构以实现起动功能，对系统的起动时间没有要求，然而切换开关的引入使得变换器承受过压风险，又引入了本不需要的过压吸收电路，整个系统需要较多的电容和电感元件，硬件组成复杂，不具有双级式矩阵变换器结构紧凑的优势，同时起动状态切换为发电状态时，变换器需改变调制算法，增加了算法的实现难度。

发明内容

本发明基于双级式矩阵变换器，针对现有系统的存在的问题，提出一种新型的起动/发电系统，该系统使整个系统结构更加紧凑、高效、可靠、实用。

本发明的另一目的是根据设计的系统，提出一种实现起动/发电一体化运行的控制方法，该控制方法设计合理巧妙，系统实现容易。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于双级式矩阵变换器的起动/发电系统，该系统包括起动电源1、负载2、切换开关3、LC滤波器4、双级式矩阵变换器5、起动/发电机6、原动机7、电机位置传感器8、电压采样电路9、电流采样电路10、控制器11和驱动电路12；双级式矩阵变换器5由双向开关级51、箝位电路52和单向开关级53组成，特征在于：起动/发电机6位于双级式矩阵变换器5的单向开关侧，与单向开关级53直接相连；起动电源1和负载2位于双向开关侧，并通过LC滤波器4与双向开关级51相连，起动电源1和负载2经切换开关3与LC滤波器4连接。滤波电容42支路没有切换开关。

所述LC滤波器4由滤波电感L_f41和滤波电容C_f42组成，

双向开关级51包含6个双向开关511，每个双向开关511由2个IGBT共射级构成；箝位电路包含1个快恢复二极管521和小容量电容522，单向开关级53为由IGBT组成的三相全桥结构。

上述系统的起动发电一体化运行的控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

第1步：控制器11发出控制信号，将硬件电路上的切换开关3切换到起动电源1侧，即将起动电源1接入主电路，系统进入起动状态；

第2步：控制器11检测滤波电感41左侧的三相电压u_La、u_Lb、u_Lc，此时即为起动电源1的电压，通过式（1）所示abc/αβ坐标变换计算出u_Lα和u_Lβ：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{L\α}}\\ u_{\mathrm{L\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{La}}\\ u_{\mathrm{Lb}}\\ u_{\mathrm{Lc}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

通过式（2）计算双向开关侧目标电流矢量相角θ_c：

${\mathrm{\θ}}_c=\arctan \frac{u_{\mathrm{L\β}}}{u_{\mathrm{L\α}}}---\left(2\right)$

在软件中令电流调制比m_c=1，获得m_c和θ_c后即可采用电流空间矢量算法产生双向开关级的驱动信号进行调制；

第3步：控制器11检测起动/发电机6的三相电枢电流i_sA、i_sB、i_sC，此时即为起动状态下电机电流，通过式（3）所示abc/dq坐标变换计算出电流dq分量i_d和i_q：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sA}}\\ i_{\mathrm{sB}}\\ i_{\mathrm{sC}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中θ为电机位置传感器获得的电机位置角度；

第4步：对电机dq轴电流进行闭环控制，在软件中令其d轴电流期望值i_d ^*=0，q轴电流期望值i_q ^*=I_q，其中I_q为起动时间要求的转矩电流常数值，通过式（4）计算出单向开关侧电压dq分量u_Id和u_Iq：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Id}}=(k_{\mathrm{ip}}+\frac{k_{\mathrm{ii}}}{s})(0-i_d)\\ u_{\mathrm{Iq}}=(k_{\mathrm{ip}}+\frac{k_{\mathrm{ii}}}{s})(I_q-i_q)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，k_ip和k_ii为电机电流环PI参数，s为复频域算子，随后通过式（5）所示dq/abc坐标变换计算出三相电压u_IA、u_IB和u_IC：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{IA}}\\ u_{\mathrm{IB}}\\ u_{\mathrm{IC}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Id}}\\ u_{\mathrm{Iq}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中，θ为电机位置传感器获得的转子角度，随后通过式（6）计算线电压u_ILA、u_ILB和u_ILC：

u_ILA＝u_IA-u_IB,u_ILB＝u_IB-u_IC,u_ILC＝u_IC-u_IA     （6）

通过式（7）所示abc/αβ坐标变换计算出αβ分量u_ILα和u_ILβ：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{IL\α}}\\ u_{\mathrm{IL\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ILA}}\\ u_{\mathrm{ILB}}\\ u_{\mathrm{ILC}}\end{array}\right]---\left(7\right)$

然后通过式（8）计算出单向开关级电压调制比m_v及矢量相角θ_v：

$m_v=\frac{\sqrt{u_{\mathrm{IL\α}}^2+u_{\mathrm{IL\β}}^2}}{u_{\mathrm{dc}}},{\mathrm{\θ}}_v=\arctan \frac{u_{\mathrm{IL\β}}}{u_{\mathrm{IL\α}}}---\left(8\right)$

其中，u_dc为直流母线电压，可采用估计值，获得m_v和θ_v后即可采用电压空间矢量算法产生单向开关级的驱动信号进行调制；

第5步：控制器11对步骤3中的电机位置角度θ取微分后计算出电机转速n，其计算公式如式（9）所示：

$n=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}---\left(9\right)$

随后判断n是否大于起动/发电切换转速n_switch，（n_switch由起动/发电机的点火转速决定），若判断结果为否则回到第2步，若结果为是则进行第6步；

第6步：控制器11发出控制信号，将硬件电路上的切换开关3切换到负载2侧，即将起动电源1切出主电路，将负载2切入主电路，此时系统进入发电状态的控制，运行第7步到第11步的发电控制过程；

第7步：在软件中令双向开关级电流调制信号m_v=1，相角信号θ_c=2πf_Lt，其中f_L为期望的负载电压频率，t为时间变量，根据m_c和θ_c采用电流空间矢量算法产生双向开关级的驱动信号并调制，其中电流空间矢量算法与第2步中的电流空间矢量算法相同；

第8步：再次检测滤波电感41左侧三相电压u_La、u_Lb、u_Lc，此时表示负载2电压，采用第2步中的式（1）计算u_Lα和u_Lβ，随后根据式（10）计算电压幅值u_Lm：

$u_{\mathrm{Lm}}=\sqrt{u_{\mathrm{L\α}}^2+u_{\mathrm{L\β}}^2}---\left(10\right)$

通过坐标变换计算出三相电压幅值u_Lm；

第9步：对负载电压幅值进行闭环控制，期望的负载电压幅值为u_Lm ^*，在航空起动/发电系统中u_Lm ^*约为162V，通过式（11）产生电机电流q轴分量期望值i_q ^*：

$i_q^{*}=(k_{\mathrm{vp}}+\frac{k_{\mathrm{vi}}}{s})(u_{\mathrm{Lm}}^{*}-u_{\mathrm{Lm}})---\left(11\right)$

其中，k_vp和k_vi为电压环PI调节器的参数，s为复频域算子；

第10步：控制器11再次检测起动/发电机6的三相电枢电流i_sA、i_sB、i_sC，此时为发电状态下电机电流，采用步骤3中式（3）计算出电流dq分量i_d和i_q，其中坐标变换所需的相角为位置传感器获得的电机位置角度θ；

第11步：对电机dq轴电流进行闭环控制，在软件中令其d轴电流期望值i_d ^*=0，q轴电流期望值i_q ^*即为第9步产生的i_sq ^*，通过式（12）计算单向开关侧电压dq分量u_Id和u_Iq：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Id}}=(k_{\mathrm{ip}}+\frac{k_{\mathrm{ii}}}{s})(0-i_d)\\ u_{\mathrm{Iq}}=(k_{\mathrm{ip}}+\frac{k_{\mathrm{ii}}}{s})(i_q^{*}-i_q)\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中，各k_ip、k_ii与式（4）中的值相同，随后通过步骤4中式（5）到式（8）计算出单向开关级电压调制比m_v及矢量相角θ_v，获得m_v和θ_v后即可采用电压空间矢量算法产生单向开关级的驱动信号并进行调制，其中电压空间矢量算法与第4步中的电压空间矢量算法相同。

本发明相比现有技术具有如下效果：

1)本发明的起动/发电系统，可以避免系统出现过流故障，起动和发电都可顺利实现；

2)本发明的起动/发电系统，硬件上只需要较少的滤波电感和滤波电容，且无需滤波电容支路的切换开关和过压吸收电路，硬件组成简单紧凑，很大程度的利用了双级式矩阵变换器结构上的优势；

3)本发明的起动/发电系统，起动状态切换为发电状态时，硬件上只需将起动电源切换为负载，无需切换滤波器，且无需改变变换器的调制算法，起动/发电一体化运行容易实现，适合于航空起动/发电系统。

附图说明

图1现有基于双级式矩阵变换器的起动/发电系统结构：(a)起动/发电机为无刷直流电机；(b)起动/发电机为电励磁或混合励磁同步电机。

图2本发明提出的基于双级式矩阵变换器的起动/发电系统硬件结构图。

图3双级式矩阵变换器功率双向流动的原理图。

图4起动时系统控制方法原理图。

图5发电时系统控制方法原理图。

图6起动/发电系统的一体化控制方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

本发明提出的基于双级式矩阵变换器的起动/发电系统硬件结构如图2所示，包括如下部分：起动电源1、负载2、切换开关3、LC滤波器4、双级式矩阵变换器5、起动/发电机6、原动机7、电机位置传感器8、电源/负载电压采样电路9、电机电流采样电路10、系统控制器11、驱动电路12。其中，LC滤波器4由滤波电感L_f41和滤波电容C_f42组成。双级式矩阵变换器5由双向开关级51、箝位电路52和单向开关级53组成，双向开关级51包含6个双向开关511，每个双向开关511由2个IGBT共射级构成，箝位电路包含1个快恢复二极管521和小容量电容522，单向开关级53与三相逆变器的结构相同。起动/发电机6位于双级式矩阵变换器5的单向开关侧，与单向开关级53直接相连，起动电源1和负载2位于双向开关侧，通过LC滤波器4与双向开关级51相连。硬件上，起动状态到发电状态的改变只需通过开关3的切换就可实现。

本发明的系统中，起动电源1和负载2经切换开关3与LC滤波器4连接，LC滤波器4、双级式矩阵变换器5、起动/发电机6、原动机7顺次连接。电压采样电路9的输入接于切换开关3和LC滤波器4之间，电压采样电路9的输出接控制器11的信号采集端。电流采样电路10的输入接于单向开关级51和起动/发电机6之间，电流采样电路10的输出接控制器11的信号采集端。位置传感器8的采样端与起动/发动机6相连，输出端接控制器11。在本发明中，所述“电机”或“发电机”均指起动/发电机6。

起动/发电运行本质上是功率双向流动的过程。现以直流母线电流流过双向开关级的a相上桥臂和单向开关级的B相上桥臂来说明其基本原理，如图3所示。单向开关级每个桥臂均由单个IGBT构成，直流母线电压u_pn若为负将导致桥臂发生直通，出现过流故障。因此，系统正常运行要求u_pn≥0。由直流母线电流i_pn的流向即可判断功率的流向。定义i_pn≥0表示电流由双向开关级流向单向开关级，电流流通路径如图中点画线所示，此时功率流动方向为双向开关级流向单向开关级；当i_pn＜0时，电流流通路径如图中短画线所示，此时功率流动方向为单向开关级流向双向开关级。由此可知，只要双级式矩阵变换器采用图3所示的18个IGBT构成的拓扑结构，它就具有功率双向流动的能力，这是其固有特性，与调制算法无关。基于双向功率流动原理构成的双级式矩阵变换器-起动/发电系统，无需修改变换器的调制算法，只需要根据控制目标设定整个系统的控制方法即可实现正常运行，下面对系统控制方法进行详细说明。

图2所示起动/发电系统结构处于起动状态时，切换开关3切至起动电源，此时起动/发电机6处于电动状态，起动电源1通过双级式矩阵变换器5向电机供电。电机采用矢量控制方法，系统的控制框图如图4所示，分为2个部分：以下结合附图对本发明的控制方法具体进行描述：

（1）双向开关级的调制：双向开关级采用常用的电流空间矢量调制算法，采集滤波电感L_f左侧三相电压u_La、u_Lb和u_Lc，此时即为电源电压，通过abc/αβ坐标变换计算出u_Lα和u_Lβ：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{L\α}}\\ u_{\mathrm{L\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{La}}\\ u_{\mathrm{Lb}}\\ u_{\mathrm{Lc}}\end{array}\right]---\left(13\right)$

通过如下公式计算双向开关侧目标电流矢量相角θ_c：

${\mathrm{\θ}}_c=\arctan \frac{u_{\mathrm{L\β}}}{u_{\mathrm{L\α}}}---\left(14\right)$

其意义为，若令电源电流与电源电压同相，即可期望电源单位功率因数运行。为简化系统调制算法，电流空间矢量调制算法中电流调制比m_c给定为1，其意义为双向开关侧期望电流矢量幅值与直流母线电流幅值相等，此时只需通过单向开关级的调制即可实现电机电压及电源电流的控制。

（2）电机电流闭环控制与单向开关级的调制：起动时，电机转速从零上升到一定值，然后即可切换为发电运行，因此可无需转速闭环控制，直接给定电机的q轴分量即转矩分量i_q ^*为常值I_q，产生恒定的电磁转矩使得转速上升，I_q由系统要求的起动时间决定，起动时间越短I_q越大。采用PI调节器对电机电流进行闭环控制产生单向开关侧相电压dq分量u_Id、u_Iq：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Id}}=(k_{\mathrm{ip}}+\frac{k_{\mathrm{ii}}}{s})(0-i_d)\\ u_{\mathrm{Iq}}=(k_{\mathrm{ip}}+\frac{k_{\mathrm{ii}}}{s})(I_q-i_q)\end{array}\right.---\left(15\right)$

其中，k_ip和k_ii为电机电流环PI参数，s为复频域算子。通过dq/abc坐标变换产生三相电压u_IA、u_IB和u_IC：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{IA}}\\ u_{\mathrm{IB}}\\ u_{\mathrm{IC}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Id}}\\ u_{\mathrm{Iq}}\end{array}\right]---\left(16\right)$

其中，θ为电机位置传感器获得的转子角度。随后计算线电压u_ILA、u_ILB和u_ILC：

u_ILA＝u_IA-u_IB,u_ILB＝u_IB-u_IC,u_ILC＝u_IC-u_IA     （17）

通过abc/αβ坐标变换计算出αβ分量u_ILα和u_ILβ：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{IL\α}}\\ u_{\mathrm{IL\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ILA}}\\ u_{\mathrm{ILB}}\\ u_{\mathrm{ILC}}\end{array}\right]---\left(18\right)$

单向开关级采用常用的电压空间矢量调制算法，其所需的电压调制比m_v及相角θ_v为：

$m_v=\frac{\sqrt{u_{\mathrm{IL\α}}^2+u_{\mathrm{IL\β}}^2}}{u_{\mathrm{dc}}},{\mathrm{\θ}}_v=\arctan \frac{u_{\mathrm{IL\β}}}{u_{\mathrm{IL\α}}}---\left(19\right)$

其中，u_dc为直流母线电压，可采用估计值。电压调制比m_v为单向开关级目标电压矢量的长度与直流母线电压大小的比值，θ_v为目标电压矢量在αβ坐标系下的相角。对它们的调节可获得所需的单向开关侧电压。

当电机带动原动机旋转到一定转速后，电机即可转为发电运行状态，此时硬件上只需将切换开关3切至负载，软件上将负载电压闭环切入控制系统，图5即为发电时系统控制框图。图5可分为3个部分：

（1）双向开关级的调制：双向开关级依然采用常用的电流空间矢量算法，电流调制比m_c依然给定为1。与起动时θ_c决定电源功率因数不同，发电时θ_c决定了负载电压频率，因此按照下式给定θ_c：

θ_c＝2πf_Lt     （20）

其中，f_L为负载电压频率给定值，t为时间。

（2）负载电压幅值闭环：电压采集电路采集滤波电感L_f左侧三相电压u_La、u_Lb和u_Lc，此时即为负载电压，按照式（13）计算u_Lα和u_Lβ，随后计算电压幅值u_Lm：

$u_{\mathrm{Lm}}=\sqrt{u_{\mathrm{L\α}}^2+u_{\mathrm{L\β}}^2}---\left(21\right)$

将其与给定值u_Lm ^*作差，经PI调节后即可产生电机电流的q轴分量给定值i_q ^*：

$i_q^{*}=(k_{\mathrm{vp}}+\frac{k_{\mathrm{vi}}}{s})(u_{\mathrm{Lm}}^{*}-u_{\mathrm{Lm}})---\left(22\right)$

其中，k_vp和k_vi为电压环PI调节器的参数。这种控制思路的物理意义在于：电机电流的q轴分量i_q为电磁转矩电流分量，也是电机的有功电流分量，发电机通过双级式矩阵变换器向负载提供有功电流i_Ld，对于阻抗为X_L、功率因数角为的三相负载，负载电压幅值与负载有功电流i_Ld的关系为：

由此可知u_Lm与i_Ld呈正比，而变换器的调制算法决定i_Ld与i_q成正比关系，则u_Lm与i_q也呈正比关系，因此将负载电压闭环作为电机q轴电流环的外环，可根据负载电压的大小自动调节电机发出的有功功率，最终使实际电压幅值与给定值相同。

（3）电机电流闭环：与起动时系统控制框图的电机电流闭环控制相似，发电时电机电流闭环产生单向开关级电压空间矢量算法所需的调制信号m_v和θ_v，只不过此时q轴电流给定值i_q ^*由第（2）部分的负载电压闭环控制产生。

根据上述说明，对图4和图5进行比较可知：

（1）起动状态到发电状态的切换，硬件上只需将起动电源切换为负载，其它硬件电路无需任何改变；

（2）起动状态和发电状态下，双向开关级的调制算法均为常用的电流空间矢量调制算法，单向开关级的调制算法均为常用的电压空间矢量调制算法，即起动状态切换为发电状态时，无需改变变换器本身的调制算法；

（3）起动时，为实现电源单位功率因数运行，双向开关级的相角调制信号θ_c为电源电压相角θ_L，而发电时θ_c由负载电压频率给定值f_L决定，即θ_c在两种状态下的给定值存在一定差别，但这种差别不影响控制算法的实现；

（4）两种状态下，电机电流闭环控制方法相同，起动状态到发电状态的切换时，只需引入负载电压闭环控制，并将其输出作为电机电流q轴分量给定值i_q ^*。

利用软件切换开关将图4和图5合并即可得整个起动/发电系统的控制方法，如图6所示。图中，软件上的切换开关111和112的开关动作与硬件开关3的切换动作保持一致。起动时，开关3切向起动电源，开关111切向电压源相角θ_L，开关112切向I_q，此时系统的控制结构如图4所示；发电时，开关111切向相角2πf_Lt，开关122切向负载电压幅值闭环的输出，系统的控制结构如图5所示。

根据图2所示的系统硬件结构和图6所示的软件控制结构，与其它交流起动/发电系统相比，本发明提出的起动/发电系统具有结构简单紧凑、可靠性高的优势，能够十分方便的实现起动/发电一体化运行。

Claims (3)

1.一种基于双级式矩阵变换器的起动/发电系统，该系统包括起动电源1、负载2、切换开关3、LC滤波器4、双级式矩阵变换器5、起动/发电机6、原动机7、电机位置传感器8、电压采样电路9、电流采样电路10、控制器11和驱动电路12；双级式矩阵变换器5由双向开关级51、箝位电路52和单向开关级53组成，特征在于：起动/发电机6位于双级式矩阵变换器5的单向开关侧，与单向开关级53直接相连；起动电源1和负载2位于双向开关侧，并通过LC滤波器4与双向开关级51相连，起动电源1和负载2经切换开关3与LC滤波器4连接。

2.根据权利要求1所述的基于双级式矩阵变换器的起动/发电系统，其特征在于：所述LC滤波器4由滤波电感L_f41和滤波电容C_f42组成，双向开关级51包含6个双向开关511，每个双向开关511由2个IGBT共射级构成；箝位电路包含1个快恢复二极管521和小容量电容522，单向开关级53为由IGBT组成的三相全桥结构。

3.权利要求1所述系统的起动发电一体化运行的控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

第1步：控制器11发出控制信号，将硬件电路上的切换开关3切换到起动电源1侧，即将起动电源1接入主电路，系统进入起动状态；

第2步：控制器11检测滤波电感41左侧的三相电压u_La、u_Lb、u_Lc，此时即为起动电源1的电压，通过式所示abc/αβ坐标变换计算出u_Lα和u_Lβ：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{L\α}}\\ u_{\mathrm{L\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{La}}\\ u_{\mathrm{Lb}}\\ u_{\mathrm{Lc}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

通过式计算双向开关侧目标电流矢量相角θ_c：

${\mathrm{\θ}}_c=\arctan \frac{u_{\mathrm{L\β}}}{u_{\mathrm{L\α}}}---\left(2\right)$

在软件中令电流调制比m_c＝1，获得m_c和θ_c后即可采用电流空间矢量算法产生双向开关级的驱动信号进行调制；

第3步：控制器11检测起动/发电机6的三相电枢电流i_sA、i_sB、i_sC，此时即为起动状态下电机电流，通过式所示abc/dq坐标变换计算出电流dq分量i_d和i_q：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sA}}\\ i_{\mathrm{sB}}\\ i_{\mathrm{sC}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中θ为电机位置传感器获得的电机位置角度；

第4步：对电机dq轴电流进行闭环控制，在软件中令其d轴电流期望值i_d ^*＝0，q轴电流期望值i_q ^*＝I_q，其中I_q为起动时间要求的转矩电流常数值，通过式计算出单向开关侧电压dq分量u_Id和u_Iq：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Id}}=(k_{\mathrm{ip}}+\frac{k_{\mathrm{ii}}}{S})(0-i_d)\\ u_{\mathrm{Iq}}=(k_{\mathrm{ip}}+\frac{k_{\mathrm{ii}}}{S})(I_q-i_q)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，k_ip和k_ii为电机电流环PI参数，s为复频域算子，随后通过式所示dq/abc坐标变换计算出三相电压u_IA、u_IB和u_IC：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{IA}}\\ u_{\mathrm{IB}}\\ u_{\mathrm{IC}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Id}}\\ u_{\mathrm{Iq}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中，θ为电机位置传感器获得的转子角度，随后通过式计算线电压u_ILA、u_ILB和u_ILC：

u_ILA＝u_IA-u_IB,u_ILB＝u_IB-u_IC,u_ILC＝u_IC-u_IA     (6)

通过式所示abc/αβ坐标变换计算出αβ分量u_ILα和u_ILβ：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{IL\α}}\\ u_{\mathrm{IL\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ILa}}\\ u_{\mathrm{ILb}}\\ u_{\mathrm{ILc}}\end{array}\right]---\left(7\right)$

然后通过式计算出单向开关级电压调制比m_v及矢量相角θ_v：

$m_v=,\frac{\sqrt{u_{\mathrm{IL\α}}^2+u_{\mathrm{IL\β}}^2}}{u_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{\θ}}_v=\arctan \frac{u_{\mathrm{IL\β}}}{u_{\mathrm{IL\α}}}---\left(8\right)$

其中，u_dc为直流母线电压，可采用估计值，获得m_v和θ_v后即可采用电压空间矢量算法产生单向开关级的驱动信号进行调制；

第5步：控制器11对步骤3中的电机位置角度θ取微分后计算出电机转速n，其计算公式如式所示：

$n=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}---\left(9\right)$

随后判断n是否大于起动/发电切换转速n_switch，若判断结果为否则回到第2步，若结果为是则进行第6步；

第6步：控制器11发出控制信号，将硬件电路上的切换开关3切换到负载2侧，即将起动电源1切出主电路，将负载2切入主电路，此时系统进入发电状态的控制，运行第7步到第11步的发电控制过程；

第7步：在软件中令双向开关级电流调制比m_c＝1，相角信号θ_c＝2πf_Lt，其中f_L为期望的负载电压频率，t为时间变量，根据m_c和θ_c采用电流空间矢量算法产生双向开关级的驱动信号并调制；

第8步：再次检测滤波电感41左侧三相电压u_La、u_Lb、u_Lc，此时表示负载2电压，采用第2步中的式计算u_Lα和u_Lβ，随后根据式计算电压幅值u_Lm：

$u_{\mathrm{Lm}}=\sqrt{u_{\mathrm{L\α}}^2+u_{\mathrm{L\β}}^2}---\left(10\right)$

通过坐标变换计算出三相电压幅值u_Lm；

第9步：对负载电压幅值进行闭环控制，期望的负载电压幅值为u_Lm ^*，通过式产生电机电流q轴分量期望值i_q ^*：

$i_q^{*}=(k_{\mathrm{vp}}+\frac{k_{\mathrm{vi}}}{s})(u_{\mathrm{Lm}}^{*}-u_{\mathrm{Lm}})---\left(11\right)$

其中，k_vp和k_vi为电压环PI调节器的参数，s为复频域算子；

第10步：控制器11再次检测起动/发电机6的三相电枢电流i_sA、i_sB、i_sC，此时为发电状态下电机电流，采用步骤3中式计算出电流dq分量i_d和i_q，其中坐标变换所需的相角为位置传感器获得的电机位置角度θ；

第11步：对电机dq轴电流进行闭环控制，在软件中令其d轴电流期望值i_d ^*＝0，q轴电流期望值i_q ^*即为第9步产生的i_sq ^*，通过式计算单向开关侧电压dq分量u_Id和u_Iq：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Id}}=(k_{\mathrm{ip}}+\frac{k_{\mathrm{ii}}}{S})(0-i_d)\\ u_{\mathrm{Iq}}=(k_{\mathrm{ip}}+\frac{k_{\mathrm{ii}}}{S})(i_q^{*}-i_q)\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中，各k_ip、k_ii与式中的值相同，随后通过步骤4中式到式计算出单向开关级电压调制比m_v及矢量相角θ_v，获得m_v和θ_v后即可采用电压空间矢量算法产生单向开关级的驱动信号并进行调制。