CN110784008B - 一种六开关变换器的调制深度优化控制系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种六开关变换器的调制深度优化控制系统及其方法，其技术特点是：该系统包括两个电流检测模块、两个电压检测模块、两个参考波形生成模块、参考电流生成模块和运行状态检测模块，两个电流检测模块、两个参考波形生成模块输出均连接至运行状态检测模块，运行状态检测模块的输出信号经调制形成六开关变换器运行的驱动脉冲信号；该方法通过检测六开关变换器当前运行状态，当六开关变换器处于调制深度可优化区间时，调整上下两路基准调制信号。本发明通过判断上、下两路电流方向，调整对应相上、下两路基准调制信号位置，实现同一载波区间内同相上、下两路调制信号间的交叉，提高了六开关变换器运行效率，降低了六开关变换器成本。

Description

一种六开关变换器的调制深度优化控制系统及其方法
技术领域
本发明属于电力电子设备技术领域，尤其是一种六开关变换器的调制深度优化控制系统及其方法。
背景技术
随着科技和经济水平的不断提高，无论在生活中还是生产工作中，人们对电力的依赖程度越来越高，对电网供电可靠性也提出了更高的标准要求。尤其对于医院、高精尖制造业、数据中心等这类对电能质量极端敏感用户，即使微小的电能质量畸变(电压暂降、谐波干扰等)也可能造成重大经济损失，甚至危及人身安全。为了避免这类现象的发生，不间断电源(UPS)、静止无功补偿器等电能质量补偿装置应时而生。其中，在线不间断电源(On-lineUPS)能够实现市电、蓄电池供电的无缝切换，真正实现了对负载的无干扰、稳压、稳频供电。典型的On-lineUPS结构主要包括AC/DC和DC/AC变换电路，也称为背靠背结构。正常工作状态下，市电分为两路，一路经AC/DC、DC/AC变换向负载供电，另一路经由AC/DC变换向蓄电池充电；市电中断时，蓄电池经由DC/AC变换向负载供电。以单相On-lineUPS为例，背靠背结构共包含8个开关，任意一个开关的损坏都会导致系统不能正常运行。此外，在相同开关频率下，开关数目越多，系统的损耗也就越大，从而带来更多的能量损失，对散热也提出了更高的要求。因此，小型化、多功能、高可靠性、低成本成为电力电子变换器装置的重要发展方向。
目前，国内外学者已经开展了一定的电力电子设备拓扑简化研究，典型代表包括矩阵变换器、五桥臂变换器等。六开关变换器最早由日本学者TsutomuKominami提出，每一相桥臂均由三个功率开关串联组成，包含两组输入/输出，相比于背靠背式八开关变换器省略了两个功率开关器件。根据双输入/输出的运行频率可以定义六开关变换器的运行模式，即共频运行模式和异频运行模式。共频运行模式下，两组输入/输出侧的频率相同；异频模式下，两组输入/输出侧的频率存在差异。由于受六开关变换器的结构限制，上、下两组调制曲线在同一载波范围内不得交叉，即上组调制曲线始终高于下组调制曲线。当上、下两组调制曲线间存在相位差时，直流链的电压利用率会有所下降，对开关器件的耐压水平提出更高要求，系统成本增加，运行效率下降。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、运行效率高且成本低廉的六开关变换器的调制深度优化控制系统及其方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种六开关变换器的调制深度优化控制系统，包括第一电流检测模块、第二电流检测模块、第一电压检测模块、第二电压检测模块、第一参考波形生成模块、第二参考波形生成模块、参考电流生成模块和运行状态检测模块；
所述第一电流检测模块用于采集上路输入/输出电流信号，并判断其方向；所述第一电压检测模块用于检测上路输出相电压，第一电压检测模块、第一电流检测模块的输出传送至第一参考波形生成模块；
所述第二电流检测模块用于采集下路输入/输出电流信号，并判断其方向；所述第二电压检测模块用于检测直流链电压，第二电压检测模块的输出连接至参考电流生成模块，所述参考电流生成模块、第二电流检测模块的输出传送至第二参考波形生成模块；
所述第一参考波形生成模块、第二参考波形生成模块的输出信号均传送至运行状态检测模块，运行状态检测模块的输出信号经调制生成六开关变换器的驱动信号。
进一步，所述六开关变换器包含两组桥臂及与其连接的滤波器，每组桥臂均由3个开关器件串联组成。
一种六开关变换器的调制深度优化控制方法，包括以下步骤：
步骤1、检测六开关变换器上、下两路输入/输出电流信号、电压信号，得到两相桥臂上、下两路基准调制信号；
步骤2、检测六开关变换器当前运行状态，当六开关变换器处于调制深度可优化区间时，调整上、下两路基准调制信号；否则，维持六开关变换器当前运行状态不变。
进一步，所述步骤2的具体实现方法包括以下步骤：
步骤2.1、判断六开关变换器上、下两路输入/输出电流方向，以输出方向为正，输入方向为负；
步骤2.2、当上路电流方向为正，下路电流方向为负时，处于调制深度可优化区间，此时允许对应相下路基准调制信号高于上路基准调制信号；否则，维持原基准调制信号不变。
本发明的优点和积极效果是：
本发明设计合理，其通过判断上、下两路电流方向，调整对应相上、下两路基准调制信号位置，实现同一载波区间内同相上、下两路调制信号间的交叉，打破传统六开关变换器对直流链电压利用率的限制，提高了六开关变换器运行效率，降低了六开关变换器成本。
附图说明
图1为六开关型On-lineUPS结构；
图2为六开关变换器驱动信号传统生成方式；
图3为六开关型On-lineUPS控制系统示意图；
图4为本发明提出的六开关变换器调制深度优化控制方式下生成的调制波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
下面对现有六开关型On-lineUPS结构及控制方式进行说明：
如图1所示，现有六开关型On-lineUPS包括A、B两相，每相桥臂均由上、中、下三个开关器件串联组成。上、下两路输入/输出均经过滤波器与市电、负载进行连接。正常工作状态下，市电分为两路，一路经AC/DC，DC/AC向负载供电，另一路经AC/DC向蓄电池供电；当市电故障时，蓄电池经DC/AC向负载供电。
受六开关变换器结构限制，在传统控制模式下，在同一载波区间范围内上路调制波信号必须高于下路调制波信号。图2为共频模式下六开关变换器的开关驱动信号获取过程，可以看出，随着上、下两路调制信号间相角差的逐步增大，六开关变换器整体调制深度不断降低，直流链电压利用率不断降低，对开关器件运行寿命、变换器运行效率造成不良影响。在六开关On-lineUPS应用中，为了弥补滤波器带来的相位影响，上、下两路调制信号间一般存在相角差。
基于上述说明，本发明首先提出一种六开关变换器的调制深度优化控制系统，如图3所示，该控制系统下的六开关变换器包含两组桥臂及与其连接的滤波器，每组桥臂均由3个开关器件串联组成，基于上述六开关变换器的调制深度优化控制系统包括两个电流检测模块(第一电流检测模块，第二电流检测模块)、两个电压检测模块(第一电压检测模块，第二电压检测模块)、两个参考波形生成模块(第一参考波形生成模块，第二参考波形生成模块)、参考电流生成模块和运行状态检测模块。
所述第一电流检测模块与六开关变换器上路输出相连接用于采集上路输入/输出电流信号，并判断其方向；所述第一电压检测模块与六开关变换器上路输出相连接用于检测上路输出相电压。第一电压检测模块、第一电流检测模块的输出传送至第一参考波形生成模块。
所述第二电流检测模块与六开关变换器下路输出相连接用于采集下路输入/输出电流信号，并判断其方向；所述第二电压检测模块与直流链连接用于检测直流链电压。第二电压检测模块的输出连接至参考电流生成模块。参考电流生成模块、第二电流检测模块的输出传送至第二参考波形生成模块。
所述第一参考波形生成模块、第二参考波形生成模块的输出信号均传送至运行状态检测模块，运行状态检测模块的输出信号经调制生成六开关变换器的驱动信号。
基于上述六开关变换器的调制深度优化控制系统，本发明提出一种六开关变换器的调制深度优化控制方法，包括以下步骤：
步骤1、检测所述六开关变换器上、下两路输入/输出电流信号、电压信号，得到两相桥臂上、下两路基准调制信号。
步骤2、检测六开关变换器当前运行状态，当六开关变换器处于调制深度可优化区间时，调整上、下两路基准调制信号；否则，维持六开关变换器当前运行状态不变。
在本步骤中，检测六开关变换器当前运行状态的过程，包括以下步骤：
步骤2.1、判断六开关变换器上、下两路输入/输出电流方向，以输出方向为正，输入方向为负；
步骤2.2、当上路电流方向为正，下路电流方向为负时，处于调制深度可优化区间，此时允许对应相下路基准调制信号高于上路基准调制信号；否则，维持原基准调制信号不变。
本发明工作原理为：
在六开关On-lineUPS结构中，上路开关的基准参考信号由第一参考波形生成模块产生，采用输出电压追踪控制；下路开关的基准参考信号由第二参考波形生成模块产生，采用输出电流追踪控制。传统控制方式下，在同一载波范围内，上路调制信号始终高于下路。经分析发现，当上路电流方向为正，下路电流方向为负时，中路开关工作状态对六开关变换器输出特性并无影响，因此允许对应相上、下两路调制曲线间出现交叉，为提高直流链电压利用率提供了可能。在本发明所述的六开关变换器调制深度优化控制方式作用下，调制信号波形如图4所示，其中iAup，iAdn分别为A相上、下两路输入/输出电流，以输出方向为正；UAup，UAdn，UBup，UBdn分别为A、B相上、下两路调制信号；θ为同相上、下两路调制信号相角差，为A相上路负载侧功率因数角，M为调制深度。
由图4可知，当iAup电流首次过零点，即的数值发生变化时，六开关变换器的整体调制深度优化程度也会有所不同。经分析，将/>的变化范围分为三部分：
1)当时，整体调制深度
2)当时，整体调制深度
3)当时，整体调制深度与传统控制方式一致
其中，虚线段内范围为调制深度优化区间。经比对(3)、(4)和(5)，证实了本发明提出的六开关变换器调制深度优化控制方法的有效性和可行性。
本发明未述及之处适用于现有技术。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种六开关变换器的调制深度优化控制系统的控制方法，其特征在于：该系统包括第一电流检测模块、第二电流检测模块、第一电压检测模块、第二电压检测模块、第一参考波形生成模块、第二参考波形生成模块、参考电流生成模块和运行状态检测模块；所述第一电流检测模块用于采集上路输入/输出电流信号，并判断其方向；所述第一电压检测模块用于检测上路输出相电压，第一电压检测模块、第一电流检测模块的输出传送至第一参考波形生成模块；所述第二电流检测模块用于采集下路输入/输出电流信号，并判断其方向；所述第二电压检测模块用于检测直流链电压，第二电压检测模块的输出连接至参考电流生成模块，所述参考电流生成模块、第二电流检测模块的输出传送至第二参考波形生成模块；所述第一参考波形生成模块、第二参考波形生成模块的输出信号均传送至运行状态检测模块，运行状态检测模块的输出信号经调制生成六开关变换器的驱动信号；
该控制方法包括以下步骤：
步骤1、检测六开关变换器上、下两路输入/输出电流信号、电压信号，得到两相桥臂上、下两路基准调制信号；
步骤2、检测六开关变换器当前运行状态，当六开关变换器处于调制深度可优化区间时，调整上、下两路基准调制信号；否则，维持六开关变换器当前运行状态不变；本步骤的具体实现方法包括：
步骤2.1、判断六开关变换器上、下两路输入/输出电流方向，以输出方向为正，输入方向为负；
步骤2.2、当上路电流方向为正，下路电流方向为负时，处于调制深度可优化区间，此时允许对应相下路基准调制信号高于上路基准调制信号；否则，维持原基准调制信号不变。
2.根据权利要求1所述一种六开关变换器的调制深度优化控制系统的控制方法，其特征在于：所述六开关变换器包含两组桥臂及与其连接的滤波器，每组桥臂均由3个开关器件串联组成。
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