CN101174798A - 一种用于矩阵变换器的控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于矩阵变换器控制技术，为一种用于矩阵变换器的控制方法，通过把输入相电压划分为主区间和过渡区间、在过渡区间定义新的P、M、N状态和PM、NP、MN暂态以及在每个调制周期内选择特定的零矢量并调整双向功率开关状态组合顺序，实现矩阵变换器安全、可靠、快速换流和稳定运行。本发明还提供了实现该方法的装置，该装置包括触发驱动电路、过流保护电路、同步信号检测电路、电压区间划分单元、开关状态控制单元和换流控制单元。本发明基于过渡区间电压型两步换流策略，不需要外加专门的精确检测输入相电压相对大小关系的测量装置，解决了输入相电压在换区间时因测量不准确而出现的短路问题，且输出电压波形和输入电流波形不受影响。

Description

一种用于矩阵变换器的控制方法及其装置

技术领域

本发明属于矩阵变换器控制技术，具体涉及一种用于矩阵变换器的控制方法及其装置。该矩阵变换器具有按3×3开关矩阵形式排列的九个双向功率开关，其双向功率开关分别由两个反向串联的半导体开关组成。

背景技术

矩阵变换器是一种没有中间回路的直接变换器。通过将双向功率开关排列成3×3开关矩阵的形式，矩阵变换器的三个输出相的每一相可分别与一个输入相连接，每一个输出相通过三个双向功率开关分别与三个输入相连接。通过控制各个双向功率开关，能将给定的交流输入直接转换成不同电压和不同频率的交流输出，并能得到正弦形的电网电流。

图1详细示出了三相矩阵变换器的拓扑结构图。三相矩阵变换器1由九个双向功率开关2按3×3开关矩阵形式构成，通过控制九个双向功率开关2可以使输出相A，B，C与任意一个期望的输入相a，b，c直接连接。矩阵变换器的每个输出相A或B或C通过三个双向功率开关2与三相输入a，b，c相连接，称为3×1结构3。

在矩阵变换器中，双向功率开关由两个反向串联的半导体开关构成。在中、小功率矩阵变换器中，选用具有一个反并联二极管的绝缘栅极双极晶体管(IGBT)作为此半导体开关。两个反向串联的半导体开关可采用“共发射极”或者“共集电极”的拓扑结构。通过分别控制两个半导体开关，可以将电流路径按某一方向接通，如果双向功率开关中的两个半导体开关同时受到控制，则可使电流向两个方向流动，实现输入相和输出相之间的直接电连接。

图2详细示出了拓扑结构为“共发射极”的双向功率开关2的电路图。每个半导体开关S1和S2可以分别单独控制。如果两个半导体开关S1和S2同时驱动，则双向功率开关2实现双向导通；若仅驱动两个半导体开关S1和S2中的一个，则双向功率开关2实现单向导通。图3示出了双向开关2的电流方向与两个半导体开关S1和S2状态的对应关系。定义负载电流从输入相流向输出相为电流的正方向，则提供正向电流通道的半导体开关S1称为顺管，提供负向电流通道的半导体开关S2称为逆管。

根据输入电流的空间矢量和期望的输出电压的空间矢量，按照矩阵变换器的调制策略，可以确定在每个调制周期中九个双向功率开关的开关状态组合、开关状态顺序以及对应的开关时间常数。按此开关状态顺序和开关时间常数控制双向功率开关，则在每个调制周期中可以获得与期望电压的平均值相同的输出电压。

当矩阵变换器的输出相从一个输入相切换到另一输入相时，为了保证在换流过程中输入相不短路以及输出相不开路，必须严格规定双向功率开关的换流步骤和顺序。因此，双向功率开关安全、可靠、快速的换流策略是矩阵变换器实用化的关键技术之一。许多文献提出了各种换流策略，归纳起来可分为基于输出电流方向的电流型换流策略和基于输入相电压相对大小关系的电压型换流策略。其中，电压型两步换流策略具有换流过程快、开关损耗小、不受运行工况影响、结构简单、成本较低等优点。

下面的讨论只限于电压型两步换流策略。

依据各相输入电压的相对大小关系，在每个电压周期内将输入电压分为I，II，III，IV，V，VI共6个区间，如图4(a)所示。在每个区间内三相输入电压的相对大小关系始终保持不变。定义每个区间三相电压中最高电压为U_P，最高电压相称为P相；三相电压中最低电压为U_N，最低电压相称为N相；三相电压中介于中间的电压为U_M，中间电压相称为M相。三相输入电压在6个区间中的相互关系列在图4(b)中。当输出相与最高电压相连接时称为P状态；当输出相与最低电压相连接时称为N状态；当输出相与中间电压相连接时称为M状态。

传统的电压型两步换流策略定义：在P、M、N状态时，每个3×1结构3中的三个双向功率开关2需要开通四只半导体开关。即，除了2只半导体开关作为电流通道双向开通外，高压相的逆管和低压相的顺管作为辅助换流而开通。传统的电压型两步换流策略还定义了换流过程中的三个暂态PM，MN，NP。P、M、N状态以及PM，MN，NP暂态时，每个3×1结构中三个双向功率开关状态组合及换流策略如图5所示。以P状态为例，P相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，同时M相和N相的顺管开通。从图5可以看到，正是由于M、N相的2只半导体开关作为辅助换流而开通，当从P状态换流到M状态时，第一步关断P相的顺管(进入暂态PM)，第二步开通M相的逆管，仅需两步便可从P状态安全换流到M状态。

从图5可以看到，传统的电压型两步换流策略能实现任意两个稳态间的双向功率开关的两步换流。换流过程只需要经过一个中间状态，极大地缩短了换流时间，减小了开关损耗。但是，当输入电压换区间(输入线电压在过零区域)时，如图4(a)中的区域14，由于输入两相电压值接近，其相对大小难以准确判断。一旦输入相电压的相对大小判断错误，将导致所测量的状态与实际的状态不符，则必然出现严重的输入相短路故障。

从图4(a)可以看到，当输入电压换区间时，会出现U_P与U_M很接近以及U_M与U_N很接近两种状况。当输入电压相对大小判断错误时，会出现U_P＜U_M或U_M＜U_N情况，从图5可以看到，显然，无论在换流时刻(PM态或MN态)还是在非换流时刻(P或M或N状态)，输入相U_P与输入相U_M或输入相U_M与输入相U_N之间通过半导体开关形成回路。当输入两相电压差超过两个IGBT和两个二极管的正向电压降时，将出现严重的输入相短路故障。因此，传统的电压型两步换流策略能否在实际中得到应用，取决于是否具有能够准确检测输入相电压相对大小关系的装置。由于输入电压存在干扰以及输入滤波器相位滞后等因素都会影响检测装置对输入电压相对大小的准确判断，因此，设计精确的检测装置以实现对输入相电压相对大小关系的准确判断是相当复杂和困难的。因而，目前文献所报道的5kW以上的矩阵变换器样机大多采用电流型换流策略。

Ziegler，M等人于2000年在论文“A New Two Steps CommutationPolicy For Low Cost Matrix Converters”，(一种新的用于低成本矩阵变换器的两步换流策略)(power conversion.June 2000 proceedings)中提出了一种改进的电压型两步换流方法，该方法禁止在电压值接近的两输入相电压之间换流，从而避免了电压两步换流策略在电压换区间时可能出现的短路的现象，而不需要精确的电压检测装置。该方法的缺点是，禁止在电压值接近的两输入相电压之间换流，虽然对输出电压波形影响不大，但是，本来应当承担负载电流的输入电压相没有能够输出电流，使得输入电流不再是正弦。

Jochen Mahlein等人在2002年公开发表的论文“Matrix ConverterCommutation Strategies With and Without Explicit Input Voltages SignMeasurement”(一种不依赖对输入电压精确测量的矩阵变换器换流策略)(IEEE transactions on industrial electronics，Vol.49，NO.2，april 2002)中提出了换序法的电压型换流策略。该方法通过对每个调制周期内的五个开关状态组合的次序进行调整，避开了在电压值接近的两输入相电压之间换流，从而避免了在换流时刻可能出现的短路现象。由于换序法只调整开关状态组合的次序，故输入电流和输出电压的平均值保持不变。但是，换序法只是解决了换流过程中(PM，MN，NP暂态)出现的短路问题，适用于电压型四步换流策略，而对于电压型两步换流策略在非换流过程(P、M、N稳态)出现的短路现象则无能为力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提出一种用于矩阵变换器的控制方法，该控制方法可以解决输入相电压在换区间时因判断不准确而出现的短路问题，且输出电压波形和输入电流波形不受影响；本发明还提供了实现该方法的装置。

为实现上述发明目的，本发明提供的用于矩阵变换器的控制方法，其步骤包括：

①按照下述方式将每个输入相电压周期划分为6个主区间和6个过渡区间，确定在每个调制周期中输入相电压的区间；

根据输入三相电压u_a，u_b，u_c的相对大小关系，将每个输入相电压周期划分为下述6个主区间和6个过渡区间，其中过渡区间的宽度用时间表示，取值范围为0.5ms～3.3ms：

主区间I：u_a＞u_c＞u_b，U_P＝u_a，U_M＝u_c，U_N＝u_b；

主区间II：u_a＞u_b＞u_c，U_P＝u_a，U_M＝u_b，U_N＝u_c；

主区间III：u_b＞u_a＞u_c，U_P＝u_b，U_M＝u_a，U_N＝u_c；

主区间IV：u_b＞u_c＞u_a，U_P＝u_b，U_M＝u_c，U_N＝u_a；

主区间V：u_c＞u_b＞u_a，U_P＝u_c，U_M＝u_b，U_N＝u_a；

主区间VI：u_c＞u_a＞u_b，U_P＝u_c，U_M＝u_a，U_N＝u_b；

I-II过渡区间：U_P＝u_a，U_M＝u_c，U_N＝u_b；

II-III过渡区间：U_P＝u_a，U_M＝u_b，U_N＝u_c；

III-IV过渡区间：U_P＝u_b，U_M＝u_a，U_N＝u_c；

IV-V过渡区间：U_P＝u_b，U_M＝u_c，U_N＝u_a；

V-VI过渡区间：U_P＝u_c，U_M＝u_b，U_N＝u_a；

VI-I过渡区间：U_P＝u_c，U_M＝u_a，U_N＝u_b；

在II-III，IV-V和VI-I三个过渡区间中，U_P与U_M接近，记为U_P≈U_M过渡区间，在其它三个过渡区间中，U_M与U_N接近，记为U_M≈U_N过渡区间；

②根据空间矢量调制原理，确定每个调制周期内四种双向功率开关状态组合以及对应的时间常数T_αm，T_αn，T_βn，T_βm；

③判断输入相电压是否位于上述主区间，如果输入相电压位于主区间，进入步骤④，否则转入步骤⑥；

④根据减小开关损耗和共模电压的原则，在每个调制周期中选取零矢量以及安排双向功率开关状态组合次序；或者，

根据使输出相换流次序统一、避免出现电压值接近的两输入相之间换流的原则，在每个调制周期中选择零矢量并调整其次序，得到过渡区间双向功率开关状态组合次序；

⑤采用现有的电压型两步换流策略控制双向功率开关，之后转入步骤⑩；

⑥根据使输出相换流次序统一、避免出现电压值接近的两输入相之间换流的原则，在每个调制周期中选择零矢量并调整其次序，得到过渡区间双向功率开关状态组合次序；

⑦判断该过渡区间是否为U_P≈U_M过渡区间，如果是U_P≈U_M过渡区间，进入步骤⑧，否则是U_M≈U_N过渡区间，转入步骤⑨；

⑧按照下述的过渡区间电压型两步换流策略控制双向功率开关，之后转入步骤⑩；

P状态时，P相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，M相的2只半导体开关全关断，N相的顺管作为辅助换流而开通；

M状态时，P相的2只半导体开关全关断，M相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，N相的顺管作为辅助换流而开通；

N状态时，P相和M相的逆管作为辅助换流而开通，N相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，与主区间N状态相同；

MN状态时，P相的2只半导体开关全关断，M相的逆管和N相的顺管作为辅助换流而开通；

NP状态时，M相的2只半导体开关全关断，P相的逆管和N相的顺管作为辅助换流而开通，与主区间NP状态相同；

电压接近的P相与M相之间的换流过程不能通过一个暂态两步完成，故PM状态不存在；

P相到N相换流时，先关断P相的顺管进入NP状态，然后同时开通M相和N相的逆管进入N状态；

N相到P相换流时，先同时关断M相和N相的逆管进入NP状态，然后开通P相的顺管进入P状态；

M相到N相换流时，先关断M相的顺管进入MN状态，然后同时开通P相和N相的逆管进入N状态；

N相到M相换流时，先同时关断P相和N相的逆管进入MN状态，然后开通M相的顺管进入M状态；

⑨按照下述过渡区间电压型两步换流策略控制双向功率开关：

P状态时，P相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，M相和N相的顺管作为辅助换流而开通，与主区间P状态相同；

M状态时，P相的逆管作为辅助换流而开通，M相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，N相的2只半导体开关全关断；

N状态时，P相的逆管作为辅助换流而开通，M相的2只半导体开关全关断，N相的2只半导体开关作为电流通道双向开通；

PM状态时，P相的逆管和M相的顺管作为辅助换流而开通，N相的2只半导体开关全关断；

NP状态时，M相的2只半导体开关全关断，P相的逆管和N相的顺管作为辅助换流而开通，与主区间NP状态相同；

电压接近的M相与N相之间的换流过程不能通过一个暂态两步完成，故MN状态在不存；

P相到M相换流时，先同时关断P相和N相的顺管进入PM状态，然后开通M相的逆管进入M状态；

M相到P相换流时，先关断M相的逆管进入PM状态，然后同时开通P相和N相的顺管进入P状态；

P相到N相换流时，先同时关断P相和M相的顺管进入NP状态，然后开通N相的逆管进入N状态；

N相到P相换流时，先关断N相的逆管进入NP状态，然后同时开通P相和M相的顺管进入P状态；

⑩等待下一个调制周期，返回步骤②，直至工作结束。

本发明提供的用于矩阵变换器的控制装置，其特征在于：该装置包括触发驱动电路、过流保护电路、同步信号检测电路、电压区间划分单元、开关状态控制单元和换流控制单元；

同步信号检测电路的输入端与三相电源相连，测量输入相电压的相对大小关系，并传送给电压区间划分单元；

电压区间划分单元将输入相电压区间分为主区间和过渡区间，并把对应的区间信号传送给开关状态控制单元；

开关状态控制单元确定每个调制周期内矩阵变换器各双向功率开关的各种开关状态组合及对应的时间常数；然后，根据电压区间划分单元传送的主区间或过渡区间信号，确定双边调制时开关状态组合次序；最后，按开关状态组合次序，将每个调制周期内各种开关状态组合、相应的时间常数以及区间信号送给换流控制单元；

换流控制单元根据开关状态控制单元传送的信号确定换流策略，实施换流过程的控制，输出PWM调制信号给触发驱动电路；

触发驱动电路将换流控制单元传送的PWM调制信号功率放大后，提供门极触发信号给矩阵变换器的各双向功率开关；

过流保护电路的输入端接到矩阵变换器的输入端，测量矩阵变换器的输入电流，输出接换流控制单元，实现过流保护功能。

本发明控制方法不需要外加专门的精确检测输入相电压相对大小关系的测量装置，仅通过把输入相电压划分为主区间和过渡区间、在过渡区间内定义新的P、M、N状态和PM、NP、MN暂态以及在每个调制周期内选择特定的零矢量并调整双向功率开关状态组合顺序(换流次序)，即可实现矩阵变换器安全、可靠、快速换流和稳定运行，解决了输入相电压在换区间时因判断不准确而出现的短路问题，且输出电压波形和输入电流波形不受影响。具体而言，本发明相对于现有技术具有以下优点：

(1)由于采用基于过渡区间电压型两步换流策略的控制方法，无论双向功率开关工作在稳态(非换流状态)还是暂态(换流状态)，均避免了因对输入相电压相对大小关系判断不准确而导致的输入相短路现象，解决了电压型两步换流策略的实用性问题。

(2)由于没有任何换流限制，并且确保每次换流过程仅需两步，因而换流过程快，输出电压波形好，开关损耗小。

(3)由于过渡区间电压型两步换流策略不依赖对输入相电压相对大小关系的精确测量，一方面，不需要另外设计精确的测量装置，利用矩阵变换器原有的输入同步信号检测电路即可。另一方面，测量结果不必考虑输入滤波器等因素引起的相位滞后问题，同步信号检测电路可以安装在输入滤波器之前，测量波形质量好的三相电源电压的相对大小关系即可。因而，矩阵变换器控制装置的硬件结构简单、易于实现、成本低。

(4)由于在过渡区间调整了换流次序，避免而不是禁止在电压值接近的两输入相电压之间的换流，因而，矩阵变换器的输出电压和输入电流平均值保持不变，波形好。

(5)虽然在过渡区间选择的特定零矢量，其输出共模电压幅值最大，但在主区间按减小共模电压的要求选择零矢量。由于过渡区间的时间相对于主区间时间小得多，因此，采用分别选择主区间和过渡区间零矢量的方法大大降低了矩阵变换器共模电压。

附图说明

图1为三相矩阵变换器的拓扑结构图。

图2为“共发射极”双向功率开关电路图。

图3为双向开关电流方向与两个半导体开关S1和S2状态的对应关系。

图4为输入电压区间划分图。其中(a)为输入相电压u_a，u_b，u_c在一个周期随时间变化曲线，(b)为各区间中三相电压的相互关系。

图5为传统电压型两步换流策略的开关状态图。

图6为本发明控制方法流程图。

图7为输入电压主区间和过渡区间划分图。

图8为过渡区间电压型两步换流策略的开关状态图，其中(a)为U_P≈U_M过渡区间电压型两步换流策略的开关状态图，(b)为U_M≈U_N过渡区间电压型两步换流策略的开关状态图。

图9为本发明控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图6所示，本发明控制方法包括以下步骤：

(1)按照下述方式将每个输入相电压周期划分为6个主区间和6个过渡区间，以便确定在每个调制周期中输入相电压的区间。

如图7所示，为输入电压过渡区间和主区间划分图。根据输入三相电压u_a，u_b，u_c的相对大小关系，将输入相电压划分为12个区间。将三相电压差值较大的区域定义为主区间，分别为I到VI共6个主区间。每个主区间中三相电压的关系如下：

主区间I：u_a＞u_c＞u_b，U_P＝u_a，U_M＝u_c，U_N＝u_b；

主区间II：u_a＞u_b＞u_c，U_P＝u_a，U_M＝u_b，U_N＝u_c；

主区间III：u_b＞u_a＞u_c，U_P＝u_b，U_M＝u_a，U_N＝u_c；

主区间IV：u_b＞u_c＞u_a，U_P＝u_b，U_M＝u_c，U_N＝u_a；

主区间V：u_c＞u_b＞u_a，U_P＝u_c，U_M＝uu_b，U_N＝u_a；

主区间VI：u_c＞u_a＞u_b，U_P＝u_c，U_M＝u_a，U_N＝u_b；

将每两个主区间的交界处附近，即输入两相电压值接近的区域定义为过渡区间，分别为I-II到VI-I共6个过渡区间；每个过渡区间中三相电压的关系如下：

I-II过渡区间：u_a幅值最大，u_c和u_b电压值较为接近，U_P＝u_a，U_M＝u_c，U_N＝u_b；

II-III过渡区间：u_c幅值最小，u_a和u_b电压值较为接近，U_P＝u_a，U_M＝u_b，U_N＝u_c；

III-IV过渡区间：u_b幅值最大，u_a和u_c电压值较为接近，U_P＝u_b，U_M＝u_a，U_N＝u_c；

IV-V过渡区间：u_a幅值最小，u_b和u_c电压值较为接近，U_P＝u_b，U_M＝u_c，U_N＝u_a；

V-VI过渡区间：u_c幅值最大，u_b和u_a电压值较为接近，U_P＝u_c，U_M＝u_b，U_N＝u_a；

VI-I过渡区间：u_b幅值最小，u_c和u_a电压值较为接近，U_P＝u_c，U_M＝u_a，U_N＝u_b。

在II-III，IV-V和VI-I三个过渡区间中，U_P与U_M电压值接近，记为U_P≈U_M过渡区间。在I-II，III-IV和V-VI三个过渡区间中，U_M与U_N电压值接近，记为U_M≈U_N过渡区间。本发明将6个过渡区间进一步分为U_P≈U_M过渡区间和U_M≈U_N过渡区间两种情况。

过渡区间的宽度对于避免电压值接近的两输入相之间出现的短路现象起着决定性的作用，过渡区间越宽，输入相短路的可能性越小。过渡区间宽度的设定由输入相电压同步信号检测电路的准确度以及检测电路的安装位置决定。本发明设置过渡区间的宽度用时间表示，取值范围通常为0.5ms～3.3ms。当过渡区间宽度设置为3.3ms时，此时，主区间宽度为零，输入相电压划分为6个过渡区间。该实施方法不影响输出电压波形和输入电流波形的平均值，但会使矩阵变换器共模电压的幅值增加。

(2)根据空间矢量调制原理，确定每个调制周期内四种双向功率开关状态组合以及对应的时间常数T_αm，T_αn，T_βn，T_βm。该调制原理参见公开发表的论文“交-交型矩阵变换器的控制原理与试验研究”，(电力电子技术，1994年第2期)

(3)判断输入相电压是否位于主区间，如果输入相电压位于主区间，进入步骤(4)，否则输入相电压位于过渡区间，转入步骤(6)。

(4)按照表一确定主区间内双向功率开关状态组合次序。

在每个调制周期中按减小开关损耗和共模电压的原则选取零矢量以及安排双向功率开关状态组合次序，该方法参见P.Nielson等人公开发表的论文“Space vector modulated matrix converter with minimized number ofswitchings and a feedforward compensation of input voltage unbalance”，(基于最小开关次数的矩阵变换器空间矢量调制方法及在不平衡输入电压下的补偿措施)(Drives and Energy Systems for Industrial Growth，Proceedingsof the 1996 International Conference on Power Electronics，1996)。图8为主区间中半个调制周期内双向功率开关状态组合及次序表，表中，矩阵变换器1的双向功率开关状态组合用三个一组的字母表示，如abb。第一个字母表示矩阵变换器1的第一个输出相A与之连接的输入相；第二个字母表示矩阵变换器1的第二个输出相B与之连接的输入相；第三个字母表示矩阵变换器1的第三个输出相C与之连接的输入相；开关状态组合abb表示，矩阵变换器1的第一输出相A与输入相a连接，第二输出相B和第三输出相C都与输入相b连接。表中T₁，T₂，T₃，T₄和T₀表示所对应双向功率开关状态组合的时间常数。当输出电压区间与输入电流区间之和为偶数时，T₁＝T_αm，T₂＝T_αn，T₃＝T_βn，T₄＝T_βm；当输出电压区间与输入电流区间之和为奇数时，T₁＝T_αn，T₂＝T_αm，T₃＝T_βm，T₄＝T_βn。

以输出电压空间矢量在1区间、输入电流空间矢量在1区间为例，半个调制周期内双向功率开关状态组合次序为abb，aab，aac，acc和ccc，可知第一个输出相A换流次序为a-c，第二个输出相B的换流次序为b-a-c，第三个输出相C的换流次序为b-c。

表一 基于状态空间调制策略的主区间双向功率开关状态组合表

(5)若输入相电压位于主区间，则采用图5所示传统的电压型两步换流策略，之后则转入步骤(10)。

(6)按照表二确定过渡区间双向功率开关状态组合次序；

为了避免在过渡区间中出现电压值接近相之间的换流，本发明将过渡区间中每个调制周期内的零矢量以及换流次序进行了调整。表二为过渡区间中半个调制周期内双向功率开关状态组合及次序表。仍然以输出电压空间矢量在1区间、输入电流空间矢量在1区间为例，假设控制输入为单位功率因数，则输入电流1区间中含有输入相电压I-II过渡区间。从图7可以看到，该区间a相输入电压始终为最高u_a＝U_P，b相输入电压从最低电压变为中间电压，c相输入电压从中间电压变为最低电压，存在输入b、c两相电压值接近的U_M≈U_N过渡区间。本发明为避免电压值接近相之间的换流，在该区间选择特定的零矢量aaa，，并将该零矢量安排在第二个开关状态组合之后，则半个调制周期内双向功率开关状态组合次序为abb，aab，aaa，aac和acc。这样，输出B相和C相的换流次序都为b-a-c，输出A相不换流，绝对不会出现输入b、c两相之间的换流现象。比较表一和表二可以看到，本发明通过在每个调制周期中选择特定的零矢量以及调整零矢量的次序，统一了两个输出相的换流次序，避免了电压接近相之间的换流现象。

表二所示的过渡区间双向功率开关状态组合表同样也可用于主区间，但是，过渡区间所选择的特定零矢量产生的共模电压幅值为输入相电压幅值的(0.866～1)倍。而在主区间中选择的零矢量所产生的共模电压幅值仅是输入相电压幅值的(0～0.866)倍。

表二 基于状态空间调制策略的过渡区间双向功率开关状态组合表

(7)判断该过渡区间是否为U_P≈U_M过渡区间，如果是U_P≈U_M过渡区间，进入步骤(8)，否则是U_M≈U_N过渡区间，转入步骤(9)。

(8)采用图8(a)所示的过渡区间电压型两步换流策略，随后转入步骤(10)。

在U_P≈U_M过渡区间，为了避免P相与M相之间发生短路，与图5所示的主区间P、M、N状态相比，本发明调整了稳态P状态和M状态的双向功率开关状态，N状态的双向功率开关状态不变，暂态NP、MN 也相应改变。过渡区间P状态关断了M相作为辅助换流而开通的1只半导体开关；过渡区间M状态关断了P相作为辅助换流而开通的1只半导体开关，这样，不会出现因P相电压和M相电压相对大小关系测量不准而造成的P相与M相之间的短路现象。图8(a)所示具体的开关状态及换流策略如下：

P状态时，P相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，M相的2只半导体开关全关断，N相的顺管作为辅助换流而开通；

M状态时，P相的2只半导体开关全关断，M相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，N相的顺管作为辅助换流而开通；

N状态时，P相和M相的逆管作为辅助换流而开通，N相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，与主区间N状态相同；

MN状态时，P相的2只半导体开关全关断，M相的逆管和N相的顺管作为辅助换流而开通；

NP状态时，M相的2只半导体开关全关断，P相的逆管和N相的顺管作为辅助换流而开通，与主区间NP状态相同。

电压接近的P相与M相之间的换流过程不能通过一个暂态两步完成，故PM状态不存在。

P相到N相换流时，先关断P相的顺管进入NP状态，然后同时开通M相和N相的逆管进入N状态；

N相到P相换流时，先同时关断M相和N相的逆管进入NP状态，然后开通P相的顺管进入P状态；

M相到N相换流时，先关断M相的顺管进入MN状态，然后同时开通P相和N相的逆管进入N状态；

N相到M相换流时，先同时关断P相和N相的逆管进入MN状态，然后开通M相的顺管进入M状态；

显然，P相与N相之间换流只需要经过一个NP暂态，两步完成；M相与N相换流也只需要经过一个MN暂态，两步完成。不允许在电压值接近的P相与M相之间换流。

(9)采用图8(b)所示的过渡区间电压型两步换流策略。

在U_M≈U_N过渡区间，为了避免M相与N相之间发生短路，与图5所示的主区间P、M、N状态相比，本发明调整了稳态M状态和N状态的双向功率开关状态，P状态的双向功率开关状态不变，暂态NP、MN也相应改变。过渡区间M状态关断了N相作为辅助换流而开通的1只半导体开关；过渡区间N状态关断了M相作为辅助换流而开通的1只半导体开关，这样，不会出现因M相电压和N相电压相对大小关系测量不准而造成的M相与N相之间的短路现象。图8(b)所示具体的开关状态及换流策略如下：

P状态时，P相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，M相和N相的顺管作为辅助换流而开通，与主区间P状态相同；

M状态时，P相的逆管作为辅助换流而开通，M相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，N相的2只半导体开关全关断；

N状态时，P相的逆管作为辅助换流而开通，M相的2只半导体开关全关断，N相的2只半导体开关作为电流通道双向开通；

PM状态时，P相的逆管和M相的顺管作为辅助换流而开通，N相的2只半导体开关全关断；

NP状态时，M相2只半导体开关全关断，P相的逆管和N相的顺管作为辅助换流而开通，与主区间NP状态相同。

电压接近的M相与N相之间的换流过程不能通过一个暂态两步完成，故MN状态在不存。

P相到M相换流时，先同时关断P相和N相的顺管进入PM状态，然后开通M相的逆管进入M状态；

M相到P相换流时，先关断M相的逆管进入PM状态，然后同时开通P相和N相的顺管进入P状态；

P相到N相换流时，先同时关断P相和M相的顺管进入NP状态，然后开通N相的逆管进入N状态；

N相到P相换流时，先关断N相的逆管进入NP状态，然后同时开通P相和M相的顺管进入P状态；

显然，P相与M相之间换流只需要经过一个PM暂态，两步完成；P 相与N相换流也只需要经过一个NP暂态，两步完成。不允许在电压值接近的M相与N相之间换流。

(10)一个调制周期内的控制结束，等待下一个调制周期，返回步骤(2)。

如图9所示，本发明控制装置包括触发驱动电路8、过流保护电路9、同步信号检测电路10、电压区间划分单元11、开关状态控制单元12和换流控制单元13。

三相矩阵变换器1由九个双向功率开关2按3×3开关矩阵形式构成，负载4接在矩阵变换器1的输出相A，B，C。矩阵变换器1的输入相与滤波器5相连，滤波器的输入端接三相电源6。箝位电路7接在矩阵变换器1的输入相a，b，c和输出相A，B，C两端实现过压保护功能。

同步信号检测电路10的输入端与三相电源6相连，测量输入相电压的相对大小关系送给电压区间划分单元11。电压区间划分单元11根据过渡区间宽度预设值，按照图7将输入相电压区间分为主区间和过渡区间，并把对应的区间信号送给开关状态控制单元12。开关状态控制单元12首先按空间矢量调制策略确定每个调制周期内矩阵变换器九个双向功率开关的5种开关组合状态及对应的时间常数；然后，根据主区间或过渡区间信号，按照图8或图9确定双边调制时开关状态组合次序；最后，按开关状态组合次序，将每个调制周期内5种开关状态组合、相应的时间常数以及区间信号送给换流控制单元13。换流控制单元13根据区间信号，按照图5或图8确定换流策略，实施换流过程的控制，输出PWM调制信号给触发驱动电路8。触发驱动电路8给矩阵变换器九个双向功率开关提供门极触发信号。过流保护电路9的输入端接到矩阵变换器1的输入端，测量矩阵变换器的输入电流，输出接换流控制单元13，实现过流保护功能。

本发明控制装置中，将同步信号检测电路10安装在三相输入电源与输入滤波器之间，测量三相输入电源的相对大小关系。由于输入电源相电压波形好、干扰少，同步信号检测电路10采用简单易行的常规电路， 无需专门设计精确检测输入相电压相对大小关系的测量装置；考虑到输入滤波器引起的电压相位滞后，区间划分单元11中过渡区间宽度预设值设定为1.8ms。为简化控制电路，将区间划分单元11和换流控制单元13合用一片复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现；开关状态控制单元12由于计算量大，采用数字信号处理器(DSP)实现。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种用于矩阵变换器的控制方法，其步骤包括：

①按照下述方式将每个输入相电压周期划分为6个主区间和6个过渡区间，确定在每个调制周期中输入相电压的区间；

根据输入三相电压u_a，u_b，u_c的相对大小关系，将每个输入相电压周期划分为下述6个主区间和6个过渡区间，其中过渡区间的宽度用时间表示：

主区间I：u_a＞u_c＞u_b，U_P＝u_a，U_M＝u_c，U_N＝u_b；

主区间II：u_a＞u_b＞u_c，U_P＝u_a，U_M＝u_b，U_N＝u_c；

主区间III：u_b＞u_a＞u_c，U_P＝u_b，U_M＝u_a，U_N＝u_c；

主区间IV：u_b＞u_c＞u_a，U_P＝u_b，U_M＝u_c，U_N＝u_a；

主区间V：u_c＞u_b＞u_a，U_P＝u_c，U_M＝u_b，U_N＝u_a；

主区间VI：u_c＞u_a＞u_b，U_P＝u_c，U_M＝u_a，U_N＝u_b；

I-II过渡区间：U_P＝u_a，U_M＝u_c，U_N＝u_b；

II-III过渡区间：U_P＝u_a，U_M＝u_b，U_N＝u_c；

III-IV过渡区间：U_P＝u_b，U_M＝u_a，U_N＝u_c；

IV-V过渡区间：U_P＝u_b，U_M＝u_c，U_N＝u_a；

V-VI过渡区间：U_P＝u_c，U_M＝u_b，U_N＝u_a；

VI-I过渡区间：U_P＝u_c，U_M＝u_a，U_N＝u_b；

在II-III，IV-V和VI-I三个过渡区间中，U_P与U_M接近，记为U_P≈U_M过渡区间，在其它三个过渡区间中，U_M与U_N接近，记为U_M≈U_N过渡区间；

②根据空间矢量调制原理，确定每个调制周期内四种双向功率开关状态组合以及对应的时间常数T_αm，T_αn，T_βn，T_βm；

③判断输入相电压是否位于上述主区间，如果输入相电压位于主区间，进入步骤④，否则转入步骤⑥；

④根据减小开关损耗和共模电压的原则，在每个调制周期中选取零矢量以及安排双向功率开关状态组合次序；或者，

根据使输出相换流次序统一、避免出现电压值接近的两输入相之间换流的原则，在每个调制周期中选择零矢量并调整其次序，得到过渡区间双向功率开关状态组合次序；

⑤采用现有的电压型两步换流策略控制双向功率开关，之后转入步骤⑩；

⑥根据使输出相换流次序统一、避免出现电压值接近的两输入相之间换流的原则，在每个调制周期中选择零矢量并调整其次序，得到过渡区间双向功率开关状态组合次序；

⑦判断该过渡区间是否为U_P≈U_M过渡区间，如果是U_P≈U_M过渡区间，进入步骤⑧，否则是U_M≈U_N过渡区间，转入步骤⑨；

⑧按照下述的过渡区间电压型两步换流策略控制双向功率开关，之后转入步骤⑩；

P状态时，P相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，M相的2只半导体开关全关断，N相的顺管作为辅助换流而开通；

M状态时，P相的2只半导体开关全关断，M相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，N相的顺管作为辅助换流而开通；

N状态时，P相和M相的逆管作为辅助换流而开通，N相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，与主区间N状态相同；

MN状态时，P相的2只半导体开关全关断，M相的逆管和N相的顺管作为辅助换流而开通；

NP状态时，M相的2只半导体开关全关断，P相的逆管和N相的顺管作为辅助换流而开通，与主区间NP状态相同；

电压接近的P相与M相之间的换流过程不能通过一个暂态两步完成，故PM状态不存在；

P相到N相换流时，先关断P相的顺管进入NP状态，然后同时开通M相和N相的逆管进入N状态；

N相到P相换流时，先同时关断M相和N相的逆管进入NP状态，然后开通P相的顺管进入P状态；

M相到N相换流时，先关断M相的顺管进入MN状态，然后同时开通P相和N相的逆管进入N状态；

N相到M相换流时，先同时关断P相和N相的逆管进入MN状态，然后开通M相的顺管进入M状态；

⑨按照下述过渡区间电压型两步换流策略控制双向功率开关：

P状态时，P相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，M相和N相的顺管作为辅助换流而开通，与主区间P状态相同；

M状态时，P相的逆管作为辅助换流而开通，M相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，N相的2只半导体开关全关断；

N状态时，P相的逆管作为辅助换流而开通，M相的2只半导体开关全关断，N相的2只半导体开关作为电流通道双向开通；

PM状态时，P相的逆管和M相的顺管作为辅助换流而开通，N相的2只半导体开关全关断；

NP状态时，M相的2只半导体开关全关断，P相的逆管和N相的顺管作为辅助换流而开通，与主区间NP状态相同；

电压接近的M相与N相之间的换流过程不能通过一个暂态两步完成，故MN状态在不存；

P相到M相换流时，先同时关断P相和N相的顺管进入PM状态，然后开通M相的逆管进入M状态；

M相到P相换流时，先关断M相的逆管进入PM状态，然后同时开通P相和N相的顺管进入P状态；

P相到N相换流时，先同时关断P相和M相的顺管进入NP状态，然后开通N相的逆管进入N状态；

N相到P相换流时，先关断N相的逆管进入NP状态，然后同时开通P相和M相的顺管进入P状态；

步骤⑧和⑨中，顺管是指提供正向电流通道的半导体开关，逆管是指提供负向电流通道的半导体开关；

⑩等待下一个调制周期，返回步骤②，直至工作结束。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤④按照下表确定主区间双向功率开关状态组合次序：

  输出电压区间     输入电流区间    1区间   2区间   3区间   4区间   5区间   6区间   1区间     T₁     abb     aac     bcc     bba     caa     ccb     T₂     aab     acc     bbc     baa     cca     cbb     T₃     aac     bcc     bba     caa     ccb     abb     T₄     acc     bbc     baa     cca     cbb     aab     T₀     ccc     bbb     aaa     ccc     bbb     aaa   2区间     T₁     bab     aac     cbc     bba     aca     ccb     T₂     aab     cac     bbc     aba     cca     bcb     T₃     aac     cbc     bba     aca     ccb     bab     T₄     cac     bbc     aba     cca     bcb     aab     T₀     ccc     bbb     aaa     ccc     bbb     aaa   3区间     T₁     bab     caa     cbc     abb     aca     bcc     T₂     baa     cac     cbb     aba     acc     bcb     T₃     caa     cbc     abb     aca     bcc     bab     T₄     cac     cbb     aba     acc     bcb     baa     T₀     ccc     bbb     aaa     ccc     bbb     aaa   4区间     T₁     bba     caa     ccb     abb     aac     bcc     T₂     baa     cca     cbb     aab     acc     bbc     T₃     caa     ccb     abb     aac     bcc     bba     T₄     cca     cbb     aab     acc     bbc     baa     T₀     ccc     bbb     aaa     ccc     bbb     aaa   5区间     T₁     bba     aca     ccb     bab     aac     cbc     T₂     aba     cca     bcb     aab     cac     bbc     T₃     aca     ccb     bab     aac     cbc     bba     T₄     cca     bcb     aab     cac     bbc     aba     T₀     ccc     bbb     aaa     ccc     bbb     aaa   6区间     T₁     abb     aca     bcc     bab     caa     cbc     T₂     aba     acc     bcb     baa     cac     cbb     T₃     aca     bcc     bab     caa     cbc     abb     T₄     acc     bcb     baa     cac     cbb     aba     T₀     ccc     bbb     aaa     ccc     bbb     aaa

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤⑥按照下表确定过渡区间双向功率开关状态组合次序：

  输出电压区间     输入电流区间   1区间   2区间   3区间   4区间   5区间   6区间   1区间     T₁     abb     aac     bcc     bba     caa     ccb     T₂     aab     acc     bbc     baa     cca     cbb     T₀     aaa     ccc     bbb     aaa     ccc     bbb     T₃     aac     bcc     bba     caa     ccb     abb     T₄     acc     bbc     baa     cca     cbb     aab   2区间     T₁     bab     aac     cbc     bba     aca     ccb     T₂     aab     cac     bbc     aba     cca     bcb     T₀     aaa     ccc     bbb     aaa     ccc     bbb     T₃     aac     cbc     bba     aca     ccb     bab     T₄     cac     bbc     aba     cca     bcb     aab   3区间     T₁     bab     caa     cbc     abb     aca     bcc     T₂     baa     cac     cbb     aba     acc     bcb     T₀     aaa     ccc     bbb     aaa     ccc     bbb     T₃     caa     cbc     abb     aca     bcc     bab     T₄     cac     cbb     aba     acc     bcb     baa   4区间     T₁     bba     caa     ccb     abb     aac     bcc     T₂     baa     cca     cbb     aab     acc     bbc     T₀     aaa     ccc     bbb     aaa     ccc     bbb     T₃     caa     ccb     abb     aac     bcc     bba     T₄     cca     cbb     aab     acc     bbc     baa   5区间     T₁     bba     aca     ccb     bab     aac     cbc     T₂     aba     cca     bcb     aab     cac     bbc     T₀     aaa     ccc     bbb     aaa     ccc     bbb     T₃     aca     ccb     bab     aac     cbc     bba     T₄     cca     bcb     aab     cac     bbc     aba   6区间     T₁     abb     aca     bcc     bab     caa     cbc     T₂     aba     acc     bcb     baa     cac     cbb     T₀     aaa     ccc     bbb     aaa     ccc     bbb     T₃     aca     bcc     bab     caa     cbc     abb     T₄     acc     bcb     baa     cac     cbb     aba

4.一种用于矩阵变换器的控制装置，其特征在于：该装置包括触发驱动电路(8)、过流保护电路(9)、同步信号检测电路(10)、电压区间划分单元(11)、开关状态控制单元(12)和换流控制单元(13)；

同步信号检测电路(10)的输入端与三相电源(6)相连，测量输入相电压的相对大小关系，并传送给电压区间划分单元(11)；

电压区间划分单元(11)将输入相电压区间分为主区间和过渡区间，并把对应的区间信号传送给开关状态控制单元(12)；

开关状态控制单元(12)确定每个调制周期内矩阵变换器各双向功率开关的各种开关状态组合及对应的时间常数；然后，根据电压区间划分单元(11)传送的主区间或过渡区间信号，确定双边调制时开关状态组合次序；最后，按开关状态组合次序，将每个调制周期内各种开关状态组合、相应的时间常数以及区间信号送给换流控制单元(13)；

换流控制单元(13)根据开关状态控制单元(12)传送的信号确定换流策略，实施换流过程的控制，输出PWM调制信号给触发驱动电路(8)；

触发驱动电路(8)将换流控制单元(13)传送的PWM调制信号功率放大后，提供门极触发信号给矩阵变换器的各双向功率开关；

过流保护电路(9)的输入端接到矩阵变换器(1)的输入端，测量矩阵变换器的输入电流，输出接换流控制单元(13)，实现过流保护功能。

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