CN101826801B - 三相矩阵变换器的空间矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相矩阵变换器的空间矢量调制方法，该方法利用计算输入、输出相电压空间矢量的幅值，输入、输出电流空间矢量所在扇区的相对位置角，以及输入、输出电流空间矢量的扇区号，并计算矩阵变换器的电压调制系数；再计算出5个开关状态的占空比或持续时间，根据输入电流空间矢量的扇区号和输出电压空间矢量的扇区号确定调制周期中的5个开关状态及调制次序；换流控制电路根据调制次序、占空比或持续时间安排矩阵变换器的开关导通和关断，实现换流控制。本发明不是采用补偿或控制的方法对输出波形的畸变进行补偿或控制，因而不需要增加额外的控制电路，只需要调整空间矢量调制系数的计算，方法简单易行。

Description

三相矩阵变换器的空间矢量调制方法

技术领域

本发明属于交流电能变换装置技术领域，具体涉及三相矩阵变换器的空间矢量调制方法，以解决电网电压非正常工况时造成的矩阵变换器输出电压畸变问题。

背景技术

三相矩阵变换器1由9个双向功率开关2按3×3开关矩阵形式构成，如图1所示。其中S_i，j(i＝A，B，C；j＝a，b，c)表示一个双向功率开关2，每个双向功率开关由两个具有反并联二极管的绝缘栅极双极晶体管(IGBT)采用“共发射极”结构构成。矩阵变换器的输入侧为三相电网电压3，分别用u_a，u_b，u_c表示，在矩阵变换器与电网间接有输入滤波器4。矩阵变换器的输出侧分别用A，B，C表示，通常接交流电机或感性负载设备5。通过对9个双向功率开关通断控制，可以实现幅值和频率均可变化的输出电压u_A，u_B，u_C。

9个双向功率开关共有27种开关状态，通常用3个一组的字母表示。如：abb，表示矩阵变换器的第一输出相A通过双向开关S_Aa与输入相a相连接，第二输出相B通过双向开关S_Bb与输入相b相连接，第三输出相C通过双向开关S_Cb与输入相b相连接。27个开关状态对应产生24个有效空间矢量和3个零矢量。24个有效空间矢量中有6种(abc，bca，cab，acb，bac，cba)的输出各相分别与输入各相相连，使输出频率等于输入频率，不能用于矩阵变换器空间矢量调制策略，其余18个有效空间矢量和3个零矢量可用于空间矢量调制，以产生所需的输出电压矢量。在每个调制周期中从21个开关状态中选取5个开关状态，根据空间矢量的基本调制原理，分别产生4个有效空间矢量和1个零矢量。

图1中三相电网电压可表示为：

u_a＝U_imcos(ω_it)

u_b＝U_imcos(ω_it-2π/3)

u_c＝U_imcos(ω_it+2π/3)

式中U_im为电网相电压的幅值，ω_i为电网电压频率。

假设矩阵变换器输出侧用户设定的三相电压为：

u_A＝U_omcos(ω_ot)

u_B＝U_omcos(ω_ot-2π/3)

u_C＝U_omcos(ω_ot+2π/3)

式中U_om为设定的输出相电压的幅值，范围从0～0.866U_im，ω_o为设定的输出电压频率，可为任意值。

在每个调制周期中，根据输入相电压空间矢量U_i及用户设定的输入功率因数角

可以确定希望得到的输入相电流空间矢量I_i所在扇区I_num和扇区角θ_j，如图2所示。根据设定的输出电压可以得到输出相电压空间矢量U_o所在的扇区U_num和扇区角θ_k，如图3所示。由矩阵变换器空间矢量调制策略，便可以确定每个调制周期中的5个开关状态以及对应的占空比d_αM，d_αN，d_βM，d_βN，d₀(或者持续时间T_αM，T_αN，T_βM，T_βN，T₀)：

$d_{\mathrm{\αM}}=T_{\mathrm{\αM}}/T_s=\frac{2}{\sqrt{3}}\frac{U_{\mathrm{om}}}{U_{\mathrm{im}}}\sin (\mathrm{\π}/3-{\mathrm{\θ}}_j)\sin (\mathrm{\π}/3-{\mathrm{\θ}}_k)=m\sin (\mathrm{\π}/3-{\mathrm{\θ}}_j)\sin (\mathrm{\π}/3-{\mathrm{\θ}}_k)$

$d_{\mathrm{\αN}}=T_{\mathrm{\αN}}/T_s=\frac{2}{\sqrt{3}}\frac{U_{\mathrm{om}}}{U_{\mathrm{im}}}\sin {\mathrm{\θ}}_j\sin (\mathrm{\π}/3-{\mathrm{\θ}}_k)=m\sin {\mathrm{\θ}}_j\sin (\mathrm{\π}/3-{\mathrm{\θ}}_k)$

$d_{\mathrm{\βM}}=T_{\mathrm{\βM}}/T_s=\frac{2}{\sqrt{3}}\frac{U_{\mathrm{om}}}{U_{\mathrm{im}}}\sin (\mathrm{\π}/3-{\mathrm{\θ}}_j)\sin {\mathrm{\θ}}_k=m\sin (\mathrm{\π}/3-{\mathrm{\θ}}_j){\sin \mathrm{\θ}}_k$

$d_{\mathrm{\βN}}=T_{\mathrm{\βN}}/T_s=\frac{2}{\sqrt{3}}\frac{U_{\mathrm{om}}}{U_{\mathrm{im}}}\sin {\mathrm{\θ}}_j\sin {\mathrm{\θ}}_k=m\sin {\mathrm{\θ}}_j{\sin \mathrm{\θ}}_k$

d₀＝T₀/T_s＝1-d_αM-d_αN-d_βM-d_βN

式中，T_s为调制周期，m为矩阵变换器的电压调制系数，

且0≤m≤1。

按照5个开关状态的调制次序及持续时间来安排9个双向开关的导通和关断，可以实现可控的输出电压和可控的输入功率因数。

在正常工况下，矩阵变换器输入侧电网电压为三相幅值相同、频率相同、相位互差120°的正弦波，电压调制系数m仅随设定的输出电压幅值U_om变化。一旦输出电压幅值U_om设定不变，则电压调制系数m恒定。按此调制系数计算开关状态的占空比，可控制矩阵变换器输出电压或负载电流也是三相幅值相同、频率相同、相位互差120°的正弦波。

当电网电压出现非正常工况时，包括输入三相电压不平衡(幅值或相位的不对称)、输入波形非正弦以及电网的浪涌(突升和突降)等情况，如果仍采用固定调制系数m计算开关状态的占空比，不对开关状态的持续时间进行相应的调整，必将导致输出波形随输入波形变化产生畸变电压，从而影响交流电机的运行性能，严重时甚至损坏电机设备。

发明内容

本发明的目的是针对传统的空间矢量调制技术的不足之处，提供一种三相矩阵变换器的空间矢量调制方法，该方法解决了电网电压非正常工况时对矩阵变换器输出波形的影响，实现了矩阵变换器在输入电压正常和非正常工况下均能输出三相正弦对称电压或电流波形。

本发明提供的适用于电网电压非正常工况的三相矩阵变换器调制方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

(1)计算输入相电压空间矢量的幅值|U_i|和输出相电压空间矢量的幅值|U_o|，输入电流空间矢量所在扇区的相对位置角θ_k和输出电压空间矢量所在扇区的相对位置角θ_j，以及输入电流空间矢量的扇区号I_num和输出电压空间矢量的扇区号U_num；

(2)计算矩阵变换器的电压调制系数m

$m=\frac{2}{\sqrt{3}}\frac{\left|U_o\right|}{\left|U_i\right|};$

(3)由实时计算的矩阵变换器空间矢量调制系数m、输出电压空间矢量所在扇区的相对位置角θ_j和输入电流空间矢量所在扇区的相对位置角θ_k计算出5个开关状态的占空比d_αM，d_αN，d_βM，d_βN，d₀或持续时间T_αM，T_αN，T_βM，T_βN，T₀

d_αM＝T_αM/T_s＝m sin(π/3-θ_j)sin(π/3-θ_k)

d_αN＝T_αN/T_s＝msinθ_jsin(π/3-θ_k)

d_βM＝T_βM/T_s＝msin(π/3-θ_j)sinθ_k

d_βN＝T_βN/T_s＝msinθ_jsinθ_k

d₀＝T₀/T_s＝1-d_αM-d_αN-d_βM-d_βN

其中，T_s为开关周期；

(4)根据输入电流空间矢量的扇区号I_num和输出电压空间矢量的扇区号U_num确定调制周期中的5个开关状态及调制次序；

(5)换流控制电路根据5个开关状态的调制次序以及5个开关状态的占空比或持续时间安排矩阵变换器的9个双向功率开关的导通和关断，实现换流控制。

本发明方法利用输入相电压空间矢量幅值与输出相电压空间矢量幅值实时计算矩阵变换器的电压调制系数，以解决电网电压非正常工况时对矩阵变换器输出波形的影响，使得开关状态的占空比能及时根据输入电压的畸变情况得到调整，从而保证矩阵变换器在输入电压非正常工况时输出波形保持三相正弦对称不变。本发明不是采用补偿或控制的方法对输出波形的畸变进行补偿或控制，因而不需要增加额外的控制电路，只需要调整空间矢量调制系数的计算，方法简单易行。

附图说明

图1为三相矩阵变换器的拓扑结构图。

图2为输入电压电流空间矢量图。

图3为输出电压空间矢量图。

图4为本发明实施方法流程图。

图5为采用本发明的实施示意图。

图6为实施本发明后的输出波形。

具体实施方式

适用于输入电压非正常工况下矩阵变换器的调制方法，采用输出输入相电压空间矢量幅值之比，实时计算电压调制系数的方法。

结合附图对本发明作详细说明。图4为本发明实施方法流程图，本发明实施方式包括以下步骤：

(1)计算输入相电压空间矢量的幅值|U_i|和输出相电压空间矢量的幅值|U_o|，以及输入电流空间矢量所在扇区的相对位置角θ_k和输出电压空间矢量所在扇区的相对位置角θ_j；

(1.1)通过检测到的矩阵变换器三相输入交流电压u_a，u_b，u_c，对其进行三相-两相变换，得到两相静止坐标系下的输入电压分量u_α和u_β，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]$

(1.2)计算输入相电压空间矢量的幅值|U_i|

$\left|U_i\right|=\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}$

由u_α、u_β和用户设定的输入功率因数角

得到输入电流空间矢量所在扇区内的相对位置角θ_k和扇区号I_num

当u_α≠0时，

当u_α＝0时，

电流扇区号I_num＝fix(3*θ_k/π)+1

式中mod(x，y)函数运算表示x除以y的余数，fix(x)函数运算表示将x取整，

的取值范围为0～90°。

(1.3)根据用户设定的三相输出电压u_A，u_B，u_C，对其进行三相-两相变换，得到两相静止坐标系下的输入电压分量u_d和u_q，

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right]$

(1.4)计算输出相电压空间矢量的幅值|U_o|

$\left|U_o\right|=\sqrt{u_d^2+u_q^2}$

由u_d、u_q得到输出电压空间矢量所在扇区内的相对位置角θ_j和扇区号U_num

当u_d≠0时，

当u_d＝0时，

扇区号U_num＝fix(3*θ_j/π)+1

(2)计算矩阵变换器的电压调制系数m

$m=\frac{2}{\sqrt{3}}\frac{\left|U_o\right|}{\left|U_i\right|}$

(3)由实时计算的矩阵变换器空间矢量调制系数m及输出电压空间矢量所在扇区的相对位置角θ_j和输入电流空间矢量所在扇区的相对位置角θ_k计算出5个开关状态的占空比(或持续时间)：

d_αM＝T_αM/T_s＝msin(π/3-θ_j)sin(π/3-θ_k)

d_αN＝T_αN/T_s＝msinθ_jsin(π/3-θ_k)

d_βM＝T_βM/T_s＝msin(π/3-θ_j)sinθ_k

d_βN＝T_βN/T_s＝msinθ_jsinθ_k

d₀＝T₀/T_s＝1-d_αM-d_αN-d_βM-d_βN

(4)根据输入电流空间矢量的扇区号I_num和输出电压空间矢量的扇区号U_num确定调制周期中的5个开关状态及调制次序；

(5)换流控制电路根据双向功率开关状态调制次序以及持续时间安排矩阵变换器的9个双向功率开关的导通和关断，实现换流控制。

上述改进的空间矢量调制方法实施如图5所示，其中步骤(1)-(4)由数字信号处理器DSP TMS320LF2407实现，控制程序用汇编语言编写，步骤(5)由现场可编程门阵列FPGA EP2C8T144C8实现，其换流控制电路控制程序为已有技术。

上述改进的空间矢量调制方法已在一台矩阵变换器带感性负载电路装置上进行了实验验证，在矩阵变换器在三相交流输入电压不平衡条件下，改进的空间矢量调制方法能够保证输出电压波形质量。

采用上述改进的空间矢量调制方法的矩阵变换器电压波形如图6所示。其中图6a为输入不平衡电压波形，图6b为采用固定调制比的空间矢量调制方法得到的输出电压波形，图6c为采用电压空间矢量幅值之比计算电压调制系数的方法得到的输出电压波形。从图中结果可以看到，本发明提出的方法可以有效的改善矩阵变换器在电网电压非正常工况时的输出波形。

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实施例和附图公开的内容，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 (2)

1.一种三相矩阵变换器的空间矢量调制方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

(1)计算输入相电压空间矢量的幅值|U_i|和输出相电压空间矢量的幅值|U_o|，输入电流空间矢量所在扇区的相对位置角θ_k和输出电压空间矢量所在扇区的相对位置角θ_j，以及输入电流空间矢量的扇区号I_num和输出电压空间矢量的扇区号U_num；

步骤(1)的具体过程为：

(1.1)通过检测到的矩阵变换器三相输入交流电压u_a，u_b，u_c，对其进行三相-两相变换，得到两相静止坐标系下的输入电压分量u_α和u_β，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]$

(1.2)计算输入相电压空间矢量的幅值|U_i|

$\left|U_i\right|=\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}$

由u_α、u_β和用户设定的输入功率因数角

得到输入电流空间矢量所在扇区内的相对位置角θ_k和扇区号I_num

当u_α≠0时，

当u_α＝0时，

电流扇区号I_num＝fix(3*θ_k/π)+1

式中mod(x，y)函数运算表示x除以y的余数，fix(x)函数运算表示将x取整，

的取值范围为0～90°；

(1.3)根据用户设定的三相输出电压u_A，u_B，u_C，对其进行三相-两相变换，得到两相静止坐标系下的输入电压分量u_d和u_q，

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right]$

(1.4)计算输出相电压空间矢量的幅值|U_o|

$\left|U_o\right|=\sqrt{u_d^2+u_q^2};$

由u_d、u_q得到输出电压空间矢量所在扇区内的相对位置角θ_j和扇区号U_num

当u_d≠0时， ${\mathrm{\θ}}_j=\mathrm{mod}(\arctan \frac{U_q}{U_d},\frac{\mathrm{\π}}{3})$

当u_d＝0时， ${\mathrm{\θ}}_j=\frac{\mathrm{\π}}{6}$

扇区号U_num＝fix(3*θ_j/π)+1；

(2)计算矩阵变换器的电压调制系数m

$m=\frac{2}{\sqrt{3}}\frac{\left|U_o\right|}{\left|U_i\right|};$

(3)由实时计算的矩阵变换器空间矢量调制系数m、输出电压空间矢量所在扇区的相对位置角θ_j和输入电流空间矢量所在扇区的相对位置角θ_k计算出5个开关状态的占空比d_αM，d_αN，d_βM，d_βN，d₀或持续时间T_αM，T_αN，T_βM，T_βN，T₀

d_αM＝T_αM/T_s＝msin(π/3-θ_j)sin(π/3-θ_k)

d_αN＝T_αN/T_s＝msinθ_jsin(π/3-θ_k)

d_βM＝T_βM/T_s＝msin(π/3-θ_j)sinθ_k

d_βN＝T_βN/T_s＝msinθ_jsinθ_k

d₀＝T₀/T_s＝1-d_αM-d_αN-d_βM-d_βN

其中，T_s为开关周期；

(4)根据输入电流空间矢量的扇区号I_num和输出电压空间矢量的扇区号U_num确定调制周期中的5个开关状态及调制次序；

(5)换流控制电路根据5个开关状态的调制次序以及5个开关状态的占空比或持续时间安排矩阵变换器的9个双向功率开关的导通和关断，实现换流控制。

2.根据权利要求1所述的空间矢量调制方法，其特征在于，步骤(1)-(4)由数字信号处理器DSP TMS320LF2407实现，步骤(5)由现场可编程门阵列FPGAEP2C8T144C8实现。

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