CN102223079B

CN102223079B - 一种输入功率因数可调时的矩阵变换器调制方法

Info

Publication number: CN102223079B
Application number: CN 201110160179
Authority: CN
Inventors: 何必; 乔鸣忠; 蔡巍; 于飞; 朱鹏; 魏永清; 梁京辉
Original assignee: 何必
Current assignee: Jiangsu Zhenan Power Equipment Co Ltd
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: CN102223079A

Abstract

本发明公开一种输入功率因数可调时的矩阵变换器调制方法，若采用电流型换流策略，则对每个输出相连接各个输入相次序进行调整，使得每个输出相总是根据输入电压瞬时值大小，按照低压→中压→高压→中压→低压依次连接3个输入相电压，同时相应调整连接各个输入相的作用时间；若采用电压型换流策略，则对每个输出相连接各个输入相次序进行调整，在输入电压主区间内参照所述电流型换流策略进行，而在输入电压过渡区间内根据输入电压瞬时值大小，按照低压→高压→中压→高压→低压或者高压→低压→中压→低压→高压依次连接3个输入相电压，同时相应调整连接各个输入相的作用时间。本发明只对调制顺序进行前后调整，方法简单易行，优化了矩阵变换器的运行性能。

Description

一种输入功率因数可调时的矩阵变换器调制方法

技术领域

本发明涉及一种输入功率因数可调时的矩阵变换器的调制方法。

背景技术

三相矩阵变换器由9个双向功率开关按照3×3开关矩阵形式组合而成，如图1所示。其中S_ij(i＝a，b，c；j＝A，B，C)表示一个双向功率开关，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级晶体管(IGBT)采用“共发射极”结构构成，也可以由两个反并联的逆阻型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，分别用u_a，u_b，u_c表示，在矩阵变换器和电网之间接有输入滤波器。矩阵变换器的输出侧分别用A，B，C表示，通常接交流电机或者感性负载设备。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。

9个双向功率开关通断变化可以产生27种开关状态，通常用3个一组的字母表示。如：abb，表示矩阵变换器的输出A相通过双向功率开关S_aA与输入a相连接，输出B相通过双向功率开关S_bB与输入b相连接，输出C相通过双向功率开关S_bC与输入b相连接。27个开关状态对应产生24个有效矢量开关状态和3个零矢量开关状态。

根据空间矢量调制法的基本原理，由输入电流矢量区间和期望输出电压矢量区间，可以确定每个调制周期中的4个有效矢量开关状态、3个零矢量开关状态以及相对应的作用时间T₁、T₂、T₃、T₄、T₀₁、T₀₂、T₀₃，进而控制9个双向功率开关的导通和关断，实现对矩阵变换器的控制。其中，4个有效矢量开关状态的调制顺序按照开关切换次数最少来安排；而3个零矢量的选择和调制顺序可以根据消除窄脉冲的原则来安排。

矩阵变换器的输出电压矢量区间和输入电流矢量区间的划分如图2所示。以输出电压矢量和输入电流矢量均在1区间为例，采用双边调制时的调制顺序为：bbb-abb-aab-aaa-aac-acc-ccc-acc-aac-aaa-aab-abb-bbb，如图3a所示。7种开关状态的作用时间之和为调制周期T_s，它们将整个T_s纵向切割。而当矩阵变换器在每个调制周期T_s内进行开关状态切换时，对于每一个输出相来说，均是按照一定的规律按时段依次连接不同的输入相电压。从每个输出相上看，输出每相连接到输入三相的顺序均为u_b→u_a→u_c→u_a→u_b，只是每个输出相连接输入相的时间各不相同，这些时间为各个输出相从横向观察的作用时间，T_aA、T_bA、T_cA、T_aB、T_bB、T_cB、T_aC、T_bC、T_cC，共计9个，如图3b所示。

当设定的输入功率因数改变时，输入电压区间和输入电流区间的相对位置会发生改变，导致了在同一输入电流区间内，输入电压的相对关系会发生变化。在输入电流矢量1区间内，输出三相电压均按照u_b→u_a→u_c→u_a→u_b的调制顺序切换，当输入功率因数为1时，u_a＞u_b，u_a＞u_c，如图4a所示；而当输入功率因数超前约30度时，会出现u_a≈u_b接近两相换流的情况，如图4b中方框处所示；输入功率因数滞后约30度时，会出现u_a≈u_c接近两相换流的情况，如图4c中方框处所示。

上述后两种情况对于需要测量输入电压来进行换流的电压型换流策略来说，会引起短路现象，具体可参见Jochen Mahlein等人在2002年公开发表的论文“Matrix Converter Commutation Strategies With and Without Explicit InputVoltages Sign Measurement”(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)。林桦、何必等人于2007年申请的专利(申请号200710168370.6)“一种用于矩阵变换器的控制方法及其装置”，提出了一种避免接近两相换流的方法，但是该方法只适用于输入功率因数为1时的情况，而对于输入功率因数变化时无能无力。

此外，由于输出电压在输入电压之间选择、切换，不可避免地会带来开关损耗。半导体开关器件在开通和关断过程中其集电极电压、电流的升降过程是十分复杂的，在分析中通常近似地认为按照线性规律变化。通常IGBT的开通和关断损耗为其通态电流和断态c-e极端电压乘积的函数。在硬开关模式下，单管单次开通损耗能量E_on和关断损耗能量E_off分别为：

E_on＝U_{ce_off}I_ont_on/2

E_off＝U_{ce_off}I_ont_off/2

上式中，U_{ce_off}分别为IGBT处于断态时的电压，I_on为IGBT处于通态时的电流，t_on和t_off分别为开通和关断时间。

在同一输出电流情况下，IGBT断态c-e极端电压越小，引起的开关损耗就越小。输入功率因数为1时，在输入电流矢量1区间内，输出三相电压均按照u_b→u_a→u_c→u_a→u_b的调制顺序切换，而这时的三相输入电压总是满足u_a＞u_b、u_a＞u_c的条件，在任一输出电压上均会产生低(中)压→高压→中(低)压→高压→低(中)压的调制顺序，这种顺序中

之间的切换电压差最大，开关损耗也最大，其中也包括一些不必要的开关损耗。如何在保证安全换流的基础上做到开关损耗最小是需要改进和完善的。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种输入功率因数可调时的矩阵变换器调制方法，该调制方法可有效地保证矩阵变换器在输入功率因数可调时的换流安全，同时能较大限度地降低开关损耗，提高其变换效率。

技术方案：本发明所述的输入功率因数可调时的矩阵变换器的调制方法，其特征在于：首先确定输入功率因数，然后确定采用优化的空间矢量调制策略。

若采用电流型换流策略，则对每个输出相连接各个输入相次序进行调整，使得每个输出相总是根据输入电压瞬时值大小，按照低压→中压→高压→中压→低压依次连接3个输入相电压，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，从而保证该调制周期内的开关损耗达到最小；

若采用电压型换流策略，则对每个输出相连接各个输入相次序进行调整，在输入电压主区间内参照所述电流型换流策略进行，而在输入电压过渡区间内根据输入电压瞬时值大小，按照低压→高压→中压→高压→低压或者高压→低压→中压→低压→高压依次连接3个输入相电压，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，避免换流发生短路，保证换流安全。

本发明在不改变各个输出相连接3个输入相作用时间的前提下，只对其调制顺序进行前后调整，方法简单易行，优化和改进了矩阵变换器的运行性能。

本发明所述输入功率因数可调时的矩阵变换器调制方法，具体实现步骤包括：

(1)控制设定输入功率因数，根据传统的空间矢量调制原理和优化开关次数、消除窄脉冲的原则，确定每个调制周期T_s内4个有效矢量的开关状态和3个零矢量开关状态，并计算和合理配置7个开关状态对应的作用时间T₁、T₂、T₃、T₄、T₀₁、T₀₂、T₀₃，同时保证T₁+T₂+T₃+T₄+T₀₁+T₀₂+T₀₃＝T_s；

(2)依据7个开关状态以及对应的作用时间计算该调制周期内每个输出相分别连接3个输入相的作用时间，输出相为3相时应得到共计9个作用时间；

(3)检测比较3相输入电压的瞬时值大小，确定输入电压中的低压、中压、高压，若采用电流型换流策略，则进入步骤(4)，若采用电压型换流策略，则进入步骤(5)；

(4)各个输出相采用低压→中压→高压→中压→低压的调制顺序，依次连接3个输入相，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，所述作用时间由步骤(2)求得，然后进入步骤(9)；

(5)判断输入电压是否处于某两相接近的过渡区间，如果是，进入步骤(6)，否则进入步骤(4)；

(6)判断输入电压中的高、中、低压之间的关系，如果中压≈低压，进入步骤(7)，否则如果高压≈中压，进入步骤(8)；

(7)各个输出相采用低压→高压→中压→高压→低压的调制顺序，依次连接3个输入相，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，所述作用时间由步骤(2)求得，然后进入步骤(9)；

(8)各个输出相采用高压→低压→中压→低压→高压的调制顺序，依次连接3个输入相，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，所述作用时间由步骤(2)求得，然后进入步骤(9)；

(9)根据调整后每个输出相连接各个输入相的次序以及作用时间安排各个双向功率开关的导通和关断，实现换流控制。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明在输入功率因数可调时，已知确定了传统的调制顺序以及对应的导通时间后，只对调制顺序以及对应的导通时间进行调整，使得输出电压最大限度地在较小的输入电压之间切换，大大降低了系统的开关损耗，同时又避免了在接近两相之间的换流短路现象，保证了系统安全。本发明在不改变各个输出相连接3个输入相作用时间的前提下，不需要增加额外的硬件电路和控制，只需要调整各个输出相的调制顺序，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为输出电压矢量区间和输入电流矢量区间的划分图。

图3为传统空间矢量双边调制时的输出相电压波形。

图4采用传统调制策略，输入功率因数可调时的换流顺序。

图5为本发明实施方法的流程。

图6为r，s，t和输入a，b，c相的对应关系，U，V；W和输出A，B，C相的对应关系。

图7为按步骤(4)调整调制顺序前后的波形对比图。

图8为按步骤(7)调整调制顺序前后的波形对比图。

图9为按步骤(8)调整调制顺序前后的波形对比图。

图10为采用本发明提供实例的实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：本发明所述输入功率因数可调时的矩阵变换器调制方法，当采用电流型换流策略时，可对每个输出相连接各个输入相次序进行调整，使得每个输出相总是根据输入电压瞬时值大小，按照低压→中压→高压→中压→低压依次连接3个输入相电压，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，其目的是保证该调制周期内的开关损耗达到最小；若采用电压型换流策略时，同样可对每个输出相连接各个输入相次序进行调整，在输入电压主区间内可参照电流型换流策略进行，而在输入电压过渡区间内应根据输入电压瞬时值大小，按照低压→高压→中压→高压→低压或者高压→低压→中压→低压→高压依次连接3个输入相电压，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，其目的是避免换流发生短路，保证换流安全。

如图5所示，该方法的具体实现步骤包括：

(1)控制设定输入功率因数，根据传统的空间矢量调制原理和优化开关次数、消除窄脉冲的原则，确定每个调制周期T_s内4个有效矢量的开关状态和3个零矢量开关状态，并计算和合理配置7个开关状态对应的作用时间T₁、T₂、T₃、T₄、T₀₁、T₀₂、T₀₃，同时保证T₁+T₂+T₃+T₄+T₀₁+T₀₂+T₀₃＝T_s。

(2)依据7个开关状态以及对应的作用时间计算该调制周期内每个输出相分别连接3个输入相的作用时间，当输出相为3相时，应得到共计9个作用时间。

以输出电压矢量区间和输入电流矢量区间均在1区间为例。产生的4个有效矢量的开关状态和3个零矢量开关状态分别为abb、aab、aac、acc、bbb、aaa、ccc，对应的作用时间为T₁、T₂、T₃、T₄、T₀₁、T₀₂、T₀₃，图3a为其三相输出波形图。由上述状态和时间，参照图3a、图3b的对应关系，可以算出每个输出相分别连接3个输入相的作用时间，共计9个如下：

T_bA＝T₀₁，T_aA＝T₁+T₂+T₀₂+T₃+T₄，T_cA＝T₀₃；

T_bB＝T₀₁+T₁，T_aB＝T₂+T₀₂+T₃，T_cA＝T₄+T₀₃；

T_bC＝T₀₁+T₁+T₂，T_aB＝T₀₂，T_cA＝T₃+T₄+T₀₃。

将上述时间关系推广到不同的输入电压矢量区间和输入电流矢量区间组合情况，可得如下式计算9个作用时间：

T_rU＝T₀₁，T_sU＝T₁+T₂+T₀₂+T₃+T₄，T_tU＝T₀₃；

T_rv＝T₀₁+T₁，T_sv＝T₂+T₀₂+T₃，T_tv＝T₄+T₀₃；

T_rw＝T₀₁+T₁+T₂，T_sw＝T₀₂，T_tw＝T₃+T₄+T₀₃。

在不同的输入电压矢量区间和输入电流矢量区间情况下，9个作用时间和7个矢量状态作用时间之间的对应关系不同，上式中r，s，t和输入三相电压a，b，c的对应关系、U，V，W和输出三相电压A，B，C的对应关系如图6所示。

(3)检测比较3相输入电压的瞬时值大小，确定输入电压中的低压、中压、高压，若采用电流型换流策略，则进入步骤(4)，若采用电压型换流策略，则进入步骤(5)。

(4)各个输出相采用低压→中压→高压→中压→低压的调制顺序，依次连接3个输入相，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，这些作用时间应按照步骤(2)求得，然后进入步骤(9)。

同样以输出电压矢量区间和输入电流矢量区间均在1区间为例。按照传统的空间矢量调制方式和步骤(2)，可得各个输出相均采用u_b→u_a→u_c→u_a→u_b调制顺序，其对应的作用时间顺序为：

输出A相 T_bA/2→T_aA/2→T_cA→T_aA/2→T_bA/2；

输出B相 T_bB/2→T_aB/2→T_cB→T_aB/2→T_bB/2；

输出C相 T_bC/2→T_aC/2→T_cCj→T_aC/2→T_bC/2。

假设步骤(3)检测的输入电压大小关系为u_b＜u_c＜u_a，采用步骤(4)中低压→中压→高压→中压→低压的调制顺序，应将各个输出相的调制顺序调整为u_b→u_c→u_a→u_c→u_b，其对应的作用时间顺序也改为：

输出A相 T_bA/2→T_cA/2→T_aA→T_cA/2→T_bA/2；

输出B相 T_bB/2→T_cB/2→T_aB→T_cB/2→T_bB/2；

输出C相 T_bC/2→T_cC/2→T_aC→T_cC/2→T_bC/2。

调整前后的输出电压波形如图7所示。推广到一般情况，在不同的输入电压矢量区间和输入电流矢量区间下，输入电压满足u_x＜u_y＜u_z，x，y，z∈a，b，c，x≠y≠z，则各个输出相的调制顺序应调整为u_x→u_y→u_z→u_y→u_x，其对应的作用时间顺序调整为：

输出A相 T_xA/2→T_yA/2→T_zA→T_yA/2→T_xA/2；

输出B相 T_xB/2→T_yB/2→T_zB→T_yB/2→T_xB/2；

输出C相 T_xC/2→T_yC/2→T_zC→T_yC/2→T_xC/2。

(5)判断输入电压是否处于某两相接近的过渡区间，如果是，进入步骤(6)，否则进入步骤(4)。

(6)判断输入电压中的高、中、低压之间的关系，如果中压≈低压，进入步骤(7)，否则如果高压≈中压，进入步骤(8)。

(7)各个输出相采用低压→高压→中压→高压→低压的调制顺序，依次连接3个输入相，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，这些作用时间应按照步骤(2)求得，然后进入步骤(9)；

以输出电压矢量区间和输入电流矢量区间均在4区间为例。按照传统的空间矢量调制方式和步骤(2)，可得各个输出相均采用u_b→u_a→u_c→u_a→u_b调制顺序，其对应的作用时间顺序为：

输出A相 T_bA/2→T_aA/2→T_cA→T_aA/2→T_bA/2；

输出B相 T_bB/2→T_aB/2→T_cB→T_aB/2→T_bB/2；

输出C相 T_bC/2→T_aC/2→T_cCj→T_aC/2→T_bC/2。

假设步骤(3)检测的输入电压大小关系为u_a＜u_b＜u_c，且u_a≈u_b，则采用步骤(7)中低压→高压→中压→高压→低压的调制顺序，应将各个输出相的调制顺序调整为u_a→u_c→u_b→u_c→u_a，其对应的作用时间顺序也改为：

输出A相 T_aA/2→T_cA/2→T_bA→T_cA/2→T_aA/2；

输出B相 T_aB/2→T_cB/2→T_bB→T_cB/2→T_aB/2；

输出C相 T_aC/2→T_cC/2→T_bC→T_cC/2→T_aC/2。

调整前后的输出电压波形如图8所示。推广到一般情况，在不同的输入电压矢量区间和输入电流矢量区间下，当输入电压位于过渡区间，满足u_x＜u_y＜u_z，且u_x≈u_y，x，y，z∈a，b，c，x≠y≠z，则各个输出相的调制顺序应调整为u_x→u_z→u_y→u_z→u_x，其对应的作用时间顺序调整为：

输出A相 T_xA/2→T_zA/2→T_yA→T_zA/2→T_xA/2；

输出B相 T_xB/2→T_zB/2→T_yB→T_zB/2→T_xB/2；

输出C相 T_xC/2→T_zC/2→T_yC→T_zC/2→T_xC/2。

(8)各个输出相采用高压→低压→中压→低压→高压的调制顺序，依次连接3个输入相，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，这些作用时间应按照步骤(2)求得，然后进入步骤(9)；

以输出电压矢量区间和输入电流矢量区间均在1区间为例。按照传统的空间矢量调制方式和步骤(2)，可得各个输出相均采用u_b→u_a→u_c→u_a→u_b调制顺序，其对应的作用时间顺序为：

输出A相 T_bA/2→T_aA/2→T_cA→T_aA/2→T_bA/2；

输出B相 T_bB/2→T_aB/2→T_cB→T_aB/2→T_bB/2；

输出C相 T_bC/2→T_aC/2→T_cCj→T_aC/2→T_bC/2。

假设步骤(3)检测的输入电压大小关系为u_c＜u_b＜u_a，且u_a≈u_b，则采用步骤(8)中高压→低压→中压→低压→高压的调制顺序，应将各个输出相的调制顺序调整为u_a→u_c→u_b→u_c→u_a，其对应的作用时间顺序也改为：

输出A相 T_aA/2→T_cA/2→T_bA→T_cA/2→T_aA/2；

输出B相 T_aB/2→T_cB/2→T_bB→T_cB/2→T_aB/2；

输出C相 T_aC/2→T_cC/2→T_bC→T_cC/2→T_aC/2。

调整前后的输出电压波形如图9所示。推广到一般情况，在不同的输入电压矢量区间和输入电流矢量区间下，当输入电压位于过渡区间，满足u_x＜u_y＜u_z，且u_y≈u_z，x，y，z∈a，b，c，x≠y≠z，则各个输出相的调制顺序应调整为u_z→u_x→u_y→u_x→u_y，其对应的作用时间顺序调整为：

输出A相 T_zA/2→T_xA/2→T_yA→T_xA/2→T_zA/2；

输出B相 T_zB/2→T_xB/2→T_yB→T_xB/2→T_zB/2；

输出C相 T_zC/2→T_xC/2→T_yC→T_xC/2→T_zC/2。

上述调整调制方法的实施如图10所示，其中步骤(1)和(2)由数字信号处理器DSP TMS320F28335实现，控制程序用C语言编写，步骤(3)～(9)由现场可编程门阵列FPGAEP2C8T144C8实现，其中步骤(9)换流控制电路控制程序为已有技术。

从调整方法上看，为了降低开关损耗采用步骤(4)的按电压顺序调制，而为了避免电压型换流策略接近两相之间的换流短路现象，则采用步骤(7)、(8)将大压差电压放在调制顺序中间，两种方法的调制顺序正好相反。因此，在电压型换流策略的实际应用中必须折衷考虑两部分的影响，合理选择过渡区间的范围，使得在保证安全换流的基础上，尽可能的降低开关损耗，而若全程使用电流型换流策略则不存在上述步骤(7)、(8)的调制过程。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims

1.一种输入功率因数可调时的矩阵变换器调制方法，其特征在于：首先确定输入功率因数，然后确定采用优化的空间矢量调制策略；

若采用电流型换流策略，则对每个输出相连接各个输入相次序进行调整，使得每个输出相总是根据输入电压瞬时值大小，按照低压→中压→高压→中压→低压依次连接3个输入相电压，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，从而保证调制周期内的开关损耗达到最小；

若采用电压型换流策略，则对每个输出相连接各个输入相次序进行调整，在输入电压主区间内参照所述电流型换流策略进行，而在输入电压过渡区间内根据输入电压瞬时值大小，按照低压→高压→中压→高压→低压或者高压→低压→中压→低压→高压依次连接3个输入相电压，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，避免换流发生短路；

该方法的具体实现步骤包括：

（1）控制设定输入功率因数，根据传统的空间矢量调制原理和优化开关次数、消除窄脉冲的原则，确定每个调制周期T _s内4个有效矢量的开关状态和3个零矢量开关状态，并计算和合理配置7个开关状态对应的作用时间T ₁、T ₂、T ₃、T ₄、T ₀₁、T ₀₂、T ₀₃，同时保证T ₁+T ₂+T ₃+T ₄+T ₀₁+T ₀₂+T ₀₃=T _s；

（2）依据7个开关状态以及对应的作用时间计算该调制周期内每个输出相分别连接3个输入相的作用时间，输出相为3相时应得到共计9个作用时间；

（3）检测比较3相输入电压的瞬时值大小，确定输入电压中的低压、中压、高压，若采用电流型换流策略，则进入步骤（4），若采用电压型换流策略，则进入步骤（5）；

（4）各个输出相采用低压→中压→高压→中压→低压的调制顺序，依次连接3个输入相，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，所述作用时间由步骤（2）求得，然后进入步骤（9）；

（5）判断输入电压是否处于某两相接近的过渡区间，如果是，进入步骤（6），否则进入步骤（4）；

（6）判断输入电压中的高、中、低压之间的关系，如果中压≈低压，进入步骤（7），否则如果高压≈中压，进入步骤（8）；

（7）各个输出相采用低压→高压→中压→高压→低压的调制顺序，依次连接3个输入相，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，所述作用时间由步骤（2）求得，然后进入步骤（9）；

（8）各个输出相采用高压→低压→中压→低压→高压的调制顺序，依次连接3个输入相，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，所述作用时间由步骤（2）求得，然后进入步骤（9）；

（9）根据调整后每个输出相连接各个输入相的次序以及作用时间安排各个双向功率开关的导通和关断，实现换流控制。