CN103281028A - 一种基于双级矩阵变换器的起动/发电系统的起动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双级矩阵变换器的起动/发电系统的起动控制方法。由于双级矩阵变换器没有自然的续流通道，起动时需要通过调制策略保证电机电枢电流有流通回路。本发明采用的控制方法为：双级矩阵变换器单向开关侧工作于不控整流方式，导通二极管所对应的开关管需要配合导通，但为了防止电源短路需要在换相时加入死区；双向开关侧采用电压空间矢量调制，在单向开关侧死区时需要选择使电机电枢电流有流通回路的有效矢量，同时采用合适的作用时间以补偿死区对系统性能的不良影响。该控制方法提高了系统的安全性和可靠性，并在一定程度上提高了系统的性能。

Description

一种基于双级矩阵变换器的起动/发电系统的起动控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于双级矩阵变换器(TSMC)的起动/发电系统的起动控制方法，以及其死区补偿策略。

背景技术

近年来，电机技术和电力电子技术发展迅猛，促进了对起动/发电双功能系统的研究。起动/发电一体化技术可以去除传统的起动机，简化发动机结构，减轻系统重量，提高系统可靠性。起动/发电一体化技术首先出现在航空系统，是实现未来飞机多电和全电化的关键技术之一，且在坦克、汽车等领域里，也展现出良好的应用前景。

在起动/发电系统中，功率变换器是其中的重要组成部分之一。在目前的研究中，起动/发电系统大多采用交－直－交变换器，但是交－直－交变换器存在含有储能电容、难以实现双向功率流动等缺点。矩阵变换器作为一种新型高可靠性、易于实现能量双向传递的直接交交变换器，成为起动/发电系统的一个新的研究内容。传统的矩阵变换器虽然具有输入输出特性好、输入功率因数可控、能量双向流动、没有储能电容、结构紧凑等优点，但其换流策略、箝位电路复杂，难以广泛在工业中应用。双级矩阵变换器不仅继承了传统矩阵变换器的优点，同时也克服了一些缺陷，其换流方法简单、控制策略灵活、箝位电路结构简单。

现有的双级矩阵变换器大多将双向开关侧作为整流级，单向开关侧作为逆变级。基于双级矩阵变换器的起动/发电系统中，以考虑发电性能为主，因此一般情况下也将电机与TSMC的双向开关侧相连。目前，针对电励磁或混合励磁同步电机，已经提出的基于双级矩阵变换器的起动/发电系统结构如图1所示，这种结构在双级矩阵变换器两侧各设置一组带切换开关的滤波器，通过改变系统硬件结构来实现起动功能。其起动时单向开关侧采用二级管不控整流，单向开关全部关断，工作于整流状态；双向开关侧采用成熟的逆变器控制策略，工作于逆变状态^[1]。然而这种控制方法存在安全隐患，当电机功率因数角大于30°时，直流母线电流将反向，即从电机侧流向电源侧，而由于二极管的单向电流流动特性，电流不能反向流通，在直流母线上会产生电压尖峰损坏功率器件。因此，需要确保整个系统存在流通回路，本发明将单向开关侧导通二极管对应的开关管开通，以保证电流存在流通回路。但是为了防止电源短路，开关管间需要加入死区，死区时反向电流无法从单向开关侧流通，双向开关侧可以采用零矢量配合以保证电机电流有回路。而死区时双向开关侧采用零矢量会带来电流畸变、转矩跌落等不良影响，因此本发明提出了一种死区补偿策略以提高死区时的系统性能。

发明内容

本发明的目的是在基于双级矩阵变换器的起动/发电系统中，采用较为简单的调制策略，弥补TSMC没有自然续流通道的问题，并针对死区的不良影响进行补偿，使整个系统安全、高效地实现起动功能。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于双级矩阵变换器的起动/发电系统的起动控制方法，其中双级矩阵变换器5，前级为双向开关侧51，后级为单向开关侧52，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1：控制器9发出控制信号，系统进入起动状态；

步骤2：通过电压检测电路6采样电源7电压（u _A、u _B、u _C）并传输给控制器9；根据检测到的三相电源电压大小，控制单向开关侧52开关管的状态，通过驱动电路8驱动单向开关52；并设置死区信号93，死区信号93为1表示处于死区，为0表示非死区；

步骤3：通过电流检测电路4采样起动/发电机2电流（i _a、i _b、i _c）并传输给控制器9；该电流（i _a、i _b、i _c）经过abc/dq坐标变换计算dq轴电流i _d、i _q；给定d轴电流期望值i _d ^*为0，q轴电流期望值i _q ^*为起动时要求的电机电流幅值，常规取3~5倍的电机额定电流，软件中取4倍的额定电流；dq轴电流给定值（i _d ^*、i _q ^*）与实际值（i _d、i _q）做差后经过PI调节器计算出电机电压dq轴分量的标幺值u _od*、u _oq*。

步骤4：上述u _od*、u _oq*经过dq/αβ坐标变换计算电机电压αβ轴分量的标幺值u _{o α *}、u _{o β *}，从而通过式(1)计算出电压调制比m _v和矢量角度θ _v：

(1)

根据求得的m _v和θ _v对双向开关侧51进行调制：如果死区信号93为0，即可采用常规的电压空间矢量调制；如果死区信号93为1，采用死区补偿策略，通过式(2)计算得到各矢量的占空比：

(2)

式中，

、

、

为后级死区时前级有效矢量和零矢量对应的开关占空比，通过驱动电路8驱动双向开关51；

步骤5：控制器9比较电机转速与起动/发电切换转速（由原动机1点火转速决定）的关系，若电机转速小于起动/发电切换转速，则回到步骤2，否则结束起动进入切换状态。

步骤2具体分为以下几个步骤：

步骤2a：检测到的电源7电压（u _A、u _B、u _C）经过abc/αβ坐标变换计算αβ轴电压u _{i α}、u _{i β}，从而计算得到电源电压幅值U _im：

(3)

根据U _im计算得到门限电压u _th为：

(4)

式中，f _in为电源电压频率，f _s为开关频率，k为设置死区裕量的系数，k可取大于1的数，软件中取1.5；

步骤2b：比较检测到的电源电压大小关系，控制双级矩阵变换器单向开关侧52开关管的状态，并设置死区信号93：

①如果为u _A>u _C>u _B，则比较u _C−u _B与门限电压u _th的关系：

如果u _C−u _B>u _th，则将死区信号93置0，控制双向开关侧开关管S_Ap、S_Bn状态为1，表示导通，其余双向开关管状态为0，表示关断；

如果u _C−u _B≤u _th，将死区信号93置1，控制开关管S_Bn状态为0，其余双向开关管状态不变；

②如果为u _A>u _B>u _C，则比较u _A−u _B与门限电压u _th的关系：

如果u _A−u _B>u _th，则将死区信号93置0，控制双向开关侧开关管S_Ap、S_Cn状态为1，其余双向开关管状态为0；

如果u _A−u _B≤u _th，将死区信号93置1，控制开关管S_Ap状态为0，其余双向开关管状态不变；

③如果为u _B>u _A>u _C，则比较u _A−u _C与门限电压u _th的关系：

如果u _A−u _C>u _th，则将死区信号93置0，控制双向开关侧开关管S_Bp、S_Cn状态为1，其余双向开关管状态为0；

如果u _A−u _C≤u _th，将死区信号93置1，控制开关管S_Cn状态为0，其余双向开关管状态不变；

④如果为u _B>u _C>u _A，则比较u _B−u _C与门限电压u _th的关系：

如果u _B−u _C>u _th，则将死区信号93置0，控制双向开关侧开关管S_Bp、S_An状态为1，其余双向开关管状态为0；

如果u _B−u _C≤u _th，将死区信号93置1，控制开关管S_Bp状态为0，其余双向开关管状态不变；

⑤如果为u _C>u _B>u _A，则比较u _B−u _A与门限电压u _th的关系：

如果u _B−u _A>u _th，则将死区信号93置0，控制双向开关侧开关管S_Cp、S_An状态为1，其余双向开关管状态为0；

如果u _B−u _A≤u _th，将死区信号93置1，控制开关管S_An状态为0，其余双向开关管状态不变；

⑥如果为u _C>u _A>u _B，则比较u _C−u _A与门限电压u _th的关系：

如果u _C−u _A>u _th，则将死区信号93置0，控制双向开关侧开关管S_Cp、S_Bn状态为1，其余双向开关管状态为0；

如果u _C−u _A≤u _th，将死区信号93置1，控制开关管S_Cp状态为0，其余双向开关管状态不变。

本发明的有益效果如下：

1)本发明的起动控制方法能保证整个系统在正常运行时有流通通路，不会因为反向电流没有流通回路而在直流母线上产生电压尖峰，增加了系统的安全性和可靠性。

2)本发明的死区补偿策略能减小电机转矩跌落，提高了系统起动性能。

附图说明

图1 现有的基于双级矩阵变换器的起动/发电系统硬件结构；

图2 基于双级矩阵变换器的起动/发电系统起动时的结构框图；

图3 单向开关侧电压扇区划分及开关状态；

图4 单向开关侧死区换流示意图；

图5 电压空间矢量的扇区划分；

图6 双向开关侧的矢量作用示意图；

图7 各扇区电压电流示意图；

图8 扇区Ⅲ中有效矢量对应电流状态，其中8(a) U ₃作用、8(b) U ₄作用；

图9 仿真波形，其中9(a)直流母线电压波形，9(b)直流母线电流压波形，9(c)死区时没有补偿策略的转矩波形，9(d)死区时采用死区补偿策略的转矩波形。

具体实施方式

本发明公开了一种基于双级矩阵变换器的起动/发电系统的起动控制方法，其起动时的系统结构框图如图2所示，起动/发电机2与双级矩阵变换器的前级51（双向开关侧）相连，而后级52（单向开关侧）与电源7相连。图中S_ij为开关，i∈{a, b, c, A, B, C}，j∈{p, n}；u _A、u _B、u _C为电源侧电压；u _a、u _b、u _c为电机侧电压；定义从电源侧流向电机侧为直流母线电流i _dc的正方向。以下结合附图对本发明的控制方法进行具体的描述：

（1）单向开关侧调制单元94：由于矩阵变换器没有自然续流通道，如果后级只采用二极管整流，那么当直流母线电流从电机侧流向电源侧时，由于二极管的单向电流流动特性，电流不能反向流通，会在直流母线侧产生电压尖峰损坏功率器件。因此，可借鉴同步整流的思想，使后级导通二极管所对应的开关管配合导通，给回馈至直流侧的电流提供流通通道。要注意的是，导通的开关管必须要与所导通的二极管保持一致，不能出现提前导通或滞后关断的情况，否则会引起电源短路。

通过电压检测电路6采样电源7电压u _A、u _B、u _C，经过abc/αβ坐标变换计算αβ轴电压u _{i α}、u _{i β}：

(1)

从而计算得到电源电压幅值U _im：

(2)

根据U _im计算得到门限电压u _th为：

(3)

式中，f _in为电源电压频率，f _s为开关频率，k为设置死区裕量的系数，k可取大于1的数。

根据输入电源电压的大小划分扇区，如图3所示。以扇区1为例，比较此时检测到的电源电压大小关系，可得到u _A>u _C>u _B，则比较u _C−u _B与门限电压u _th的关系：如果u _C−u _B>u _th，则将死区信号93置0，控制双向开关侧开关管S_Ap、S_Bn状态为1，表示导通，其余双向开关管状态为0，表示关断；如果u _C−u _B≤u _th，则将死区信号93置1，控制开关管S_Bn状态为0，其余双向开关管状态不变。

由此可得其他各个扇区的开关状态，如图3所示。图4为上述切换时的开关状态，死区时间为t ₁到t ₂，先关断需要关断的开关管，再导通需要开通的开关管。

（2）电机电流闭环单元91：通过电流检测电路4采样起动/发电机2电流i _a、i _b、i _c，经过abc/dq坐标变换计算dq轴电流i _d、i _q：

(4)

式中，φ为光电编码盘3将信号传给控制器9后换算得到的电机位置角度。

对dq轴电流进行闭环控制，给定d轴电流期望值i _d ^*为0，q轴电流期望值i _q ^*为起动时要求的电机电流幅值，常规取3~5倍的电机额定电流，软件中取4倍的额定电流。dq轴电流给定值（i _d ^*、i _q ^*）与实际值（i _d、i _q）做差后经过PI调节器计算出电机电压dq轴分量的标幺值u _od*、u _oq*：

(5)

式中，k _p和k _i为电机电流环PI参数，s为复频域算子。

（3）双向开关侧调制单元92：u _od*、u _oq*经过dq/αβ坐标变换计算电机电压αβ轴分量的标幺值u _{o α *}、u _{o β *}：

(6)

从而通过式(7)计算出电压调制比m _v和矢量角度θ _v：

(7)

①如果后级非死区：前级采用常规空间矢量调制策略（SVPWM），常见的扇区划分如图5所示。图中 U ₁~ U ₆为有效矢量， U ₀、 U ₇为零矢量；括号中数字分别代表abc三相开关导通状态，其中“1”表示上桥臂导通，“0”表示下桥臂导通。输出矢量 U _out可由所在扇区边界的两个非零矢量 U _α和 U _β和零矢量( U ₀、 U ₇)合成得到，如图6所示。各矢量占空比的表达式如下：

(8)

式中，d _α、d _β为相邻有效矢量对应的开关占空比，d ₀为零矢量对应的开关占空比。

②如果后级死区：在i _d ^*=0的矢量控制下，电机功率因数角大于0°（电压超前电流），当负载越大、电机电流越大时，电机功率因数角也越大。当电机功率因数角大于30°时会产生从电机流向电源的电流，即反向电流，此时若后级处于死区期间，电流没有通路则会在直流母线上产生电压尖峰。以扇区Ⅲ为例，如图5所示，作用的矢量为有效矢量 U ₃、 U ₄和零矢量 U ₀、 U ₇。假设电机功率因数角为30°+θ（θ=θ ₂-θ ₁），电压电流示意图如图7所示，图中i _a、i _b、i _c为电机电流，电流为正表示电流流入电机。图8为扇区Ⅲ中有效矢量对应电流状态，电流参考方向如图所示。 U ₃(010)作用时，b相上桥臂导通，a、c相下桥臂导通，如图8(a)所示，直流母线电流i _dc=i _b=−i _a−i _c，从图7中可以看出i _b在整个扇区始终为正，i _dc>0，即 U ₃作用不会出现反向电流； U ₄(011)作用时，b、c相上桥臂导通，a相下桥臂导通，如图8(b)所示，直流母线电流i _dc=i _b+i _c=−i _a，从图7中可以看出i _a在θ ₁ ~ θ ₂角度内为正，即−i _a为负，i _dc<0，此时出现反向电流； U ₀(000)作用时，a、b、c相下桥臂导通，直流母线电流i _dc=0，不会出现反向电流， U ₇(111)作用时情况与 U ₀类似。

根据上述分析，当后级死区期间且电机功率因数角为30°+θ时，在扇区Ⅲ中，零矢量和 U ₃作用下在任意时刻电流都不会出现反向电流，有流通回路，而 U ₄作用时在θ ₁ ~ θ ₂角度内将出现反向电流，由于后级死区时二极管的单向电流流动特性致使电流没有回路。因此，后级死区时，可将 U ₄用零矢量或 U ₃代替。而如果将 U ₄用零矢量代替，合成矢量幅值不够，可能仍会有较大的转矩跌落；如果将 U ₄用 U ₃代替，合成矢量幅值增大，可能使转矩突增。因此，采用所提出的死区补偿策略：将期望输出矢量 U _out向 U ₃上做投影，使得输出矢量能在 U ₃上得到最大程度的运用，此时可以补偿一些由于 U ₄没有作用而带来的幅值跌落，同时也不会让幅值增大而产生尖峰。

当后级死区时， U _β不作用， U _out向 U _α上做投影即为 U _α的矢量长度，如图6所示，死区时各矢量占空比的表达式如下：

(9)

式中，

、

、

为后级死区时前级有效矢量和零矢量对应的开关占空比。

由于死区时前级作用的有效矢量减少，开关的作用顺序变化，为了减少开关切换次数、减小开关损耗，可能需要相应地改变所作用的零矢量。非死区时，扇区Ⅲ的矢量作用顺序为 U ₀→ U ₃→ U ₄→ U ₇→ U ₄→ U ₃→ U ₀；死区时， U ₄不作用，则矢量作用顺序为 U ₀→ U ₃→ U ₇→ U ₃ → U ₀。而 U ₃变换为 U ₇时需要切换2个开关，因此可以将 U ₇变换为 U ₀，即矢量作用顺序变为 U ₀→ U ₃→ U ₀→ U ₃→ U ₀。依此可得其它各个扇区在死区时的矢量作用情况，如表1所示。

表1 死区时各扇区作用矢量

扇区

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

有效矢量

U 1

U 2

U 3

U 4

U 5

U 6

中间零矢量

U 0

U 7

U 0

U 7

U 0

U 7

采用以上调制策略可以保证系统始终存在流通回路，不会因为反向电流没有流通回路而在直流母线上产生电压尖峰；同时前级在后级死区时采用死区补偿策略能减小电机转矩跌落。

下面介绍本发明的一个仿真实例。

根据本发明所提出的控制算法以及死区补偿策略，建立了基于双级矩阵变换器的起动/发电系统的仿真模型，仿真结果验证了控制算法及死区补偿策略的有效性和可行性。采用此方法，系统始终存在流通通道，因此直流母线电压没有尖峰，如图9(a)所示；直流母线电流如图9(b)所示，其中负值电流（i _dc<0）即为流向电源侧的电流，说明了流通通路建立的有效性。死区时，比较有无死区补偿策略的转矩波形（图9(c)(d)），图9(c)为没有死区补偿策略的转矩波形，死区时前级仅采用零矢量，其转矩跌落很大；图9(d)为在死区时采用死区补偿策略的转矩波形，可以发现由于有效矢量补偿了一些幅值跌落，其转矩跌落现象大大减小。

参考文献：

[1] 刘晓宇,周波,史明明,等. 基于双级矩阵变换器的交流起动/发电系统及其控制方法：中国, 201210067858.0[P]. 2012.03.15。

Claims (2)

1.一种基于双级矩阵变换器的起动/发电系统的起动控制方法，其中双级矩阵变换器5，前级为双向开关侧（51），后级为单向开关侧（52），其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1：控制器（9）发出控制信号，系统进入起动状态；

步骤2：通过电压检测电路（6）采样电源（7）电压（u _A、u _B、u _C）并传输给控制器（9）；根据检测到的三相电源电压大小，控制单向开关侧（52）开关管的状态，通过驱动电路8驱动单向开关（52）；并设置死区信号（93），死区信号（93）为1表示处于死区，为0表示非死区；

步骤3：通过电流检测电路（4）采样起动/发电机（2）电流（i _a、i _b、i _c）并传输给控制器（9）；该电流（i _a、i _b、i _c）经过abc/dq坐标变换计算dq轴电流i _d、i _q；给定d轴电流期望值i _d ^*为0，q轴电流期望值i _q ^*为起动时要求的电机电流幅值；dq轴电流给定值（i _d ^*、i _q ^*）与实际值（i _d、i _q）做差后经过PI调节器计算出电机电压dq轴分量的标幺值u _od*、u _oq*；

步骤4：上述u _od*、u _oq*经过dq/αβ坐标变换计算电机电压αβ轴分量的标幺值u _{o α*}、u _{o β*}，从而通过式(1)计算出电压调制比m _v和矢量角度θ _v：

(1)

根据求得的m _v和θ _v对双向开关侧（51）进行调制：如果死区信号（93）为0，即可采用常规的电压空间矢量调制；如果死区信号（93）为1，进行死区补偿，并通过式(2)计算得到各矢量的占空比：

(2)

式中，

、、

为后级死区时前级有效矢量和零矢量对应的开关占空比，通过驱动电路（8）驱动双向开关（51）；

步骤5：控制器（9）比较电机转速与起动/发电切换转速的关系，若电机转速小于起动/发电切换转速，则回到步骤2，否则结束起动进入切换状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于双级矩阵变换器的起动/发电系统的起动控制方法，其特征在于，步骤2具体分为以下几个步骤：

步骤2a：检测到的电源7电压（u _A、u _B、u _C）经过abc/αβ坐标变换计算αβ轴电压u _{i α}、u _{i β}，从而计算得到电源电压幅值U _im：

(3)

根据U _im计算得到门限电压u _th为：

(4)

式中，f _in为电源电压频率，f _s为开关频率，k为设置死区裕量的系数，k可取大于1的数，软件中取1.5；

步骤2b：比较检测到的电源电压大小关系，控制双级矩阵变换器单向开关侧52开关管的状态，并设置死区信号93：

①如果为u _A>u _C>u _B，则比较u _C−u _B与门限电压u _th的关系：

如果u _C−u _B>u _th，则将死区信号93置0，控制双向开关侧开关管S_Ap、S_Bn状态为1，表示导通，其余双向开关管状态为0，表示关断；

如果u _C−u _B≤u _th，将死区信号93置1，控制开关管S_Bn状态为0，其余双向开关管状态不变；

②如果为u _A>u _B>u _C，则比较u _A−u _B与门限电压u _th的关系：

如果u _A−u _B>u _th，则将死区信号93置0，控制双向开关侧开关管S_Ap、S_Cn状态为1，其余双向开关管状态为0；

如果u _A−u _B≤u _th，将死区信号93置1，控制开关管S_Ap状态为0，其余双向开关管状态不变；

③如果为u _B>u _A>u _C，则比较u _A−u _C与门限电压u _th的关系：

如果u _A−u _C>u _th，则将死区信号93置0，控制双向开关侧开关管S_Bp、S_Cn状态为1，其余双向开关管状态为0；

如果u _A−u _C≤u _th，将死区信号93置1，控制开关管S_Cn状态为0，其余双向开关管状态不变；

④如果为u _B>u _C>u _A，则比较u _B−u _C与门限电压u _th的关系：

如果u _B−u _C>u _th，则将死区信号93置0，控制双向开关侧开关管S_Bp、S_An状态为1，其余双向开关管状态为0；

如果u _B−u _C≤u _th，将死区信号93置1，控制开关管S_Bp状态为0，其余双向开关管状态不变；

⑤如果为u _C>u _B>u _A，则比较u _B−u _A与门限电压u _th的关系：

如果u _B−u _A>u _th，则将死区信号93置0，控制双向开关侧开关管S_Cp、S_An状态为1，其余双向开关管状态为0；

如果u _B−u _A≤u _th，将死区信号93置1，控制开关管S_An状态为0，其余双向开关管状态不变；

⑥如果为u _C>u _A>u _B，则比较u _C−u _A与门限电压u _th的关系：

如果u _C−u _A>u _th，则将死区信号93置0，控制双向开关侧开关管S_Cp、S_Bn状态为1，其余双向开关管状态为0；

如果u _C−u _A≤u _th，将死区信号93置1，控制开关管S_Cp状态为0，其余双向开关管状态不变。

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