CN103366042A - 适用于矩阵变换器开关控制的c语言编程s函数建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于矩阵变换器开关控制的C语言编程S函数建模方法，包括以下步骤：矩阵变换器的空间矢量调制；通过一个开关周期内开关组合排列次序的改变，得到优化的开关矢量序列；C语言编程的S函数建模，系统仿真模型的建立。本发明分别采用Power System工具箱中S函数C语言编程方法建立了矩阵变换器控制系统的仿真模型，仿真速度快，能迅速准确地控制开关的开断，系统运行效果好，并很容易转化为实际的控制程序；此外，在仿真系统参数变化时，可以高效快速地跟踪矩阵变换器性能的变化情况，为深入的理解与设计这种矩阵变换器样机系统提供了有利的工具。

Description

适用于矩阵变换器开关控制的C语言编程S函数建模方法

技术领域

本发明属于矩阵变换器技术领域，尤其涉及一种适用于矩阵变换器开关控制的C语言编程S函数建模方法。

背景技术

矩阵变换器是一种新型的拓扑结构，与传统的交-交变频器相比，自身具有很多的显著优点，成为近30多年来国内外专家在交-交变频技术方面研究的热点话题。

相比于传统的AC-DC-AC变换器，矩阵变换器不需要大电容来储存能量，电子元器件也比较少，从而达到良好的总体运行效果，然而矩阵变换器也有他不好的方面，譬如在电路中需要大量的半导体器件，这就大大增加了控制系统的难度。

对矩阵变换器的研究，仿真是一种非常有效的方式，从国内外的学者在这方面所做的研究来看，在构建SVPWM仿真模型时，绝大多数学者使用Simulink中现有的模块来搭建或使用M文件的S-函数来实现的，前者模型比较复杂，而后者效率低下，因为Matlab是解释性的语言，在仿真时对于M文件中的所有语句都需要Matlab解释器。目前，矩阵变换器仿真效率低，控制系统繁琐。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种适用于矩阵变换器开关控制的C语言编程S函数建模方法，旨在解决现有矩阵变换器仿真效率低，控制系统繁琐的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种适用于矩阵变换器开关控制的C语言编程S函数建模方法，所述矩阵变换器的开关控制方法包括以下步骤：

矩阵变换器的空间矢量调制理论分析；

通过改变一个开关周期内开关组合的次序，得到优化的开关矢量序列；

C语言编程的S函数建模技术实现矩阵变换器的空间矢量调制算法；

系统仿真模型的建立。

进一步，所述矩阵变换器的空间矢量调制还包括：虚拟AC-DC空间矢量调制和虚拟DC-AC空间矢量调制。

进一步，所述虚拟AC-DC空间矢量调制具体的步骤为：

输入电流空间矢量被分成6等分，每份跨度为60度，运用两个相邻矢量

和

通过输入移相角可以算出输入电流矢量

从而每个开关周期内的矢量占空比也可以计算出来，调制指数m_rec不可能超过1，因为当输入电流的峰值达到虚拟直流电流时，虚拟的直流线电压不可能全部获得，虚拟直流电压值可以通过调制来达到增加；

进一步，所述虚拟DC-AC空间矢量调制的具体步骤为：

根据给定的调制指数，和输入移相角Δ_inv，虚拟直流电压是一个常数，通过扇区的相邻空间电压矢量与输入移相角Δ_inv，可以计算出输出电压矢量及矢量的占空比；

进一步，所述仿真模型的建立还提供了计算空间矢量的占空比的具体步骤为：

定义宏参；

初始化；

输入输出电压相位角及所在扇区等的计算；

计算占空比和对应开关时间；

输出占空比和开关时间。

进一步，所述仿真模型的建立还提供了功能输出PWM信号的具体步骤为：

定义36种开关信号矩阵；

初始化；

根据扇区组合查表；

按优化序列分别开关组合；

依次输出开关序列PWM信号。

进一步，该方法通过改变开关矢量的序列，达到减少每个开关周期内平均开关切换次数，八开关矢量序列是一个中间是零矢量的两边对称的序列，矢量每变换一次始终只有一个开关状态改变。

进一步，计算出各矢量的占空比的主要步骤为：进行三相/两相坐标变换，计算输出线电压所在的扇区和输入输出角，判别调制策略和计算出各矢量的占空比。

本发明分别采用Power System工具箱中S函数模块，采用C语言编程的S函数方法建立了矩阵变换器控制系统的仿真模型，仿真速度快，能迅速准确地控制开关的开断，系统运行效果好，并很容易转化为实际的控制程序；此外，在仿真系统参数变化时，可以高效快速地跟踪矩阵变换器性能的变化情况，为深入的理解与设计这种矩阵变换器样机系统提供了有利的工具。

附图说明

图1是本发明实施例提供的矩阵变换器的拓扑结构示意图；

图2-图5是本发明实施例提供的逆变空间矢量的示意图；

图6本发明实施例提供的计算矢量占空比的流程图；；

图7本发明实施例提供的输出PWM的流程图；

图8本发明实施例提供的输出线电压图；

图9本发明实施例提供的输出相电压图；

图10本发明实施例提供的输出相电压频谱图；

图11本发明实施例提供的输入相电流图；

图12本发明实施例提供的输入相电流频谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，矩阵变换器是一个单级变换器，矩阵变换器的空间矢量调制，将矩阵变换器的直接交-交变频虚拟成交-直-交两种交换过程，矩阵变换器是由9个双向功率开关组成，矩阵变换器的等效拓扑结构图，当矩阵变换器运行时，同一输出相的任意两个开关不能同时导通，否则会导致输入两相短路，如果负载时感性负载，那么电流通道就要一直被提供，否则会导致感性负载开路而产生瞬间高压损坏器件，这就说明了同一输出相的三个双向开关在任何时刻有且只有一个导通。

如图2和图3所示，虚拟AC-DC空间矢量调制即输入电流空间矢量调制，输入电流空间矢量被分成6等分，每份跨度为60度，运用两个相邻矢量

和

通过输入移相角可以算出输入电流矢量

从而每个开关周期内的矢量占空比也可以计算出来，调制指数m_rec不可能超过1，因为当输入电流的峰值达到虚拟直流电流时，虚拟的直流线电压不可能全部获得，虚拟直流电压值可以通过调制来达到增加；公式一：

${\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{\β}}=\frac{2\·i_{\mathrm{DC}}}{\sqrt{3}}\·e^{\left(j\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)}$

$d_{\mathrm{\α}}=m_{\mathrm{rec}}\·\sin (\frac{\mathrm{\π}}{3}-{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{rec}})$

${\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{\α}}=\frac{2\·i_{\mathrm{DC}}}{\sqrt{3}}\·e^{(-j\frac{\mathrm{\π}}{6})}$

d_β＝m_rec·sin(Δ_rec)

${\stackrel{\→}{I}}_0=\stackrel{\→}{0}$

d₀＝1-d_α-d_β

$m_{\mathrm{rec}}=\frac{\widehat{I_{\mathrm{im}}}}{I_{\mathrm{DC}}}$

如图4和图5所示，虚拟DC-AC的空间矢量调制，根据给定的调制指数，和输入移相角Δ_inv，虚拟直流电压是一个常数，通过扇区的相邻空间电压矢量与输入移相角Δ_inv，可以计算出输出电压矢量及矢量的占空比；公式二为：

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{\λ}}=\frac{2\·v_{\mathrm{DC}}}{\sqrt{3}}\·e^{\left(j\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)}$

$d_{\mathrm{\γ}}=\frac{\widehat{V_{\mathrm{out}}}}{v_{\mathrm{DC}}}\·\sin (\frac{\mathrm{\π}}{3}-{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{inv}})$

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{\γ}}=\frac{2\·v_{\mathrm{DC}}}{\sqrt{3}}\·e^{(-j\frac{\mathrm{\π}}{6})}$

$d_{\mathrm{\λ}}=\frac{\widehat{V_{\mathrm{out}}}}{v_{\mathrm{DC}}}\·\sin \left({\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{inv}}\right)$

${\stackrel{\→}{V}}_0=\stackrel{\→}{0}$

d₀＝1-d_γ-d_λ

通过公式一和公式二，可以得出四种有效矢量的占空比，如下所示：

d₁＝d_γ·d_α＝m_mc·sin(60-Δ_inv)·sin(60-Δ_rec)

d₂＝d_λ·d_α＝m_mc·sin(Δ_inv)·sin(60-Δ_rec)

d₃＝d_γ·d_β＝m_mc·sin(60-Δ_inv)·sin(Δ_rec)

d₄＝d_λ·d_β＝m_mc·sin(Δ_inv)·sin(Δ_rec)

d₀＝1-d₁-d₂-d₃-d₄

d₁-d₄对应4种有效开关组合，d₀对应零开关组合。

获得的矩阵变换器开关控制策略见下表1：

在表1中，各个矢量的次序取决于整流和逆变扇区之和是奇数还是偶数，下面的表达式显示了开关矢量的导通次序。

偶数：N_rec+N_inv∈{0，2，4，6，8，10}

$\begin{array}{ccccccccc}\frac{d_{\mathrm{\λ\β}}}{2}& \frac{d_{\mathrm{\γ\β}}}{2}& \frac{d_{\mathrm{\γ\α}}}{2}& \frac{d_{\mathrm{\λ\α}}}{2}& d_0& \frac{d_{\mathrm{\λ\α}}}{2}& \frac{d_{\mathrm{\γ\α}}}{2}& \frac{d_{\mathrm{\γ\β}}}{2}& \frac{d_{\mathrm{\λ\β}}}{2}\end{array}$

如扇区为(0，0)时，根据该序列和以上开关表，开关序列为acc，aca，aba，abb，bbb，abb，aba，aca，acc。

奇数：N_rec+N_inv∈{1，3，5，7，9}

$\begin{array}{ccccccccc}\frac{d_{\mathrm{\γ\β}}}{2}& \frac{d_{\mathrm{\λ\β}}}{2}& \frac{d_{\mathrm{\λ\α}}}{2}& \frac{d_{\mathrm{\γ\α}}}{2}& d_0& \frac{d_{\mathrm{\γ\α}}}{2}& \frac{d_{\mathrm{\λ\α}}}{2}& \frac{d_{\mathrm{\λ\β}}}{2}& \frac{d_{\mathrm{\γ\β}}}{2}\end{array}$

如扇区为(0，0)时，根据该序列和以上开关表，开关序列为aca，acc，abb，aba，bbb，aba，abb，acc，aca。

其总的思路是：通过合理的改变开关矢量的序列，达到减少每个开关周期内平均开关切换次数，八开关矢量序列是一个中间是零矢量的两边对称的序列，矢量每变换一次始终只有一个开关状态改变。

相比于传统的控制策略，开关切换次数减少了10％，从而达到减少开关损耗的目的。

如图6和图7所示，矩阵变换器空间矢量调整策略的实现流程图，图5是计算出各矢量的占空比，其中涉及到的主要步骤为：进行三相/两相坐标变换，计算输出线电压所在的扇区和输入输出角，判别调制策略和计算出各矢量的占空比；图6的功能是输出PWM波，控制矩阵开关的开断，其中涉及到的步骤为：定义36种开关信号矩阵，判别调制策略，查找开关信号矩阵和输出PWM波形；

三相坐标到两相坐标(α-β系)的变换：

$U_{\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}(V_a-\frac{1}{2}(V_b+V_c))$

$U_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}(V_b-V_c)$

然后变换到极坐标下，得出输入电压矢量的相位角θ_in和幅值U_in：

$U_{\mathrm{in}}=\sqrt{U_{\mathrm{\α}}^2+U_{\mathrm{\β}}^2}$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{U_{\mathrm{\β}}}{U_{\mathrm{\α}}}$

调制系数mc的计算公式为：

$\mathrm{mc}=\frac{2}{\sqrt{3}}\·\frac{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{out}}\right|}{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{in}}\right|}$

其中，

为输出电压矢量，

为输入电压矢量。

仿真波形的分析：

主要参数设置：输入频率为50Hz，输入电压为三相对称电压，幅值为220V，输出频率为50Hz，调制指数为1，实际时间为0.5s，开关频率为10kHz，负载为R＝100Ω，L＝0.1H，运用MATLAB/SIMULINK进行仿真实验，按照图5所示，利用S-function模块，编制了两个基于C语言程序设计的S函数，其作用是，一个用来计算开关的占空比，另外一个根据占空比来输出PWM波形，控制开关的导通与关断。

矩阵变换器的输出线电压、输出相电压和输入电流如图8、图9和图11所示，在线性区，它们的平均值应为正弦。

如图10和12所示，可以得出，大量谐波组成集中在开关频率周围，低频的成分很难滤除，输出电压的尖峰信号出现在，f_sw±f_out等于2.5kHz、5kHz和7.5kHz附近，谐波主要出现在2.5kHz和5kHz附近，在7.5kHz周围的谐波含量少，输出的相电压中尖峰信号少，毛刺相对于传统的调制策略含量少，输出相电压波形比较规则，而输入电流的尖峰信号出现在f_sw±f_in等于2.5kHz、5kHz、7.5kHz和10kHz附近，一些很小的谐波组分布在尖峰信号附近，从电压和电流的频谱可以看出，谐波成分在3f_sw附近的含量很少。

以往我们课题组对输出频率100Hz、实际时间10ms，用PIII933MHz的CPU计算机仿真理想开关矩阵变换器系统运行和实际开关矩阵变换器系统(包括四步换流等)运行分别为约25分钟和18小时，换算成现在的计算机CPU，也分别为约11分钟和7.8小时；相同条件下，本发明实施例分别只要约0.1分钟和0.9分钟。可见是有明显效果的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于矩阵变换器开关控制的C语言编程S函数建模方法，其特征在于，所述的C语言编程S函数建模方法包括以下步骤：

矩阵变换器的空间矢量调制理论分析；

通过改变开关组合的次序，得到优化的开关矢量序列；

利用C语言编程的S函数建模技术实现矩阵变换器的空间矢量调制算法；

建立系统仿真模型。

2.如权利要求1所述的适用于矩阵变换器开关控制的C语言编程S函数建模方法，其特征在于，所述矩阵变换器的空间矢量调制还包括：虚拟AC-DC空间矢量调制和虚拟DC-AC空间矢量调制。

3.如权利要求2所述的适用于矩阵变换器开关控制的C语言编程S函数建模方法，其特征在于，所述虚拟AC-DC空间矢量调制具体的步骤为：

输入电流空间矢量被分成6等分，每份跨度为60度，运用两个相邻矢量

和通过输入移相角算出输入电流矢量从而每个开关周期内的矢量占空比也计算出来，调制指数m_rec不超过1，因为当输入电流的峰值达到虚拟直流电流时，虚拟的直流电压不能全部获得，虚拟直流电压值通过调制来增加。

4.如权利要求2所述的适用于矩阵变换器开关控制的C语言编程S函数建模方法，其特征在于，所述虚拟DC-AC空间矢量调制的具体步骤为：

根据给定的调制指数和输入移相角Δ_inv，虚拟直流电压是一个常数，通过扇区的相邻空间电压矢量与输入移相角Δ_inv，计算出输出电压矢量及矢量的占空比。

5.如权利要求1所述的适用于矩阵变换器开关控制的C语言编程S函数建模方法，其特征在于，所述仿真模型的建立还提供了计算空间矢量的占空比的具体步骤为：

定义宏参；

初始化；

计算输入输出电压相位角及所在扇区；

计算占空比和对应开关时间；

输出占空比和开关时间。

6.如权利要求1所述的适用于矩阵变换器开关控制的C语言编程S函数建模方法，其特征在于，所述仿真模型的建立还提供了功能输出PWM波的具体步骤为：

定义36种开关信号矩阵；

初始化；

根据扇区组合查表；

按优化序列分别开关组合；

依次输出开关序列PWM信号。

7.如权利要求1所述的适用于矩阵变换器开关控制的C语言编程S函数建模方法，其特征在于，该方法通过改变开关矢量的序列，达到减少每个开关周期内平均开关切换次数，八开关矢量序列是一个中间是零矢量的两边对称的序列，矢量每变换一次始终只有一个开关状态改变。

8.如权利要求1所述的适用于矩阵变换器开关控制的C语言编程S函数建模方法，其特征在于，计算出各矢量的占空比的主要步骤为：进行三相/两相坐标变换，计算输出线电压所在的扇区和输入输出角，判别调制策略和计算出各矢量的占空比。

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