CN103812353B - 一种矩阵变换器输出电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的矩阵变换器输出电压控制方法，通过控制器判断矩阵变换器在低调制系数下运行时，选取能够增加有效矢量作用时间的有效矢量及控制因子；并计算有效矢量和零矢量的作用时间；再根据上述作用时间、参考输出电压扇区和输入电压扇区信息，按照每个零矢量的作用时间均不小于一个开关换流周期的原则安排新的矢量导通顺序；控制功率开关矩阵按所述新的矢量导通顺序导通或闭合；所述新的矢量导通顺序可以扩宽驱动波形的脉冲，有效的消除驱动波形的窄脉冲；并且所述有效矢量的时间得到了增加，使因有效矢量作用时间小于开关换流周期而导致换流出错的概率大大减小，从而减小了输出电压畸变。

Description

一种矩阵变换器输出电压控制方法

技术领域

本发明涉及电力变换技术领域，尤其涉及一种矩阵变换器输出电压控制方法。

背景技术

三相-单相矩阵变换器如图1所示，包括：由6个双向功率开关Sx(x为大于等于1且小于等于6的正整数)按照3×2矩阵拓扑构成功率开关矩阵101及输入LC滤波器102；矩阵变换器的输入端R、S、T接三相电网，输出端ACI、ACO接负载；其中双向功率开关Sx的具体实现形式为图2所示，Sx+为靠近输入侧的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，Sx﹣为靠近输出侧的IGBT。

矩阵变换器采用的双电压调制策略为：在每个开关周期之内，通过导通两个输入线电压合成输出电压。传统的双电压调制策略具体为：选取输入线电压绝对值最大相Umax和输入线电压绝对值中间相Umid作为有效矢量合成输出电压。并且输入线电压绝对值中间相Umid的作用时间与输入线电压绝对值最大相Umax的作用时间之比，也即控制因子，等于输入相电压绝对值最小相除以输入相电压绝对值中间相；其在一个开关周期之内的开关矢量图如图3所示，此时图1所示的功率开关矩阵101内六个开关S1～S6的驱动波形如图3下方所示。当其参考输出电压值小于参考电压阈值时，说明此时变换器在低调制系数下运行，其参考输出电压值很小，作为有效矢量合成输出电压的输入线电压绝对值中间相Umid的作用时间T1及输入线电压绝对值最大相Umax的作用时间T2非常短，导致驱动波形存在大量窄脉冲；又由于矩阵变换器必须采用四步换流来完成电流换相，当驱动波形为窄脉冲时，且作用时间T1或作用时间T2小于其开关换流时间时，将会出现上一次换流还没结束、新的换流又即将开始的情况，进而引起开关换流出错而造成输出电压产生畸变，引起输出起动转矩降低，严重时可能会导致整个系统崩溃。

目前在低调制系数下减小输出电压畸变的方法主要是在空间矢量调制的基础上，通过将计算出的作用时间与安全换流值进行比较，判断插入1个或2个或3个零矢量的方式消除窄脉冲。但是此种方法需要比较作用时间以及需要在插入几个零矢量之间切换，不但增加了运算量，而且只是通过简单的插入零矢量，虽然消除了窄脉冲，但是并没有改变有效矢量的作用时间，当有效矢量作用时间小于开关换流周期时，仍旧会出现上一次换流还没结束、新的换流又即将开始的情况，没有从根本上减小有效矢量作用时间短对换流的影响，改善输出电压畸变的能力非常有限。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种矩阵变换器输出电压控制方法，以解决现有技术改善输出电压畸变的能力有限的问题。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种矩阵变换器输出电压控制方法，应用于矩阵变换器，所述矩阵变换器包括：控制器及功率开关矩阵；所述矩阵变换器输出电压控制方法包括：

所述控制器计算参考输出电压扇区和输入电压扇区；

所述控制器判断所述矩阵变换器是否在低调制系数下运行；

当所述控制器判断所述矩阵变换器在低调制系数下运行时，选取其输入线电压绝对值中间相和输入线电压绝对值最小相作为其有效矢量，选取输入相电压绝对值最大相与输入相电压绝对值中间相之比作为控制因子；

所述控制器根据所述有效矢量及控制因子计算有效矢量和零矢量的作用时间；

所述控制器根据所述有效矢量和零矢量的作用时间、所述参考输出电压扇区和输入电压扇区信息，按照每个零矢量的作用时间均不小于一个开关换流周期的原则安排新的矢量导通顺序；

所述控制器控制所述矩阵变换器的功率开关矩阵按所述新的矢量导通顺序导通或闭合。

优选的，一个开关周期内的所述零矢量包括：第一零矢量、第二零矢量及第三零矢量；一个开关周期内的所述有效矢量包括：第一有效矢量及第二有效矢量；

所述新的矢量导通顺序为：第一零矢量-第一有效矢量-第二零矢量-第二有效矢量-第三零矢量-第二有效矢量-第二零矢量-第一有效矢量-第一零矢量。

优选的，所述第一零矢量及第二零矢量的作用时间相同，均为所述第三零矢量的作用时间的二倍。

优选的，输入线电压绝对值中间相ΔUmid和输入线电压绝对值最小相ΔUmin的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{max}=max(U_R,U_S,U_T)\\ U_{mid}=mid(U_R,U_S,U_T)\\ U_{\min }=min(U_R,U_S,U_T)\end{array}\right.---\left(1\right)$

${\mathrm{\ΔU}}_{mid}=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\max }-U_{mid},& U_{base}=U_{\max }\\ U_{mid}-U_{\min },& U_{base}=U_{\min }\end{array}\right.---\left(2\right)$

${\mathrm{\ΔU}}_{min}=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{mid}-U_{min},& U_{base}=U_{max}\\ U_{\max }-U_{mid},& U_{base}=U_{min}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，U_R、U_S、U_T为三相输入电压，Umax为输入相电压最大相，Umid为输入相电压中间相，Umin为输入相电压最小相，Ubase为基准相,其值等于输入相电压绝对值最大相。

优选的，输入线电压绝对值最小相ΔUmin的作用时间T1、输入线电压绝对值中间相ΔUmid的作用时间T2及零矢量的作用时间T0的计算公式为：

$U_{oref}=\frac{T1\·{\mathrm{\ΔU}}_{min}+T2\·{\mathrm{\ΔU}}_{mid}}{Ts}---\left(4\right)$

$\mathrm{\α}=\frac{T1}{T2}=\left\{\begin{array}{cc}-\frac{U_{min}}{U_{\max }},& U_{base}=U_{max}\\ -\frac{U_{\max }}{U_{\min }},& U_{base}=U_{min}\end{array}\right.---\left(5\right)$

T0＝Ts-T1-T2 (6)

其中，α为控制因子，Uoref为参考输出电压值，Ts为开关周期。

优选的，所述控制器判断所述矩阵变换器是否在低调制系数下运行的步骤包括：

所述控制器获取参考电压阈值；

所述控制器获取参考输出电压值；

所述控制器判断所述参考输出电压值是否小于参考电压阈值；

当所述控制器判断所述参考输出电压值小于参考电压阈值时，置低调制系数标志。

从上述的技术方案可以看出，本发明公开的矩阵变换器输出电压控制方法，通过所述控制器判断所述矩阵变换器在低调制系数下运行时，选取其输入线电压绝对值中间相和输入线电压绝对值最小相作为其有效矢量，选取输入相电压绝对值最大相与输入相电压绝对值中间相之比作为控制因子；按照上述方式选取的所述有效矢量及控制因子，计算有效矢量和零矢量的作用时间，得到相比现有技术增加了的所述有效矢量的作用时间；再根据所述有效矢量和零矢量的作用时间、参考输出电压扇区和输入电压扇区信息，按照每个零矢量的作用时间均不小于一个开关换流周期的原则安排新的矢量导通顺序；控制所述矩阵变换器的功率开关矩阵按所述新的矢量导通顺序导通或闭合；新的矢量导通顺序可以扩宽驱动波形的脉冲，有效的消除驱动波形的窄脉冲；并且所述有效矢量的时间得到了增加，使因有效矢量作用时间小于开关换流周期而导致换流出错的概率大大减小，从而减小了输出电压畸变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为三相-单相矩阵变换器电路示意图；

图2为双向功率开关的具体实现形式示意图；

图3为现有技术公开的一个开关周期之内的开关矢量图；

图4为本发明实施例公开的矩阵变换器输出电压控制方法流程图；

图5为本发明另一实施例公开的一个开关周期之内的开关矢量图；

图6为本发明另一实施例公开的一个开关周期之内的开关矢量图；

图7为本发明另一实施例公开的输入电压扇区划分图；

图8为本发明另一实施例公开的各个扇区内的取值情况表；

图9为本发明另一实施例公开的各个扇区下的开关状态图图；

图10为本发明另一实施例公开的矩阵变换器输出电压控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种矩阵变换器输出电压控制方法，以解决现有技术改善输出电压畸变的能力非常有限的问题。

所述矩阵变换器输出电压控制方法，应用于矩阵变换器，所述矩阵变换器包括：控制器及功率开关矩阵；具体的，如图4所示，所述矩阵变换器输出电压控制方法包括：

S101、所述控制器计算参考输出电压扇区和输入电压扇区；

所述参考输出电压扇区和输入电压扇区为后续矢量导通顺序提供各个开关周期的变换顺序；

S102、所述控制器判断所述矩阵变换器是否在低调制系数下运行；

当所述矩阵变换器在低调制系数下运行时，其参考输出电压值很小，容易导致驱动波形存在大量窄脉冲，同时影响所述功率开关矩阵的换流，使开关换流出错而造成输出电压产生畸变的情况。

S103、当所述控制器判断所述矩阵变换器在低调制系数下运行时，选取其输入线电压绝对值中间相和输入线电压绝对值最小相作为其有效矢量，选取输入相电压绝对值最大相与输入相电压绝对值中间相之比作为控制因子；

当所述控制器判断所述矩阵变换器在低调制系数下运行时，说明此时的矩阵变换器存在上述输出电压产生畸变的可能，所以采用改进的双电压调制策略，以上述形式选取不同于现有技术的有效矢量和控制因子，作为后续计算的参考，将会得到与现有技术不同的矢量作用时间。

S104、所述控制器根据所述有效矢量及控制因子计算有效矢量和零矢量的作用时间；

按照上述有效矢量及控制因子的选取，计算得到的有效矢量的时间将会增加，避免现有技术中两个有效矢量之间的换流出错。针对如图1所示的矩阵变换器，将会得到在一个开关周期T_s之内的开关矢量图，如图5所示：输入线电压绝对值中间相ΔUmid的作用时间为T2，输入线电压绝对值最小相ΔUmin的作用时间为T1，零矢量的作用时间为T0；图1所示的功率开关矩阵101内六个开关S1～S6的驱动波形如图5下方所示。

S105、所述控制器根据所述有效矢量和零矢量的作用时间、所述参考输出电压扇区和输入电压扇区信息，按照每个零矢量的作用时间均不小于一个开关换流周期的原则安排新的矢量导通顺序；

现有技术中零矢量的作用时间很长，有效矢量的作用时间短，尽管插入零矢量后仍较大程度的存在换流出错的可能；本步骤在获得所述相比现有技术有所增加的有效矢量作用时间后，按照每个零矢量的作用时间均不小于一个开关换流周期的原则安排新的矢量导通顺序，使因有效矢量作用时间小于开关换流周期而导致换流出错的概率大大减小，从而有效的减小了输出电压畸变。

S106、所述控制器控制所述矩阵变换器的功率开关矩阵按所述新的矢量导通顺序导通或闭合。

所述控制器控制所述矩阵变换器的功率开关矩阵按所述新的矢量导通顺序导通或闭合，新的矢量导通顺序可以扩宽驱动波形的脉冲，有效的消除驱动波形的窄脉冲，结合S103步骤采用的改进的双电压调制策略，增加了有效矢量的作用时间，确保每个零矢量的作用时间均不小于一个开关换流周期的实现，进而从根本上大大减小了有效矢量作用时间短对换流的影响，最终使得所述矩阵变换器输出改善电压。

本实施例公开的矩阵变换器输出电压控制方法，通过采用上述改进的双电压调制策略配合所述新的开关矢量导通顺序，有效的减小了输出电压的畸变，解决了现有技术改善输出电压畸变的能力有限的问题。

优选的，一个开关周期内的所述零矢量包括：第一零矢量、第二零矢量及第三零矢量；一个开关周期内的所述有效矢量包括：第一有效矢量及第二有效矢量；

所述新的矢量导通顺序为：第一零矢量-第一有效矢量-第二零矢量-第二有效矢量-第三零矢量-第二有效矢量-第二零矢量-第一有效矢量-第一零矢量。

图6所示为针对图1所示的矩阵变换器在新的矢量导通顺序下的一个开关周期内的开关矢量图；其中，针对图1所示的矩阵变换器拓扑中6个双向的开关组成的9种开关状态，用2个字母来表示其中的一种开关状态。如：RS，表示矩阵变换器上输出端ACI通过S1连接到输入端R，输出端ACO通过S5连接到输入端S。9种开关状态亦表示9个矢量，包括6个有效矢量和3个零矢量。在本发明实施例中，以扇区N为101为例，一个开关周期之内的两个有效矢量分别为TR和RS，三个零矢量为TT、RR、SS，此时将这三个零矢量分别插入这两个有效矢量之间，形成新的矢量导通顺序；其中，TT为第一零矢量、RR为第二零矢量、SS为第三零矢量，TR为第一有效矢量，RS为第二有效矢量，UTR为第一有效矢量所对应的输入线电压绝对值，URS为第二有效矢量所对应的输入线电压绝对值；图1所示的功率开关矩阵101内六个开关S1～S6的驱动波形如图6下方所示。

优选的，所述第一零矢量及第二零矢量的作用时间相同，均为所述第三零矢量的作用时间的二倍。

关于每个有效矢量及零矢量的作用时间分配并不做具体限定，上述仅为一种示例，只要保证每个零矢量的作用时间均不小于一个开关换流周期即可，在具体的实际应用中，可以根据其应用环境做具体的分配。

优选的，输入线电压绝对值中间相ΔUmid和输入线电压绝对值最小相ΔUmin的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{max}=max(U_R,U_S,U_T)\\ U_{mid}=mid(U_R,U_S,U_T)\\ U_{\min }=min(U_R,U_S,U_T)\end{array}\right.---\left(1\right)$

${\mathrm{\ΔU}}_{mid}=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\max }-U_{mid},& U_{base}=U_{\max }\\ U_{mid}-U_{\min },& U_{base}=U_{\min }\end{array}\right.---\left(2\right)$

${\mathrm{\ΔU}}_{min}=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{mid}-U_{min},& U_{base}=U_{max}\\ U_{\max }-U_{mid},& U_{base}=U_{min}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，U_R、U_S、U_T为三相输入电压，Umax为输入相电压最大相，Umid为输入相电压中间相，Umin为输入相电压最小相，Ubase为基准相,其值等于输入相电压绝对值最大相。

优选的，输入线电压绝对值最小相ΔUmin的作用时间T1、输入线电压绝对值中间相ΔUmid的作用时间T2及零矢量的作用时间T0的计算公式为：

$U_{oref}=\frac{T1\·{\mathrm{\ΔU}}_{min}+T2\·{\mathrm{\ΔU}}_{mid}}{Ts}---\left(4\right)$

$\mathrm{\α}=\frac{T1}{T2}=\left\{\begin{array}{cc}-\frac{U_{min}}{U_{\max }},& U_{base}=U_{max}\\ -\frac{U_{\max }}{U_{\min }},& U_{base}=U_{min}\end{array}\right.---\left(5\right)$

T0＝Ts-T1-T2 (6)

其中，α为控制因子，Uoref为参考输出电压值，Ts为开关周期。

针对图1所示的矩阵变换器，其输入电压扇区划分如图7所示，参考输出电压扇区划分按照参考输出电压值大于零，则输出电压扇区为1；反之，则为0。图7中的U_R、U_S、U_T为三相输入电压，结合其参考输出电压扇区和输入电压扇区信息，得到各个扇区内的取值情况表如图8所示，其中包括各个扇区内的输入相电压最大相Umax、输入相电压中间相Umid、输入相电压最小相Umin、基准相Ubase、输入线电压绝对值中间相ΔUmid、输入线电压绝对值最小相ΔUmin，及控制因子α。通过上述公式可以得到作为有效矢量的输入线电压绝对值中间相ΔUmid和输入线电压绝对值最小相ΔUmin、输入线电压绝对值最小相ΔUmin的作用时间T1、输入线电压绝对值中间相ΔUmid的作用时间T2及零矢量的作用时间T0。

得到上述数值后，按照图6所示的一个开关周期内的开关矢量图，扩展为各个扇区下的开关状态图，如图9所示，其中，N为所述参考输出电压扇区和输入电压扇区信息，V1为第一有效矢量对应的开关状态，V2为第二有效矢量对应的开关状态，Z1为第一零矢量对应的开关状态，Z2为第二零矢量对应的开关状态，Z3为第三零矢量对应的开关状态，SEQ为所述新的矢量导通顺序表在各个扇区下所对应的开关状态顺序；如N为101表示的是输出电压扇区为1、输入电压扇区为1，N为012表示的是输出电压扇区为0、输入电压扇区为12，开关状态RS表示的是图1中的开关S1及S5导通；进而根据图9所示开关状态顺序实现对于所述矩阵变换器的功率开关矩阵的控制。

优选的，如图10所示，步骤S102所述控制器判断所述矩阵变换器是否在低调制系数下运行具体包括：

S1021、所述控制器获取参考电压阈值；

S1022、所述控制器获取参考输出电压值；

S1023、所述控制器判断所述参考输出电压值是否小于参考电压阈值；

S1024、当所述控制器判断所述参考输出电压值小于参考电压阈值时，置低调制系数标志。

然后所述控制器判断所述矩阵变换器是在低调制系数下运行。

步骤S102的具体实现过程并不限定于上述过程，在具体的实际应用中可以根据具体的实际情况而定。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种矩阵变换器输出电压控制方法，其特征在于，应用于矩阵变换器，所述矩阵变换器包括：控制器及功率开关矩阵；所述矩阵变换器输出电压控制方法包括：

所述控制器计算参考输出电压扇区和输入电压扇区；

所述控制器判断所述矩阵变换器是否在低调制系数下运行；

当所述控制器判断所述矩阵变换器在低调制系数下运行时，选取其输入线电压绝对值中间相和输入线电压绝对值最小相作为其有效矢量，选取输入相电压绝对值最大相与输入相电压绝对值中间相之比作为控制因子；

所述控制器根据所述有效矢量及控制因子计算有效矢量和零矢量的作用时间；

所述控制器根据所述有效矢量和零矢量的作用时间、所述参考输出电压扇区和输入电压扇区信息，按照每个零矢量的作用时间均不小于一个开关换流周期的原则安排新的矢量导通顺序；

所述控制器控制所述矩阵变换器的功率开关矩阵按所述新的矢量导通顺序导通或闭合。

2.根据权利要求1所述的矩阵变换器输出电压控制方法，其特征在于，一个开关周期内的所述零矢量包括：第一零矢量、第二零矢量及第三零矢量；一个开关周期内的所述有效矢量包括：第一有效矢量及第二有效矢量；

所述新的矢量导通顺序为：第一零矢量-第一有效矢量-第二零矢量-第二有效矢量-第三零矢量-第二有效矢量-第二零矢量-第一有效矢量-第一零矢量。

3.根据权利要求2所述的矩阵变换器输出电压控制方法，其特征在于，所述第一零矢量及第二零矢量的作用时间相同，均为所述第三零矢量的作用时间的二倍。

4.根据权利要求1所述的矩阵变换器输出电压控制方法，其特征在于，输入线电压绝对值中间相ΔUmid和输入线电压绝对值最小相ΔUmin的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{max}=max(U_R,U_S,U_T)\\ U_{mid}=mid(U_R,U_S,U_T)\\ U_{\min }=min(U_R,U_S,U_T)\end{array}\right.---\left(1\right)$

${\mathrm{\ΔU}}_{mid}=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\max }-U_{mid},& U_{base}=U_{\max }\\ U_{mid}-U_{\min },& U_{base}=U_{\min }\end{array}\right.---\left(2\right)$

${\mathrm{\ΔU}}_{min}=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{mid}-U_{\min },& U_{base}=U_{\max }\\ U_{\max }-U_{mid},& U_{base}=U_{\min }\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，U_R、U_S、U_T为三相输入电压，Umax为输入相电压最大相，Umid为输入相电压中间相，Umin为输入相电压最小相，Ubase为基准相，其值等于输入相电压绝对值最大相。

5.根据权利要求4所述的矩阵变换器输出电压控制方法，其特征在于，输入线电压绝对值最小相ΔUmin的作用时间T1、输入线电压绝对值中间相ΔUmid的作用时间T2及零矢量的作用时间T0的计算公式为：

$U_{oref}=\frac{T1\·{\mathrm{\ΔU}}_{min}+T2\·{\mathrm{\ΔU}}_{mid}}{Ts}---\left(4\right)$

$\mathrm{\α}=\frac{T1}{T2}=\left\{\begin{array}{cc}-\frac{U_{min}}{U_{\max }},& U_{base}=U_{max}\\ -\frac{U_{\max }}{U_{\min }},& U_{base}=U_{min}\end{array}\right.---\left(5\right)$

T0＝Ts-T1-T2 (6)

其中，α为控制因子，Uoref为参考输出电压值，Ts为开关周期。

6.根据权利要求1所述的矩阵变换器输出电压控制方法，其特征在于，所述控制器判断所述矩阵变换器是否在低调制系数下运行的步骤包括：

所述控制器获取参考电压阈值；

所述控制器获取参考输出电压值；

所述控制器判断所述参考输出电压值是否小于参考电压阈值；

当所述控制器判断所述参考输出电压值小于参考电压阈值时，置低调制系数标志。