CN104218788A - 一种矩阵整流器的网侧功率因数滑模自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矩阵整流器的网侧功率因数滑模自适应控制方法，该方法实时检测矩阵整流器网侧电压相位移和网侧电流相位移做差获得在当前输入条件下矩阵整流器的功率因数角。根据滑模自适应控制函数自动判定是否对当前网侧功率因数角进行补偿，使功率因数接近1。同时实时检测矩阵整流器直流输出电压，采用功率因数滑模自适应控制函数对矩阵整流器输出电压进行实时控制。通过分别计算开关矢量的时间和分配脉冲控制矩阵整流器主电路的双向开关，以保证矩阵整流器网侧高功率因数且输出直流电压恒定。该方法运用滑模自适应控制对网侧功率因数及直流输出电压实施闭环控制，具有鲁棒性强、对内部参数变化及外加扰动不敏感、动态性能好等优点。

Description

一种矩阵整流器的网侧功率因数滑模自适应控制方法

技术领域

本发明及矩阵整流器的控制技术，具体涉及一种应用于矩阵式整流器的网侧功率因数的滑模控制方法。

背景技术

常见矩阵整流器使用的控制方法有：滞环比较跟踪控制、PI电流环控制、PI电压环控制等，这些控制方法鲁棒性较差，而且在外部参数急剧变化时动态响应慢，电流脉动大同时会产生超调现象而且无法解决因输入滤波器所导致的网侧输入功率因数下降的问题。为了提高网侧功率因数和抑制直流输出电压的脉动，引入滑模控制。该方法通过设计适当的控制函数根据控制需要动态的切换控制状态。通过滑模控制对网侧功率因数实施动态补偿，并对输出直流电压实施跟踪控制，可以有效的解决上述问题。而且滑模控制系统的稳定性与动态品质仅取决于滑模面及其参数，这种特性使参数扰动和外部干扰对控制系统无效化。因而，采用此种控制方法具有很好的鲁棒性及动态性能，可靠性高。

发明内容

本发明的目的在于提供在于一种矩阵整流器的网侧功率因数滑模自适应控制方法，即矩阵整流器在不同工况下的控制方法，能对网侧功率因数进行补偿，鲁棒性能好，动态响应速度快，本发明采用滑模自适应控制方法在矩阵整流器三相输入电压非正常工况下或者负载大范围突变状况下能够保持直流输出电压稳定同时保证网侧功率因数接近为1。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种矩阵整流器的网侧功率因数滑模自适应控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)通过传感器检测网侧电压幅值U_sm和矩阵整流器输入电流幅值I_im,利用派克变换得出网侧电压相位移α和网侧电流相位移β，得出网侧电压和电流的相位差即在当前输入条件下矩阵整流器的功率因数角，

(2)采用功率因数滑模自适应控制函数自动判定是否对当前网侧功率因数角进行补偿，其中C₁为根据赫尔维茨稳定条件所整定的常数；

(3)实时检测矩阵整流器直流输出电压V₀，采用功率因数滑模自适应控制函数对矩阵整流器输出电压进行实时控制，其中V_ref为目标直流输出期望电压，为根据赫尔维稳定条件所整定的常数，当s₂＞0，电流调制度m从0切换到1；当s₂＜0，电流调制度m从1切换0，通过动态切换m的值控制直流电压；

(4)按照步骤(2)选择补偿角度后根据空间矢量调制算法，在占空比计算时加入对功率因数的补偿，可得如下式子(1)(2)(3)：

α矢量占空比：

β矢量占空比：

0矢量占空比：f₀(θ)＝1-f_α(θ)-f_β(θ)  (3)；

其中，f_α(θ)、f_β(θ)和f₀(θ)分别为和的占空比函数，目标电流矢量电流矢量为相邻的两个电流矢量中，相位超前的一个为相位滞后的一个为

根据式(1)～(3)计算加入补偿后的开关矢量占空比，以保证矩阵整流器网侧高功率因数。

进一步的，步骤(2)所述判定条件如下：当s₁＜0，即时，不做补偿；当s₁＞0，若时，选择高补偿度，补偿角为若时，选择低补偿度，补偿角为

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：采用上述方案当矩阵整流器直流输出电压V₀因电网输入电压不平衡供电而变小时，该控制方法使空间矢量调制系数m变大，而当直流输出电压V₀因电网输入电压不平衡供电而变大时，模糊控制器将电流调制度m减小，从而保持输出直流电压恒定。

附图说明

图1为实例中矩阵整流器控制方法原理图。

图2为实例中矩阵整流器拓扑结构。

图3为实例中输入相电流空间矢量图。

图4为实例中目标电流矢量的合成。

图5为实例中电流空间矢量相位补偿原理图。

图6为实例中输入电流矢量相位补偿过程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护不限于此，以下若有未特别详细说明的过程或符号，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

矩阵整流器的拓扑结构结合图2所示，它由5部分组成：第Ⅰ部分为网侧输入电压；第Ⅱ部分为输入滤波器；第Ⅲ部分为由6个双向开关组成的主电路；第Ⅳ部分为输出滤波器；第Ⅴ部分为负载。

假设输入电压为正相序，矩阵整流器需要满足三相输入电压任意两相不能短路和输出电流不能断路的要求，共有9种开关组合，如表1所示：

表1 输入电压正相序时电流空间矢量

表1中前6种是有效矢量，后3种是零矢量。在一个PWM开关周期内，有效矢量按照要求作用一段时间为输出提供电压，剩下的时间为零矢量作用时间，没有电压输出，只提供负载续流。

结合图2、图3，矩阵整流器输入电流空间矢量由输入电流进行矢量合成，在复平面内以角速度ω_i匀速转动，其目标电流矢量(I_im也为输入电流空间矢量的模)。图3中Ⅰ～Ⅵ代表6个输入电流扇区，它按照相电压的过零点进行划分输入电压区间，并进行电流矢量的选择。如图4，假设在某一时刻需要合成的电流矢量为它相邻的两个电流矢量，相位超前的一个为相位滞后的一个为与的夹角为θ，且θ∈[0,60°]。将和进行PWM合成，将能得到目标电流矢量

在实现输入电流和输出电流调节的同时，还要保证输出直流不能断续。因此，在通过和合成的同时，还需要一个零矢量，合成公式如下：

式中T_s为一个PWM调节周期的时间，T_α(θ)、T_β(θ)和T₀(θ)分别为一个PWM调节周期内和三个电流矢量的作用时间，其占空比函数分别为：

$f_0\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{T_0\left(\mathrm{\θ}\right)}{T_s}=1-f_{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\θ}\right)-f_{\mathrm{\β}}\left(\mathrm{\θ}\right)$

$\left(4\right)$

上式中，f_α(θ)、f_β(θ)和f₀(θ)分别为和的占空比函数。输入电流空间矢量顶点的运动轨迹由至顶点所围成的正六边形的内圆。根据分析可得因此令电流的调制系数可以证明在一个开关周期内输出电压的平均值为：

其中V_im为输入相电压的幅值，为输入电流相对输入电压的位移。直流输出电压由电压调制系数、输入相电压幅值和功率因数角决定。上述过程采用了所述的空间矢量调制算法。

由式(5)可知，在一个开关周期内输出电压的平均值可以通过调节调制系数m和输入功率因数角来实现。一般情况下都希望采用单位功率因数，所以主要是通过调节电流控制空间矢量的调制系数m，实现对输出直流电压的控制，达到输出直流电压恒定的目的。但是由于图2中的第Ⅱ部分输入滤波器的存在，可以证明在没有进行功率因数角校正时，输入电流相对输入电压的位移为：

上式中，C_i为滤波电容、U_sm为网侧电压幅值、I_im为网侧输入电流幅值、ω输入电压角频率。若直流侧负载实变，通过式(6)可知功率因数角会变化，把此时的功率因数角带回式(5)，可知此时无法保证输出直流电压恒定。

结合图1、图2和图5、图6所示，本发明的控制方法具体实施方式：实时检测矩阵整流器网侧电压相位移α和网侧电流相位移β做差获得在当前输入条件下矩阵整流器的功率因数角根据滑模自适应控制函数其中C₁为根据赫尔维茨稳定条件所整定的常数，自动判定是否对当前网侧功率因数角进行补偿。判定条件如下：当即时，不做补偿；当s₁＞0，若时，选择高补偿度，补偿角为 时，选择低补偿度，补偿角为通过一个开关周期内进行上述的控制使网侧输入电流I_s相位跟踪电压U_s的相位，使功率因数接近1。

完成功率因数补偿后，结合式(6)可知，一个开关周期内输出电压的平均值V_PN与调节调制系数m成正比。实时检测矩阵整流器直流输出电压V_o，采用功率因数滑模自适应控制函数对矩阵整流器输出电压进行实时控制，其中V_ref为目标期望电压，为根据赫尔维茨定条件所整定的常数。当s₂＞0，电流调制度m从0切换到1；当s₂＜0，电流调制度m从1切换0。

完成上述的控制获得电流调制度m和偏移角度后分别计算开关矢量的时间和分配脉冲控制矩阵整流器主电路的双向开关，以保证矩阵整流器网侧高功率因数且输出直流电压恒定。

如上即可较好的实现本发明并取得所述的技术效果，本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种矩阵整流器的网侧功率因数滑模自适应控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)通过传感器检测网侧电压幅值U_sm和矩阵整流器输入电流幅值I_im,利用派克变换得出网侧电压相位移α和网侧电流相位移β，得出网侧电压和电流的相位差即在当前输入条件下矩阵整流器的功率因数角，

(2)采用功率因数滑模自适应控制函数自动判定是否对当前网侧功率因数角进行补偿，其中C₁为根据赫尔维茨稳定条件所整定的常数；

(3)实时检测矩阵整流器直流输出电压V₀，采用功率因数滑模自适应控制函数对矩阵整流器输出电压进行实时控制，其中V_ref为目标直流输出期望电压，为根据赫尔维稳定条件所整定的常数，当s₂＞0，电流调制度m从0切换到1；当s₂＜0，电流调制度m从1切换0，通过动态切换m的值控制直流电压；

(4)按照步骤(2)选择补偿角度后根据空间矢量调制算法，在占空比计算时加入对功率因数的补偿，可得如下式子(1)(2)(3)：

α矢量占空比：

β矢量占空比：

0矢量占空比：f₀(θ)＝1-f_α(θ)-f_β(θ)  (3)；

其中，f_α(θ)、f_β(θ)和f₀(θ)分别为和的占空比函数，目标电流矢量电流矢量为相邻的两个电流矢量中，相位超前的一个为相位滞后的一个为

根据式(1)～(3)计算加入补偿后的开关矢量占空比，对矩阵整流器主电路的双向开关进行控制，以保证矩阵整流器网侧高功率因数。

2.根据权利要求1所述的一种矩阵整流器的网侧功率因数滑模自适应控制方法，其特征在于步骤(2)所述判定的条件如下：当s₁＜0，即时，不做补偿；当s₁＞0，若时，选择高补偿度，补偿角为若时，选择低补偿度，补偿角为