CN104506054B - 一种矩阵整流器的趋近律滑模控制方法 - Google Patents

一种矩阵整流器的趋近律滑模控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种矩阵整流器的趋近律滑模控制方法。该方法实时检测直流输出电压V0并与目标期望电压Vref比较得到偏差，采用指数趋近律滑模控制，使得直流输出电压迅速达到期望值附近，并削弱抖振。同时，实时检测矩阵整流器网侧电压和电流，并计算出其相位差，采用等速趋近律滑模控制器进行角度补偿，使功率因数接近1。本发明运用趋近律滑模控制对直流输出电压及网侧功率因数实施闭环控制，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

一种矩阵整流器的趋近律滑模控制方法
技术领域
本发明及电力电子技术领域，具体涉及一种应用于矩阵式整流器的趋近律滑模控制方法。
背景技术
矩阵整流器(Matrix Rectifier，MR)是一种通用的降压型三相AC-DC变换器，能够实现真正的四象限运行，正弦输入电流和功率因数可调等，可以产生进行幅值可调、极性可调的直流电压源，应用范围比较广泛。常见矩阵整流器使用的控制方法(通过矩阵整流器的控制单元)有：滞环比较跟踪控制和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，电压脉动大同时会产生超调现象而且无法解决因输入滤波器和负载的变化所导致的网侧输入功率因数下降等问题。为了提高网侧功率因数和抑制直流输出电压的脉动，引入趋近律滑模控制。该方法通过设计适当的滑模函数和控制函数，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，并对直流输出电压实施跟踪控制，可以有效的解决上述问题。而且趋近律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一种矩阵整流器的趋近律滑模控制方法，即矩阵整流器在不同工况下，均能保证输出电压稳定，并且能对网侧功率因数进行补偿。本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种矩阵整流器的趋近律滑模控制方法，其包括以下步骤：
(1)针对相位补偿，设滑模函数其中c1为正常数，为矩阵整流器网侧功率因数角，采用等速趋近律初步设定ε1＝1.05，当S1>0时，补偿角为当S1<0时，补偿角为通过实时选择补偿角，实现对功率因数角进行趋近律滑模控制的目的；
(2)针对直流输出电压控制，检测矩阵整流器直流输出电压Vo，并与目标期望电压Vref比较得ev＝Vo-Vref，设滑模函数(.表示一阶导数)，式中c2为正常数；采用指数趋近律当S2>0时，设定电流调制系数 当S2<0时，设定电流调制系数其中，ε2、k均为预设的正数，Lo和Co为输出滤波器的电感值与电容值，Vim为主电路输入相电压的幅值；通过对m的控制，使输出电压稳定。
上述的一种矩阵整流器的趋近律滑模控制方法中，获得电流调制系数m和偏移角度后，θ为矩阵整流器输入电源角位移，矩阵整流器的控制单元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。
上述的一种矩阵整流器的趋近律滑模控制方法中，步骤(1)中，通过传感器实时检测矩阵整流器网侧电压和网侧电流，根据瞬时功率理论，利用克拉克变换得出网侧电压相位移α和网侧电流相位移β，计算出在当前输入条件下矩阵整流器的网侧功率因数角
上述方法中，根据瞬时功率理论，利用克拉克变换得出网侧电压相位移α和网侧电流相位移β，计算出在当前输入条件下矩阵整流器的网侧功率因数角设计滑模函数c1为正常数。其中上式中，C为滤波电容、Usm为网侧电压有效值、Iim为网侧输入电流有效值、ω输入电压角频率。采用等速趋近律，即其中ε1均为预设的正常数(此处预设定为1.05)。做合理简化，可得控制函数为：当S1>0时，补偿角为当S1<0时，补偿角为
检测直流输出电压V0，并与目标期望电压Vref比较差得ev＝Vo-Vref。设计滑模函数则其中c2为正常数。采用指数趋近律，即：其中ε2、k均为预设的正数。由此可得控制函数的等效控制为：当S2>0时，设定电流调制系数当S2<0时，设定电流调制系数其中，ε2、k均为预设的正常数，Lo和Co为输出滤波器的电感值与电容值，Vim为主电路输入相电压的幅值。通过控制电流调制系数m，实现对直流输出电压V0进行趋近律滑模控制的目的。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明实时检测直流输出电压V0并与目标期望电压Vref比较得到偏差，采用指数趋近律滑模控制，使得直流输出电压迅速达到期望值附近，并削弱抖振。同时，实时检测矩阵整流器网侧电压和电流，并计算出其相位差，采用等速趋近律滑模控制器进行角度补偿，使功率因数接近1。本发明运用趋近律滑模控制对直流输出电压及网侧功率因数实施闭环控制，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。当矩阵整流器直流输出电压V0由所处不同工况而导致的波动，采用上述控制方案可自适应调整电流调制系数m，从而保持直流输出电压恒定。并且采取上述控制方案可有效解决因滤波器和负载变化所导致的网侧功率因数降低的问题。
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。
图7为实例中负载突变时采用滑模趋近律控制方法直流输出波形图。
图8为实例中三相输入电压不平衡时采用滑模趋近律控制方法直流输出波形图。
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，需指出的是，以下若有未特别详细说明的符号或过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
本实例的矩阵整流器的拓扑结构如图2所示，它由5部分组成：第Ⅰ部分为网侧输入电压(ua、ub、uc；相应的输入电流为ia、ib、ic)；第Ⅱ部分为输入滤波器(Ci、Li)，第Ⅲ部分为由6个双向开关组成的主电路(S11、S12、S13、S21、S22、S23)；第Ⅳ部分为输出滤波器(Co、Lo)；第Ⅴ部分为负载(RL、LL)。
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，空间矢量调制算法如下：矩阵整流器输入电流空间矢量Iref由输入电流进行矢量合成，在复平面内以角速度ω匀速转动，其目标电流矢量Iref＝Iim×ejωt(Iim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Iref，它相邻的两个电流矢量，相位超前的一个为Iα，相位滞后的一个为Iβ，Iref与Iα的夹角为θ，且θ∈[0,60°]。将Iα和Iβ进行PWM合成，将能得到目标电流矢量Iref。
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Iβ和Iα合成的同时，还需要一个零矢量，合成公式如下：
式中Ts为一个PWM调节周期的时间，Tα(θ)、Tβ(θ)和T0(θ)分别为一个PWM调节周期内Iα、Iβ和I0三个电流矢量的作用时间，其占空比函数分别为：
上式中，dα(θ)、dβ(θ)和d0(θ)分别为Iα、Iβ和I0的占空比函数。输入电流空间矢量Iref顶点的运动轨迹由I1至I6顶点所围成的正六边形的内圆，其中m∈[0,1]。可以证明在一个开关周期内输出电压的平均值为：
其中Vim为输入相电压的幅值，为主电路输入电压和输入电流的相位差。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。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为滤波电容、Usm为网侧电压有效值、Iim为网侧输入电流有效值、ω输入电压角频率。若直流侧负载突变，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，本发明的趋近律滑模控制方法具体实施方式：
根据其拓扑结构，建立直流输出电压和主电路输出电流的状态方程：其中Vo为直流输出电压、Idc为主电路输出电流、VPN为主电路输出电压、Lo为输出滤波器电感值、Co为输出滤波器电容容值、RL为负载电阻。通过传感器检测直流输出电压Vo，并与目标期望电压Vref进行比较，得到ev＝Vo-Vref。电压偏差和主电路输出电流的状态方程：通过传感器检测网侧电压和网侧电流，根据瞬时功率理论，式中ua、ub和uc分别为三相静止坐标系下A、B和C相的电压，uα和uβ分别为两相静止坐标系下α和β轴上的电压。网侧电压相位的正弦和余弦分别为：和 式中ia、ib和ic分别为三相静止坐标系下A、B和C相的电流，iα和iβ分别为两相静止坐标系下α和β轴上的电流。网侧电流相位的正弦和余弦分别为和 式中为网侧电压和电流的相位差，α为网侧电压的相位，β为网侧电流的相位。
设计滑模函数 c1为正常数，这里取c1＝10-15。其中上式中，C为滤波电容、Usm为网侧电压有效值、Iim为网侧输入电流有效值、ω输入电压角频率。采用等速趋近律，即其中ε1均为预设的正常数(此处预设定为1.05)。做合理简化，可得控制函数为：当S1>0时，补偿角为当S2<0时，补偿角为
检测直流输出电压V0，并与目标期望电压Vref比较差得ev＝Vo-Vref。设计滑模函数则其中c2＝LoCo，Lo和Co为输出滤波器的电感值与电容值。采用指数趋近律，即：其中ε2、k均为预设的正数，取ε2＝4×106，k＝3×10-5。由此可得控制函数的等效控制为：当S2>0时，设定电流调制系数当S2<0时，设定电流调制系数其中，ε2、k均为预设的正常数，Vim为主电路输入相电压的幅值。当三相输入电压不平衡时，通过自适应选择滑模面，可控制电流调制系数m，使直流输出电的压V0跟随期望目标电压Vref，能够抑制三相输入电压不平衡导致直流电压输出的波动(如图8)，实现对直流输出电压V0进行趋近律滑模控制的目的。
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(如图7所示)。
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。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，本领域技术人员可以在任何未背离本发明的精神实质与原理下进行改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种矩阵整流器的趋近律滑模控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)针对相位补偿，设滑模函数其中c1为正常数，为矩阵整流器网侧功率因数角，采用等速趋近律初步设定ε1＝1.05，当S1>0时，补偿角为当S1<0时，补偿角为通过实时选择补偿角，实现对功率因数角进行趋近律滑模控制的目的；
(2)针对直流输出电压控制，检测矩阵整流器直流输出电压Vo，并与目标期望电压Vref比较得ev＝Vo-Vref，设滑模函数式中.表示一阶导数，c2为正常数；采用指数趋近律当S2>0时，设定电流调制系数 当S2＜0时，设定电流调制系数其中，ε2、k均为预设的正数，Lo和Co为输出滤波器的电感值与电容值，Vim为主电路输入相电压的幅值；通过对m的控制，使输出电压稳定。
2.根据权利要求1所述的一种矩阵整流器的趋近律滑模控制方法，其特征在于，获得电流调制系数m和偏移角度后，θ为矩阵整流器输入电源角位移，矩阵整流器的控制单元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。
3.根据权利要求1所述的一种矩阵整流器的趋近律滑模控制方法，其特征在于，步骤(1)中，通过传感器实时检测矩阵整流器网侧电压和网侧电流，根据瞬时功率理论，利用克拉克变换得出网侧电压相位移α和网侧电流相位移β，计算出在当前输入条件下矩阵整流器的网侧功率因数角
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