CN105245116A - 一种减少双级矩阵变换器换流次数的载波调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少双级矩阵变换器换流次数的载波调制方法；对于整流级，把输入相电压划分为六个区间，在每个区间内选择两个最大且极性为正的线电压和零电压来合成输出直流电压，并计算相应的占空比；对于逆变级，采用空间电压矢量调制，根据参考电压矢量所在扇区计算有效电压矢量及零电压矢量的占空比。将逆变级的零电压矢量占空比等效变换到整流级，然后依据整流级和逆变级的调制过程，画出开关调制顺序图，分别计算出整流级和逆变级的调制信号，并与同一个三角载波信号比较，得到整流级和逆变级功率开关的驱动信号。在一个调制周期内，与双空间矢量调制和传统载波调制相比，该方法分别减少了4次和2次换流，且保证了输入输出波形的质量。

Description

一种减少双级矩阵变换器换流次数的载波调制方法

技术领域

本发明属于交流-交流电能变换装置的技术领域，具体涉及一种减少双级矩阵变换器换流次数的载波调制方法。

背景技术

双级矩阵变换器的电路拓扑结构如图1所示，它是由三相整流级和逆变级级联而成，且无中间直流环节，其三相输入端连接三相电网，三相输出端连接交流负载。

双级矩阵变换器的调制方法主要有两种：双空间矢量调制和载波调制。其中，应用双空间矢量调制方法时，需要多次划分扇区以及在不同扇区内对矢量进行复杂的排序，过程复杂多变；对开关调制顺序进行中心化处理后，如图2所示，图中，T_μ、T_γ和T_0r为整流级有效矢量和零矢量的作用时间，且有T_μ+T_γ+T_0r＝T_s，T_0iμ+T_αμ+T_βμ＝T_μ，T_0iγ+T_αγ+T_βγ＝T_γ。通过分析，该方法在一个调制周期内的换流次数为16次。

载波调制是通过选择适当的载波信号与调制波信号相比较，得到控制功率开关通断的PWM信号，过程简单且易于实现。对于双级矩阵变换器来说，其载波调制分为整流级载波调制和逆变级载波调制。传统载波调制时，其整流级无零矢量，而逆变级有零矢量，且功率开关的驱动信号是由整流级和逆变级的调制信号与各自的载波信号相比较得到的；对开关调制顺序进行中心化处理后，如图3所示，图中，T_x和T_y为整流级两个线电压的作用时间，且T_x+T_y＝T_s，T_αx+T_βx+T_0ix＝T_x，T_αy+T_βy+T_0iy＝T_y。经分析，该方法在一个调制周期内的换流次数为14次。

在应用双空间矢量调制或传统载波调制时，双级矩阵变换器的换流次数均较多，从而造成了较大的开关损耗。

发明内容

本发明的目的是，提出一种科学合理，适用性强，效果佳的减少双级矩阵变换器换流次数的载波调制方法，意在解决现有的双级矩阵变换器调制策略换流次数较多造成的开关损耗较大的问题。

实现发明目的采用的技术方案是，一种减少双级矩阵变换器换流次数的载波调制方法，所述双级矩阵变换器包括整流级和逆变级，所述整流级是由六组双向功率开关组成的三相桥式整流电路，所述逆变级是由六组功率开关组成的三相逆变电路；其特征在于：

对于所述的整流级，把输入相电压划分成六个区间，在每个区间内选择两个最大且极性为正的线电压和零电压来合成输出的直流电压，并计算相应的占空比；对于所述的逆变级，采用空间电压矢量调制，根据参考电压矢量所在扇区计算有效电压矢量及零电压矢量的占空比，将逆变级的零电压矢量的占空比等效变换到整流级，然后依据整流级和逆变级的调制过程，画出开关调制顺序图，分别计算出整流级和逆变级的调制信号，并与同一个三角载波信号比较，得到整流级和逆变级功率开关的驱动信号。所述三角载波信号幅值从-1到1变化，其载波周期与调制周期相同。

1)所述整流级的调制信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1=2\·\frac{u_{max}-u_{min}}{U_{dc}}\·d_y-1\\ V_2=-2\·\frac{u_{max}-u_{min}}{U_{dc}}\·d_z+1\end{array}\right.$

其中，V₁和V₂为整流级的调制信号；u_max和u_min分别为逆变级输出相电压u_A、u_B、u_C的最大值与最小值；d_y和d_z为合成输出直流电压的两个有效线电压的占空比；U_dc为整流级输出的直流电压平均值；U_dc的计算公式如下：

U_dc＝d_y·u_xy+d_z·u_xz+d_0r·u_xx

其中，u_xy、u_xz和u_xx分别为合成整流级输出直流电压的两个线电压及零电压；x,y,z∈{a,b,c}，u_xy＝u_x-u_y，u_yz＝u_y-u_z，u_x为某一输入电压区间内绝对值最大的相电压，u_y和u_z为另外两相电压；d_0r为零电压的占空比，d_y、d_z和d_0r的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_y=-\frac{u_y}{U_{im}}\\ d_z=-\frac{u_z}{U_{im}}\\ d_{0r}=1-d_y-d_z\end{array}\right.$

其中，U_im为输入相电压幅值；

2)所述逆变级的调制信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{X1}=2\frac{u_X-u_{min}}{U_{dc}}\·d_y-1\\ V_{X2}=-2\frac{u_X-u_{min}}{U_{dc}}\·d_z+1\end{array}\right.$

其中，V_X1和V_X2为逆变级X相的调制信号；u_X为逆变级输出X相的相电压；X∈{A,B,C}；

3)利用整流级的调制信号V₁和V₂以及逆变级的调制信号V_X1和V_X2，分别与设定好的三角载波信号相比较，得到控制整流级和逆变级功率开关的驱动信号。

本发明的一种减少双级矩阵变换器换流次数的载波调制方法与双空间矢量调制和传统载波调制相比，在一个调制周期内，本发明的方法的换流次数分别减少了4次和2次，降低了开关的损耗，并且保证了输入输出波形的质量，具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。

附图说明

图1为双级矩阵变换器的基本结构拓扑图；

图2为双空间矢量调制策略下，整流级在第1扇区和逆变级在第Ⅰ扇区时开关的调制顺序图；

图3为传统载波调制策略下，整流级在第1区间和逆变级在第Ⅵ扇区时开关的载波调制顺序图；

图4为整流级输入相电压在一个调制周期内的区间划分图；

图5为逆变级输出电压空间矢量分布及参考矢量合成示意图；

图6为输出相电压区间划分示意图；

图7为本发明调制策略下，整流级在第1区间和逆变级在第Ⅵ扇区时开关的载波调制顺序以及生成整流级和逆变级A相的开关信号示意图；

图8为本发明调制策略下输入相电压和电流波形以及输出相电压波形和负载电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

图1为双级矩阵变换器的基本结构拓扑图。u_a、u_b、u_c和i_a、i_b、i_c分别表示三相输入相电压和输入电流；u_A、u_B、u_C和i_A、i_B、i_C分别表示三相输出相电压和输出相电流；S_kw(k＝a,b,c；w＝p,n)代表整流级对应的双向功率开关；S_jw(j＝A,B,C；w＝p,n)代表逆变级对应的功率开关。

首先，计算整流级和逆变级各矢量的占空比。

(1)整流级占空比计算

对于整流级，设三相输入相电压为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=U_{im}cos\left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)\\ u_b=U_{im}cos({\mathrm{\ω}}_{i}t-2\mathrm{\π}/3)\\ u_c=U_{im}cos({\mathrm{\ω}}_{i}t+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right.---\left(1\right)$

把输入相电压的周期分成6个电压区间，如图4所示。每个区间具有相同的特点：其中一相的电压绝对值为最大值，而另外两相电压极性相反。在每个区间内选择两个最大且极性为正的线电压和零电压来合成输出的直流电压。以输入电压在第1区间为例，设整流级的输出直流电压平均值为U_dc，选择用来合成直流电压的两个线电压和零电压为u_ab、u_ac和u_aa，这样保证了开关动作次数为最少。则有如下关系成立：

U_dc＝d_y·u_ab+d_z·u_ac+d_0r·u_aa(2)且有如下约束关系：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_y+d_z+d_{0r}=1\\ 0\≤d_y\≤1\\ 0\≤d_z\≤1\\ 0\≤d_{0r}\≤1\end{array}\right.---\left(4\right)$

在满足上述条件以及输入侧功率因数为1的基础上，可以求得：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_y=\frac{T_y}{T_s}=-\frac{u_y}{U_{im}}\\ d_z=\frac{T_z}{T_s}=-\frac{u_z}{U_{im}}\\ d_{0r}=\frac{T_{0r}}{T_s}=1-d_y-d_z\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，T_s为调制周期，T_y和d_y、T_z和d_z以及T_0r和d_0r分别为u_ab、u_ac和u_aa作用的时间及占空比。直流电压平均值U_dc为

$U_{dc}=\frac{3}{2}{U}_{im}---\left(6\right)$

根据以上分析，可得每个区间内的开关状态和直流电压及相应的占空比如表1所示。

表1整流级的开关状态和直流电压

(2)逆变级占空比计算

对于逆变级，设期望输出的三相电压为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_A=U_{om}cos\left({\mathrm{\ω}}_{o}t\right)\\ u_B=U_{om}cos({\mathrm{\ω}}_{o}t-2\mathrm{\π}/3)\\ u_C=U_{om}\cos ({\mathrm{\ω}}_{o}t+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right.---\left(7\right)$

图5为输出电压空间矢量分布图；图6为输出电压区间划分示意图。根据参考电压矢量的合成原理，可以求得逆变级各矢量的占空比：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{\α}}=m_{inv}sin(\mathrm{\π}/3-{\mathrm{\θ}}_{inv})\\ d_{\mathrm{\β}}=m_{inv}{\mathrm{sin\θ}}_{inv}\\ d_{0i}=1-d_{\mathrm{\α}}-d_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，d_α、d_β和d_0i分别为有效矢量和零矢量的占空比；θ_inv为参考矢量所在扇区的相对位置角，θ_inv与ω_ot的关系为θ_inv＝ω_ot-(k-1)π/3，k为扇区编号，k＝1,2,…,6；m_inv为逆变级调制比，且 $m_{inv}=\sqrt{3}{U}_{om}/U_{dc}.$

根据以上分析，画出经中心化处理后的整流级和逆变级的开关顺序图，该开关顺序图与双空间矢量策略的开关顺序图相似，如图2所示，把图中逆变级的零矢量等效变换到整流级中，得到开关的载波调制图，如图7所示。

根据以上结果及图7所示的开关载波调制图，分别计算整流级和逆变级的调制信号，并得出功率开关的驱动信号。

根据式(5)和式(8)，计算得出整流级的调制信号

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1=2\·\frac{u_{max}-u_{min}}{U_{dc}}\·d_y-1\\ V_2=-2\·\frac{u_{\max }-u_{min}}{U_{dc}}\·d_z+1\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，V₁和V₂为整流级的调制信号；u_max和u_min分别为逆变级输出相电压的最大值与最小值；

设当调制信号高于三角载波时有效，整流级的调制信号V₁和V₂与三角载波相比较，得到两组调制信号PWM1和PWM2，如图)所示，通过对得到的调制信号选择适当的逻辑运算，得到整流级功率开关的驱动信号。如输入相电压在第1区间，S_ap为原点开关；PWM1可作为双向功率开关S_bn的驱动信号；PWM2取反后可作为双向功率开关S_cn的驱动信号；PWM1和PWM2相异或后可作为双向功率开关S_an的驱动信号。其他输入相电压区间内功率开关的驱动信号生成与之类似。

根据式(5)和式(8)计算得出逆变级的调制信号

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{X1}=2\frac{u_X-u_{min}}{U_{dc}}\·d_y-1\\ V_{X2}=-2\frac{u_X-u_{\min }}{U_{dc}}\·d_z+1\end{array}\right.---\left(10\right)$

式中，V_X1和V_X2为逆变级X相的调制信号；u_X为逆变级输出X相的相电压；u_min为输出相电压u_A、u_B、u_C中的最小值；X∈{A,B,C}。

设当调制信号高于三角载波时有效，将逆变级的调制信号与三角载波相比较，得到六组调制信号，即为S_A1，S_A2，S_B1，S_B2，S_C1，S_C2，图7中示出了S_C1和S_C2及S_C的生成过程，通过对得到的调制信号选择适当的逻辑运算，得到逆变级功率开关的驱动信号。A、B、C三相上桥臂功率开关的驱动信号S_A、S_B、S_C可分别由S_A1和S_A2、S_B1和S_B2、S_C1和S_C2相同或得到，下桥臂功率开关的驱动信号与上桥臂功率开关的驱动信号互补。

为了说明本发明在减少双级矩阵变换器换流次数的条件下，能保证良好的输入和输出性能，图8给出了本发明一种减少双级矩阵变换器换流次数的载波调制方法下的输入相电压和电流波形以及输出相电压波形和负载电流波形图。

以上调制过程及实验结果表明，在一个调制周期内，与双空间矢量调制和传统载波调制相比，本发明的方法的换流次数分别减少了4次和2次，降低了开关的损耗，并且保证了输入输出波形的质量。

Claims (3)

1.一种减少双级矩阵变换器换流次数的载波调制方法，所述双级矩阵变换器包括整流级和逆变级，所述整流级是由六组双向功率开关组成的三相桥式整流电路，所述逆变级是由六组功率开关组成的三相逆变电路；其特征在于：

对于所述的整流级，把输入相电压划分成六个区间，在每个区间内选择两个最大且极性为正的线电压和零电压来合成输出的直流电压，并计算相应的占空比；对于所述的逆变级，采用空间电压矢量调制，根据参考电压矢量所在扇区计算有效电压矢量及零电压矢量的占空比，将逆变级的零电压矢量的占空比等效变换到整流级，然后依据整流级和逆变级的调制过程，画出开关调制顺序图，分别计算出整流级和逆变级的调制信号，并与同一个三角载波信号比较，得到整流级和逆变级功率开关的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的减少双级矩阵变换器换流次数的载波调制方法，其特征在于：所述三角载波信号幅值从-1到1变化，其载波周期与调制周期相同。

3.根据权利要求1所述的减少双级矩阵变换器换流次数的载波调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)所述整流级的调制信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1=2\·\frac{u_{max}-u_{min}}{U_{dc}}\·d_y-1\\ V_2=-2\·\frac{u_{max}-u_{min}}{U_{dc}}\·d_z+1\end{array}\right.$

其中，V₁和V₂为整流级的调制信号；u_max和u_min分别为逆变级输出相电压u_A、u_B、u_C的最大值与最小值；d_y和d_z为合成输出直流电压的两个有效线电压的占空比；U_dc为整流级输出的直流电压平均值；U_dc的计算公式如下：

U_dc＝d_y·u_xy+d_z·u_xz+d_0r·u_xx

其中，u_xy、u_xz和u_xx分别为合成整流级输出直流电压的两个线电压及零电压；x,y,z∈{a,b,c}，u_xy＝u_x-u_y，u_yz＝u_y-u_z，u_x为某一输入电压区间内绝对值最大的相电压，u_y和u_z为另外两相电压；d_0r为零电压的占空比，d_y、d_z和d_0r的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_y=-\frac{u_y}{U_{im}}\\ d_z=-\frac{u_z}{U_{im}}\\ d_{0r}=1-d_y-d_z\end{array}\right.$

其中，U_im为输入相电压幅值；

2)所述逆变级的调制信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{X1}=2\frac{u_X-u_{min}}{U_{dc}}\·d_y-1\\ V_{X2}=-2\frac{u_X-u_{min}}{U_{dc}}\·d_z+1\end{array}\right.$

其中，V_X1和V_X2为逆变级X相的调制信号；u_X为逆变级输出X相的相电压；X∈{A,B,C}；

3)利用整流级的调制信号V₁和V₂以及逆变级的调制信号V_X1和V_X2，分别与设定好的三角载波信号相比较，得到控制整流级和逆变级功率开关的驱动信号。