CN106100396A - 一种矩阵整流器的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩阵整流器的控制方法及系统，包括获取矩阵整流器的输入电压瞬时值以及输入电流瞬时值，并分别对输入电压瞬时值和输入电流瞬时值进行CLARK变换，对应得到αβ坐标系下的电压v_α、v_β以及电流i_α、i_β，依据电压u_α、u_β以及电流i_α、i_β得到矩阵整流器的输入瞬时有功功率P_s；获取矩阵整流器的输出电压以及输出电流，并依据输出电压和输出电流得到矩阵整流器的输出功率P_o；将输出功率P_o与输入瞬时有功功率P_s进行做差处理，得到功率差值；依据功率差值以及滑模函数得到电压调制比；依据矩阵整流器的输入电流空间矢量以及电压调制比对矩阵整流器进行SVM控制。本发明提供的方法及系统鲁棒性好，而且在外部参数急剧变化时动态响应快，在负载剧烈变化下响应时间短，可靠性高。

Description

一种矩阵整流器的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及矩阵整流器控制技术领域，特别是涉及一种矩阵整流器的控制方法及系统。

背景技术

矩阵整流器是一种通用的降压型三相AC-DC变换器，因为其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、可以产生幅值可调、极性可调的直流电压源等诸多优点正在被越来越多的应用。

矩阵整流器通常采用基于SVM(space vector modulation，空间矢量调制)的滞环比较跟踪控制和PI电压环控制等控制方法，但这些控制方法鲁棒性差，而且在外部参数急剧变化时动态响应慢，在负载剧烈变化下响应时间较长，可靠性低。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的矩阵整流器的控制方法及系统是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种矩阵整流器的控制方法，一方面，能够直接进行功率控制，另一方面，滑模控制的稳定性与动态品质仅取决于滑模面及其参数，这种特性使得参数扰动以及外部干扰对控制系统无效化，因此，本发明提供的方法及系统鲁棒性好，而且在外部参数急剧变化时动态响应快，在负载剧烈变化下响应时间短，可靠性高；本发明的另一目的是提供一种矩阵整流器的控制系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种矩阵整流器的控制方法，该方法包括：

获取所述矩阵整流器的输入电压瞬时值以及输入电流瞬时值，并分别对所述输入电压瞬时值和所述输入电流瞬时值进行CLARK变换，对应得到αβ坐标系下的电压v_α、v_β以及电流i_α、i_β，依据所述电压u_α、u_β以及电流i_α、i_β得到所述矩阵整流器的输入瞬时有功功率P_s，其中P_s＝v_αi_α+v_βi_β；

获取所述矩阵整流器的输出电压以及输出电流，并依据所述输出电压和所述输出电流得到所述矩阵整流器的输出功率P_o；

将所述输出功率P_o与所述输入瞬时有功功率P_s进行做差处理，得到功率差值；

依据所述功率差值以及滑模函数得到电压调制比，所述滑模函数为：

其中，e＝P_o-P_s，c为根据赫尔维茨稳定条件整定的常数；

依据所述矩阵整流器的输入电流空间矢量以及所述电压调制比对所述矩阵整流器进行SVM控制。

优选地，所述依据所述功率差值以及滑模函数得到电压调制比的过程为：

当所述功率差值使得当前的S大于零时，电压调制比m取0；

当所述功率差值使得当前的S小于零时，电压调制比m取1。

优选地，所述依据所述矩阵整流器的输入电流空间矢量以及所述电压调制比对所述矩阵整流器进行SVM控制的过程为：

依据所述矩阵整流器的输入电流空间矢量以及所述电压调制比m分别得到和的占空比函数：

f_x(θ)＝m×sin(60°-θ)；

f_y(θ)＝m×sin(θ)；

f₀(θ)＝1-f_x(θ)-f_y(θ)；

其中，所述输入电流空间矢量由和合成，对应于所述输入电流空间矢量的相邻两个有效电流矢量中相位超前的一个，对应于所述输入电流空间矢量的相邻两个有效电流矢量中相位滞后的一个，为零矢量；

依据所述占空比函数对所述矩阵整流器进行SVM控制。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种矩阵整流器的控制系统，该系统包括：

输入瞬时有功功率计算模块，用于获取所述矩阵整流器的输入电压瞬时值以及输入电流瞬时值，并分别对所述输入电压瞬时值和所述输入电流瞬时值进行CLARK变换，对应得到αβ坐标系下的电压v_α、v_β以及电流i_α、i_β，依据所述电压u_α、u_β以及电流i_α、i_β得到所述矩阵整流器的输入瞬时有功功率P_s，其中P_s＝v_αi_α+v_βi_β；

输出功率计算模块，用于获取所述矩阵整流器的输出电压以及输出电流，并依据所述输出电压和所述输出电流得到所述矩阵整流器的输出功率P_o；

功率差值计算模块，用于将所述输出功率P_o与所述输入瞬时有功功率P_s进行做差处理，得到功率差值；

电压调制比计算模块，用于依据所述功率差值以及滑模函数得到电压调制比，所述滑模函数为：

其中，e＝P_o-P_s，c为根据赫尔维茨稳定条件整定的常数；

控制模块，用于依据所述矩阵整流器的输入电流空间矢量以及所述电压调制比对所述矩阵整流器进行SVM控制。

优选地，所述电压调制比计算模块具体用于：

当所述功率差值使得当前的S大于零时，电压调制比m取0；

当所述功率差值使得当前的S小于零时，电压调制比m取1。

优选地，所述控制模块具体用于：

依据所述矩阵整流器的输入电流空间矢量以及所述电压调制比m分别得到和的占空比函数：

f_x(θ)＝m×sin(60°-θ)；

f_y(θ)＝m×sin(θ)；

f₀(θ)＝1-f_x(θ)-f_y(θ)；

其中，所述输入电流空间矢量由和合成，对应于所述输入电流空间矢量的相邻两个有效电流矢量中相位超前的一个，对应于所述输入电流空间矢量的相邻两个有效电流矢量中相位滞后的一个，为零矢量；

依据所述占空比函数对所述矩阵整流器进行SVM控制。

本发明提供了一种矩阵整流器的控制方法及系统，包括获取矩阵整流器的输入瞬时有功功率以及输出功率，再对输出功率P_o以及瞬时有功功率P_s进行做差处理，得到功率差值，然后依据功率差值以及滑模函数得到电压调制比，然后最后依据矩阵整流器的输入电流空间矢量以及电压调制比对矩阵整流器进行SVM控制。本发明采用滑模控制，一方面，能够直接进行功率控制，另一方面，滑模控制的稳定性与动态品质仅取决于滑模面及其参数，这种特性使得参数扰动以及外部干扰对控制系统无效化，因此，本发明提供的方法及系统鲁棒性好，而且在外部参数急剧变化时动态响应快，在负载剧烈变化下响应时间短，可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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为本发明提供的一种矩阵整流器的控制方法的过程的流程图；

图2为本发明提供的一种矩阵整流器的应用拓扑结构图；

图3为本发明提供的一种输入相电流空间矢量图；

图4为本发明提供的一种输入电流空间矢量的合成图；

图5为本发明提供的一种矩阵整流器的控制系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种矩阵整流器的控制方法，一方面，能够直接进行功率控制，另一方面，滑模控制的稳定性与动态品质仅取决于滑模面及其参数，这种特性使得参数扰动以及外部干扰对控制系统无效化，因此，本发明提供的方法及系统鲁棒性好，而且在外部参数急剧变化时动态响应快，在负载剧烈变化下响应时间短，可靠性高；本发明的另一核心是提供一种矩阵整流器的控制系统。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

请参照图1，图1为本发明提供的一种矩阵整流器的控制方法的过程的流程图。

该方法包括：

步骤S101：获取矩阵整流器的输入电压瞬时值以及输入电流瞬时值，并分别对输入电压瞬时值和输入电流瞬时值进行CLARK变换，对应得到αβ坐标系下的电压v_α、v_β以及电流i_α、i_β，依据电压u_α、u_β以及电流i_α、i_β得到矩阵整流器的输入瞬时有功功率P_s，其中P_s＝v_αi_α+v_βi_β；

具体地，请参照图2，图2为本发明提供的一种矩阵整流器的应用拓扑结构图。

图2中，u_sa、u_sb、u_sc为三相交流输入电压，经过LC输入滤波器后进入矩阵整流器主电路，S11-S23为6个双向开关，经过矩阵整流器整流后经过LC输出滤波器后给负载Ro供电。

这里的输入电压瞬时值以及输入电流瞬时值也即采用传感器采集的电网侧电压瞬时值以及电网侧电流瞬时值。

步骤S102：获取矩阵整流器的输出电压以及输出电流，并依据输出电压和输出电流得到矩阵整流器的输出功率P_o；

具体地，这里的输出电压是指LC输出滤波器中的滤波电容C_O两端的电压。

步骤S103：将输出功率P_o与输入瞬时有功功率P_s进行做差处理，得到功率差值；

步骤S104：依据功率差值以及滑模函数得到电压调制比，滑模函数为：

其中，e＝P_o-P_s，c为根据赫尔维茨稳定条件整定的常数；

作为优选地，依据功率差值以及滑模函数得到电压调制比的过程为：

当功率差值使得当前的S大于零时，电压调制比m取0；

当功率差值使得当前的S小于零时，电压调制比m取1。

本发明选用输出功率P_o与输入瞬时有功功率P_s作为滑模函数的参数，一方面，输出功率P_o与输入瞬时有功功率P_s的计算简单，另外，采用输出功率P_o与输入瞬时有功功率P_s作为滑模函数的参数对矩阵整流器进行控制，控制精度高、系统性能可靠性高。

则矩阵整流器的直流输出电压表达式为：V_im为网侧输入相电压的幅值，为矩阵整流器的功率因数角。

可见，矩阵整流器的直流输出电压由电压调制比、输入相电压的幅值以及功率因素角决定。因此，在一个周期内输出电压的平均值可以通过调节电压调制比以及功率因数角来实现。

步骤S105：依据矩阵整流器的输入电流空间矢量以及电压调制比对矩阵整流器进行SVM控制。

作为优选地，依据矩阵整流器的输入电流空间矢量以及电压调制比对矩阵整流器进行SVM控制的过程为：

依据矩阵整流器的输入电流空间矢量以及电压调制比m分别得到和的占空比函数：

f_x(θ)＝m×sin(60°-θ)；

f_y(θ)＝m×sin(θ)；

f₀(θ)＝1-f_x(θ)-f_y(θ)；

其中，输入电流空间矢量由和合成，对应于输入电流空间矢量的相邻两个有效电流矢量中相位超前的一个，对应于输入电流空间矢量的相邻两个有效电流矢量中相位滞后的一个，为零矢量；

依据占空比函数对矩阵整流器进行SVM控制。

具体地，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，是有效矢量，是零矢量。在空间上，有效矢量划分了6个扇区，如图3所示，图3为本发明提供的一种输入相电流空间矢量图。

图3中，为矩阵整流器输入电流空间矢量，它相邻的两个有效电流矢量，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合成示意图如图4所示，图4为本发明提供的一种输入电流空间矢量的合成图。

上式中T_s为一个PWM调节周期的时间，T_x(θ)、T_y(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_x(θ)＝m×sin(60°-θ)；

f_y(θ)＝m×sin(θ)；

f₀(θ)＝1-f_x(θ)-f_y(θ)；

得到占空比函数后，便可得到矩阵整流器中开关矢量的时间以及分配脉冲，进而来控制矩阵整流器的双向开关。

本发明提供了一种矩阵整流器的控制方法，包括获取矩阵整流器的输入瞬时有功功率以及输出功率，再对输出功率P_o以及瞬时有功功率P_s进行做差处理，得到功率差值，然后依据功率差值以及滑模函数得到电压调制比，然后最后依据矩阵整流器的输入电流空间矢量以及电压调制比对矩阵整流器进行SVM控制。本发明采用滑模控制，一方面，能够直接进行功率控制，另一方面，滑模控制的稳定性与动态品质仅取决于滑模面及其参数，这种特性使得参数扰动以及外部干扰对控制系统无效化，因此，本发明提供的方法及系统鲁棒性好，而且在外部参数急剧变化时动态响应快，在负载剧烈变化下响应时间短，可靠性高。

请参照图5，图5为本发明提供的一种矩阵整流器的控制系统的结构示意图，该系统包括：

输入瞬时有功功率计算模块1，用于获取矩阵整流器的输入电压瞬时值以及输入电流瞬时值，并分别对输入电压瞬时值和输入电流瞬时值进行CLARK变换，对应得到αβ坐标系下的电压v_α、v_β以及电流i_α、i_β，依据电压u_α、u_β以及电流i_α、i_β得到矩阵整流器的输入瞬时有功功率P_s，其中P_s＝v_αi_α+v_βi_β；

输出功率计算模块2，用于获取矩阵整流器的输出电压以及输出电流，并依据输出电压和输出电流得到矩阵整流器的输出功率P_o；

功率差值计算模块3，用于将输出功率P_o与输入瞬时有功功率P_s进行做差处理，得到功率差值；

电压调制比计算模块4，用于依据功率差值以及滑模函数得到电压调制比，滑模函数为：

其中，e＝P_o-P_s，c为根据赫尔维茨稳定条件整定的常数；

作为优选地，电压调制比计算模块4具体用于：

当功率差值使得当前的S大于零时，电压调制比m取0；

当功率差值使得当前的S小于零时，电压调制比m取1。

控制模块5，用于依据矩阵整流器的输入电流空间矢量以及电压调制比对矩阵整流器进行SVM控制。

作为优选地，控制模块5具体用于：

依据矩阵整流器的输入电流空间矢量以及电压调制比m分别得到和的占空比函数：

f_x(θ)＝m×sin(60°-θ)；

f_y(θ)＝m×sin(θ)；

f₀(θ)＝1-f_x(θ)-f_y(θ)；

其中，输入电流空间矢量由和合成，对应于输入电流空间矢量的相邻两个有效电流矢量中相位超前的一个，对应于输入电流空间矢量的相邻两个有效电流矢量中相位滞后的一个，为零矢量；

依据占空比函数对矩阵整流器进行SVM控制。

具体地，对于本发明提供的矩阵整流器的控制系统的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

本发明提供了一种矩阵整流器的控制系统，包括获取矩阵整流器的输入瞬时有功功率以及输出功率，再对输出功率P_o以及瞬时有功功率P_s进行做差处理，得到功率差值，然后依据功率差值以及滑模函数得到电压调制比，然后最后依据矩阵整流器的输入电流空间矢量以及电压调制比对矩阵整流器进行SVM控制。本发明采用滑模控制，一方面，能够直接进行功率控制，另一方面，滑模控制的稳定性与动态品质仅取决于滑模面及其参数，这种特性使得参数扰动以及外部干扰对控制系统无效化，因此，本发明提供的方法及系统鲁棒性好，而且在外部参数急剧变化时动态响应快，在负载剧烈变化下响应时间短，可靠性高。

对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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，在其他实施例中实现。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)

1.一种矩阵整流器的控制方法，其特征在于，该方法包括：

获取所述矩阵整流器的输入电压瞬时值以及输入电流瞬时值，并分别对所述输入电压瞬时值和所述输入电流瞬时值进行CLARK变换，对应得到αβ坐标系下的电压v_α、v_β以及电流i_α、i_β，依据所述电压u_α、u_β以及电流i_α、i_β得到所述矩阵整流器的输入瞬时有功功率P_s，其中P_s＝v_αi_α+v_βi_β；

获取所述矩阵整流器的输出电压以及输出电流，并依据所述输出电压和所述输出电流得到所述矩阵整流器的输出功率P_o；

将所述输出功率P_o与所述输入瞬时有功功率P_s进行做差处理，得到功率差值；

依据所述功率差值以及滑模函数得到电压调制比，所述滑模函数为：

其中，e＝P_o-P_s，c为根据赫尔维茨稳定条件整定的常数；

依据所述矩阵整流器的输入电流空间矢量以及所述电压调制比对所述矩阵整流器进行SVM控制。

2.如权利要求1所述的矩阵整流器的控制方法，其特征在于，所述依据所述功率差值以及滑模函数得到电压调制比的过程为：

当所述功率差值使得当前的S大于零时，电压调制比m取0；

当所述功率差值使得当前的S小于零时，电压调制比m取1。

3.如权利要求2所述的矩阵整流器的控制方法，其特征在于，所述依据所述矩阵整流器的输入电流空间矢量以及所述电压调制比对所述矩阵整流器进行SVM控制的过程为：

依据所述矩阵整流器的输入电流空间矢量以及所述电压调制比m分别得到和的占空比函数：

f_x(θ)＝m×sin(60°-θ)；

f_y(θ)＝m×sin(θ)；

f₀(θ)＝1-f_x(θ)-f_y(θ)；

其中，所述输入电流空间矢量由和合成，对应于所述输入电流空间矢量的相邻两个有效电流矢量中相位超前的一个，对应于所述输入电流空间矢量的相邻两个有效电流矢量中相位滞后的一个，为零矢量；

依据所述占空比函数对所述矩阵整流器进行SVM控制。

4.一种矩阵整流器的控制系统，其特征在于，该系统包括：

输入瞬时有功功率计算模块，用于获取所述矩阵整流器的输入电压瞬时值以及输入电流瞬时值，并分别对所述输入电压瞬时值和所述输入电流瞬时值进行CLARK变换，对应得到αβ坐标系下的电压v_α、v_β以及电流i_α、i_β，依据所述电压u_α、u_β以及电流i_α、i_β得到所述矩阵整流器的输入瞬时有功功率P_s，其中P_s＝v_αi_α+v_βi_β；

输出功率计算模块，用于获取所述矩阵整流器的输出电压以及输出电流，并依据所述输出电压和所述输出电流得到所述矩阵整流器的输出功率P_o；

功率差值计算模块，用于将所述输出功率P_o与所述输入瞬时有功功率P_s进行做差处理，得到功率差值；

电压调制比计算模块，用于依据所述功率差值以及滑模函数得到电压调制比，所述滑模函数为：

其中，e＝P_o-P_s，c为根据赫尔维茨稳定条件整定的常数；

控制模块，用于依据所述矩阵整流器的输入电流空间矢量以及所述电压调制比对所述矩阵整流器进行SVM控制。

5.如权利要求4所述的矩阵整流器的控制方法，其特征在于，所述电压调制比计算模块具体用于：

当所述功率差值使得当前的S大于零时，电压调制比m取0；

当所述功率差值使得当前的S小于零时，电压调制比m取1。

6.如权利要求5所述的矩阵整流器的控制方法，其特征在于，所述控制模块具体用于：

依据所述矩阵整流器的输入电流空间矢量以及所述电压调制比m分别得到和的占空比函数：

f_x(θ)＝m×sin(60°-θ)；

f_y(θ)＝m×sin(θ)；

f₀(θ)＝1-f_x(θ)-f_y(θ)；

其中，所述输入电流空间矢量由和合成，对应于所述输入电流空间矢量的相邻两个有效电流矢量中相位超前的一个，对应于所述输入电流空间矢量的相邻两个有效电流矢量中相位滞后的一个，为零矢量；

依据所述占空比函数对所述矩阵整流器进行SVM控制。