CN106877708B - 一种带滑模补偿算法的矩阵整流器控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带滑模补偿算法的矩阵整流器控制方法，包括以下步骤：获取所述矩阵整流器的输入电压瞬时值，对所述输入电压瞬时值进行CLARK变换，对应得到αβ坐标系下的电压vα、vβ，定义 为在理想三相电网输入下，αβ坐标系下的电压，根据vα、vβ、 得到修正系数k；获得滑模函数其中e＝VPN‑Vref,VPN是矩阵整流器的输出电压，Vref是矩阵整流器的目标电压，c是由赫尔维茨稳定条件整定的常数；根据滑模函数S得到调制系数m,当S＞0时，调制系数m＝0；当S＜0时，调制系数其中Vim为网侧输入相电压的幅值；依据调制系数m对矩阵整流器进行SVM的控制。

Description

一种带滑模补偿算法的矩阵整流器控制方法及系统
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
矩阵整流器是三相/三相AC-AC矩阵变换器演化而来的一种三相/单相AC-DC变换器。矩阵整流器可以实现四象限运行、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功能，已经被应用在众多工业领域。
矩阵整流器通常采用SVM(space vector modulation，空间矢量调制)算法进行工作，由于SVM算法属于开环控制，无法抑制电网波动以及负载波动对其的不良影响。通常采用的补偿算法，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。
发明内容
本发明提供一种矩阵整流器的控制方法，使得矩阵整流器在三相输入电压不平衡时，或者当负载跳变时，可以保证直流输出电压稳定，动态响应快，鲁棒性强。
本发明的一种带滑模补偿算法的矩阵整流器控制方法包括：
获取所述矩阵整流器的输入电压瞬时值，对所述输入电压瞬时值进行CLARK变换，对应得到αβ坐标系下的电压vα、vβ，定义为在理想三相电网输入下，αβ坐标系下的电压，根据vα、vβ、得到修正系数k；
获得滑模函数其中e＝VPN-Vref,VPN是矩阵整流器的输出电压，Vref是矩阵整流器的目标电压，c是由赫尔维茨稳定条件整定的常数，t等于控制周期，ξ代表时间，表示电压的偏差在一个控制周期内的积分；
根据滑模函数S得到调制系数m,当S＞0时，调制系数m＝0；当S＜0时，调制系数其中Vim为网侧输入相电压的幅值；
依据调制系数m对矩阵整流器进行SVM的控制。
本发明亦提供一种带滑模补偿算法的矩阵整流器控制系统，包括：
修正系数计算模块，用于获取所述矩阵整流器的输入电压瞬时值，对所述输入电压瞬时值进行CLARK变换，对应得到αβ坐标系下的电压vα、vβ，定义 为在理想三相电网输入下，αβ坐标系下的电压，根据vα、vβ、得到修正系数k；
滑模函数计算模块，用于获得滑模函数其中e＝VPN-Vref,VPN是矩阵整流器的输出电压，Vref是矩阵整流器的目标电压，c是由赫尔维茨稳定条件整定的常数，t等于控制周期，ξ代表时间，表示电压的偏差在一个控制周期内的积分；
调制系数计算模块，用于根据滑模函数S得到调制系数m,当S＞0时，调制系数m＝0；当S＜0时，调制系数其中Vim为网侧输入相电压的幅值；
控制模块，用于依据调制系数m对矩阵整流器进行SVM的控制。
传统的SVM算法调制，矩阵整流器容易受到电网侧输入电压不平衡影响，导致直流输出不稳定；并且在负载跃变，或者目标电压变化时，矩阵整流器的直流输出电压超调量大，响应时间长。
滑模控制，本质上是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。在矩阵整流器调制过程中，加入滑模补偿算法，本质上就是矩阵整流器按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。
本发明的控制方法是采用基于SVM带滑模补偿算法，使得矩阵整流器在三相输入电压不平衡时，或者当负载跳变时，可以保证直流输出电压稳定，动态响应快，鲁棒性强。
附图说明
图1为本发明提供的一种矩阵整流器的应用拓扑结构图；
图2为本发明提供的输入电流空间矢量划分示意图；
图3本发明提供的一种输入电流空间矢量的目标电流矢量合成图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的带滑模补偿算法的矩阵整流器的控制方法作进一步的说明。
步骤1：实时采集三相电网的电压瞬时值，进行克拉克变化，得到vα、vβ。修正系数其中为在理想三相电网输入下，αβ坐标系下的电压。
usa、usb、usc为三相输入电压，经过LC输入滤波器，进入矩阵整流器主电路，S11～S23为六个双向开关。整流后经过LC输出滤波器后，给负载供电，如图1所述。
在电网侧，用传感器采集网侧电压、网侧电流瞬时值,经过克拉克(abc/αβ)变换，得到vα、vβ。
步骤2：记滑模函数其中e＝VPN-Vref,c根据赫尔维茨稳定条件整定的常数,VPN是矩阵整流器的输出电压，Vref是矩阵整流器的目标电压，c是由赫尔维茨稳定条件整定的常数。
步骤3：当Vref、VPN送入滑模控制器得到滑模函数S之后，利用滑模函数判定调制系数m的取值大小，以保证矩阵整流器直流输出电压不受外界波动影响；矩阵整流器的直流输出电压表达式为：Vim为网侧输入相电压的幅值，为矩阵整流器的功率因数角。
当S＞0时，调制系数m＝0；当S＜0时，调制系数其中Vim为网侧输入相电压的幅值。通过控制调制系数m，保证矩阵整流器输出电压稳定。
步骤4，依据调制系数m对矩阵整流器进行SVM的控制。
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2所示。
图2中，为矩阵整流器输入电流空间矢量，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为零矢量。合成示意图如图3所示。
上式中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调节周期内和三个电流矢量的作用时间，其占空比函数分别为：
本发明采用采用基于SVM带滑模补偿算法，滑模控制的稳定性与动态品质仅取决于滑模面及其参数，这种特性控制系统不受到参数扰动以及外部干扰的影响，因此，本发明使得矩阵整流器在三相输入电压不平衡时，或者当负载跳变时，可以保证直流输出电压稳定，动态响应快，鲁棒性强。

Claims (8)

1.一种带滑模补偿算法的矩阵整流器控制方法，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，对所述输入电压瞬时值进行CLARK变换，对应得到αβ坐标系下的电压vα、vβ，定义为在理想三相电网输入下，αβ坐标系下的电压，根据vα、vβ、得到修正系数k；
获得滑模函数其中e＝VPN-Vref,VPN是矩阵整流器的输出电压，Vref是矩阵整流器的目标电压，c是由赫尔维茨稳定条件整定的常数，t等于控制周期，ξ代表时间，表示电压的偏差在一个控制周期内的积分；
根据滑模函数S得到调制系数m,当S＞0时，调制系数m＝0；当S＜0时，调制系数其中Vim为网侧输入相电压的幅值；
依据调制系数m对矩阵整流器进行SVM的控制。
2.根据权利要求1所述的带滑模补偿算法的矩阵整流器控制方法，其特征在于，根据vα、vβ、得到修正系数k,采用公式：
3.根据权利要求1所述的带滑模补偿算法的矩阵整流器控制方法，其特征在于，依据调制系数m对矩阵整流器进行SVM的控制，包括：
定义为矩阵整流器输入电流空间矢量，其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°]，为零矢量，将和进行PWM合成，将能得到目标电流矢量
上式中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调节周期内和三个电流矢量的作用时间，其占空比函数分别为：
4.根据权利要求1所述的带滑模补偿算法的矩阵整流器控制方法，其特征在于，定义为矩阵整流器的功率因数角，所述矩阵整流器的直流输出电压表达式为：
5.一种带滑模补偿算法的矩阵整流器控制系统，其特征在于，该系统包括：
修正系数计算模块，用于获取所述矩阵整流器的输入电压瞬时值，对所述输入电压瞬时值进行CLARK变换，对应得到αβ坐标系下的电压vα、vβ，定义 为在理想三相电网输入下，αβ坐标系下的电压，根据vα、vβ、得到修正系数k；
滑模函数计算模块，用于获得滑模函数其中e＝VPN-Vref,VPN是矩阵整流器的输出电压，Vref是矩阵整流器的目标电压，c是由赫尔维茨稳定条件整定的常数，t等于控制周期，ξ代表时间，表示电压的偏差在一个控制周期内的积分；
调制系数计算模块，用于根据滑模函数S得到调制系数m,当S＞0时，调制系数m＝0；当S＜0时，调制系数其中Vim为网侧输入相电压的幅值；
控制模块，用于依据调制系数m对矩阵整流器进行SVM的控制。
6.根据权利要求5所述的带滑模补偿算法的矩阵整流器控制系统，其特征在于，在所述修正系数计算模块之中，根据vα、vβ、得到修正系数k,采用公式：
7.根据权利要求5所述的带滑模补偿算法的矩阵整流器控制系统，其特征在于，在所述控制模块之中，依据调制系数m对矩阵整流器进行SVM的控制，包括：
定义为矩阵整流器输入电流空间矢量，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°]，为零矢量，将和进行PWM合成，将能得到目标电流矢量
上式中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调节周期内和三个电流矢量的作用时间，其占空比函数分别为：
8.根据权利要求5所述的带滑模补偿算法的矩阵整流器控制系统，其特征在于，在所述控制模块之中，定义为矩阵整流器的功率因数角，所述矩阵整流器的直流输出电压表达式为：
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