CN106972757A - 一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法 - Google Patents

一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力变换技术领域，提供一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法，包括：根据有源三次谐波注入矩阵变换器的第一输入信息，按照获取的整流控制规则，控制调节整流输出；根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的第二输入信息，按照获取的三次谐波注入控制规则，控制调节三次谐波注入电流；根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的期望输出，获取调制信号，控制调节逆变输出。本发明提供的一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法，通过设置中间级三次谐波注入控制，针对三相输入不平衡的输入工况，仍能保证输入输出波形质量，对于保证有源三次谐波注入矩阵变换器的宽范围适应性和鲁棒性具有重要意义。

Description

一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法
技术领域
本发明涉及电力变换技术领域，更具体地，涉及一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法。
背景技术
目前，在各式各样的交-交功率变换器中，间接矩阵变换器是一种新型的有源前端变换器，受到大量学者的广泛研究，其具有能输入输出正弦电流、输入侧功率因数可控、四象限运行、无需储能元件和可靠性高等诸多优点。但是间接矩阵变换器的整流级和逆变级同步调制会带来窄脉冲等问题，这限制了间接矩阵变换器的大规模工业应用。
通过集成无源前端变换器的前端整流器和一部分有源开关，可以构成混合前端变换器。混合前端变换器继承了无源前端变换器低开关损耗和低成本等优点，同时由于有源开关的控制，输入电流质量和功率因数有了明显改善，因而是一种折中的解决方案。有源三次谐波注入矩阵变换器是一种混合前端变换器。
与常规间接矩阵变换器相比，有源三次谐波注入矩阵变换器虽然开关数目有所增加，但却具有一些常规间接矩阵变换器所不具备的优点。例如在只需能量单向流动且负载功率因数较高的场合，前端的整流器可以用三相不可控二极管整流器代替，既降低了成本又提高了变换器的可靠性。另外，由于整流器中的开关可以用仅按工频切换的半导体器件如可关断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor,GTO)替代，在节约成本上具有较大的优势。
目前对有源三次谐波注入矩阵变换器调制和控制的讨论都是针对三相对称的输入工况。当三相输入不平衡时，按照现有的调制策略和控制算法势必造成输入输出波形产生畸变。因此，如何提供一种控制方法，能够在有源三次谐波注入矩阵变换器的输入为三相不平衡输入时，保证输入输出波形质量，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法，以解决现有只针对三相对称输入工况的调制和控制策略在三相输入不平衡的工况下会造成输入输出波形产生畸变的问题。
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法，包括：根据有源三次谐波注入矩阵变换器的第一输入信息，按照获取的整流控制规则，控制调节整流输出；根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的第二输入信息，按照获取的三次谐波注入控制规则，控制调节三次谐波注入电流；根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的期望输出，获取调制信号，控制调节逆变输出。
其中，所述根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的输入信息，按照获取的三次谐波注入控制规则，控制调节三次谐波注入电流具体包括：获取所述有源三次谐波注入矩阵变换器的输入功率；根据所述输入功率和所述有源三次谐波注入矩阵变换器输入相电压的正序电压分量幅值，以及所述有源三次谐波注入矩阵变换器输入相电压的负序电压分量幅值，计算所述有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流的正序电流分量幅值；判断获取所处扇区，根据所述所处扇区和所述正序电流分量幅值确定三次谐波注入电流参考值，根据所述所处扇区及扇区与三次谐波注入控制规则对应关系确定三次谐波注入控制规则；根据所述三次谐波注入电流参考值及所述三次谐波注入控制规则，通过控制所述中间级三次谐波注入电路控制三次谐波注入电流。
其中，所述根据有源三次谐波注入矩阵变换器的输入信息，按照获取的整流控制规则，控制调节整流输出具体包括：判断获取所处扇区；根据所述所处扇区及扇区与整流控制规则对应关系确定整流控制规则，并根据所述整流控制规则，通过控制所述前级三相整流电路控制整流输出。
其中，所述基于所述整流输出和所述三次谐波注入电流，根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的期望输出，控制调节逆变输出具体包括：根据设定三相期望输出电压和零序电压计算获取调制信号；根据所述调制信号和中间直流电压获取归一化调制信号；根据所述归一化调制信号，通过控制所述后级逆变电路控制逆变输出。
其中，所述有源三次谐波注入矩阵变换器包含半桥桥臂开关和三次谐波注入电感，所述三次谐波注入电感的取值范围为：
其中，Uim为前级三相整流电路的输入相电压的幅值，λ为纹波系数，I3rd为三次谐波注入电流参考值的幅值，fs为所述半桥桥臂开关的开关频率，Iim为前级三相整流电路的输入相电流的幅值，ωi为前级三相整流电路的输入三相交流电角频率，t为时间。
其中，所述判断获取所处扇区具体包括：根据有源三次谐波注入矩阵变换器瞬时三相输入电压的大小关系判断确定所述所处扇区。
其中，所述瞬时三相输入电压分别为ua、ub和uc，所述判断确定所述所处扇区具体包括：
若区间一内满足ua>ub>uc，则确定所述区间一为扇区Ⅰ；
若区间二内满足ub>ua>uc，则确定所述区间二为扇区Ⅱ；
若区间三内满足ub>uc>ua，则确定所述区间三为扇区Ⅲ；
若区间四内满足uc>ub>ua，则确定所述区间四为扇区Ⅳ；
若区间五内满足uc>ua>ub，则确定所述区间五为扇区Ⅴ；
若区间六内满足ua>uc>ub，则确定所述区间六为扇区Ⅵ。
其中，所述中间直流电压的获取方式包括：通过实时采样三相输入电压获得。
其中，所述扇区与三次谐波注入控制规则对应关系的设置准则包括：不发生输入短路、只导通一个双向开关以及与三相电网电压瞬时绝对值最小的那一相连接的双向开关导通。
其中，所述获取所述有源三次谐波注入矩阵变换器的输入功率具体包括：获取所述有源三次谐波注入矩阵变换器的输入电压和所述有源三次谐波注入矩阵变换器的输入电流，根据所述输入电压和所述输入电流计算获取所述输入功率；或者，通过功率采样电路采集获取所述输入功率。
本发明提供的一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法，通过设置中间级三次谐波注入控制，针对三相输入不平衡的输入工况，仍能保证输入输出波形质量，是对现有只针对三相对称输入工况的调制和控制策略的改进，对于保证有源三次谐波注入矩阵变换器的宽范围适应性和鲁棒性具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法构成示意图；
图2为本发明实施例一种有源三次谐波注入矩阵变换器的结构示意图；
图3为本发明实施例一种有源三次谐波注入矩阵变换器工作在扇区I且能量正向流动的等效电路图；
图4为本发明实施例一种有源三次谐波注入矩阵变换器工作在扇区I且能量反向流动的等效电路图；
图5为本发明实施例一种前级整流控制的处理流程图；
图6为本发明实施例一种中间级三次谐波注入控制的处理流程图；
图7为本发明实施例一种后级逆变控制的处理流程图；
图8为本发明实施例一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制流程图；
图9为本发明实施例一种仿真结果波形示意图；
图10为本发明实施例一种输入不平衡工况下有源三次谐波矩阵变换器的输入和输出矢量轨迹示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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的一部分实施例，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的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。
作为本发明实施例的一个实施例，本实施例提供一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法，参考图1，为本发明实施例一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法构成示意图，包括：S1，根据有源三次谐波注入矩阵变换器的第一输入信息，按照获取的整流控制规则，控制调节整流输出。S2，根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的第二输入信息，按照获取的三次谐波注入控制规则，控制调节三次谐波注入电流。S3，根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的期望输出，获取调制信号，控制调节逆变输出。
具体而言，参考图2，为本发明实施例一种有源三次谐波注入矩阵变换器的结构示意图，包括：前级三相整流电路1、中间级三次谐波注入电路2和后级逆变电路3。图中，输入电源4经LC滤波电路5与前级三相整流电路1相连。输入电源4的三相输出电压瞬时值分别为ua、ub和uc，输入电源4可以为220V市电电网。
其中，LC滤波电路5包括滤波电感LF和滤波电容CF。滤波电感LF串接在输入电源4的三相输出与前级三相整流电路1的三相输入之间，即滤波电感LF一端分别与输入电源4的三相输出端连接，另一端分别与前级三相整流电路1的输入端相连；滤波电容CF一端分别与前级三相整流电路1的输入端相连，另一端并联在一起。
同时，LC滤波电路5的输出端连接中间级三次谐波注入电路2的输入端，前级三相整流电路1和中间级三次谐波注入电路2的输出端并接后接入后级逆变电路3的输入端。经LC滤波电路5滤波后的输入交流电通过前级三相整流电路1的整流作用，输出直流电，通过中间级三次谐波注入电路2的补偿作用，输出到后级逆变电路3，后经后级逆变电路3的逆变作用输出交流电。
对于步骤S1，具体为，前级三相整流电路1需要对经LC滤波电路5滤波后的输入交流电进行整流变换，关键在于对前级三相整流电路1的控制。以有源三次谐波注入矩阵变换器的输入信息，至少包括输入电压为依据，获取整流控制规则，根据该整流控制规则，通过控制前级三相整流电路1调节整流输出直流电。
对于步骤S2，具体为，由于中间直流环节无储能电容，有源三次谐波注入矩阵变换器的中间直流电压瞬时值为三相输入线电压的最大值。平衡输入下，中间直流电压为规则的6脉波波形；不平衡输入下，中间直流电压将呈现出不规则的波形，且直流电压利用率也会下降。此时为保证三相对称输出，需要根据中间直流电压瞬时值对后级逆变电路3调制进行补偿。
根据有源三次谐波注入矩阵变换器的输入信息，包括输入功率和输入电压，获取三次谐波注入电流的参考值；同时综合考虑设定规则，获取补偿的三次谐波注入控制规则，根据次谐波注入电流的参考值和三次谐波注入控制规则，通过控制中间级三次谐波注入电路2调节补偿的三次谐波注入电流。
对于步骤S3，具体为，在上述步骤调节输出直流电，并经中间三次谐波注入电流的补偿作用之后，需要控制后级逆变电路3对补偿后的直流电进行逆变作用，最终输出变换交流电。获取有源三次谐波注入矩阵变换器的期望输出，对该期望输出进行一定的变换，获取逆变调制信号。根据该调制信号，通过控制后级逆变电路3调节逆变输出，即有源三次谐波注入矩阵变换器的变换输出。
本发明实施例提供的有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法，通过设置中间级三次谐波注入控制，可以在三相输入不平衡的输入工况下，避免输入输出波形发生畸变，保证输入输出波形质量。
其中，根据上述实施例，图2中中间级三次谐波注入电路2包含两个半桥桥臂开关Sy+和Sy-，以及一个三次谐波注入电感Ly，三次谐波注入电感Ly的取值范围为：
其中，Uim为前级三相整流电路的输入相电压的幅值，λ为纹波系数，I3rd为三次谐波注入电流参考值的幅值，fs为所述半桥桥臂开关的开关频率，Iim为前级三相整流电路的输入相电流的幅值，ωi为前级三相整流电路的输入三相交流电角频率，t为时间。
具体为，以扇区I(ua>ub>uc)为例，参考图3，为本发明实施例一种有源三次谐波注入矩阵变换器工作在扇区I且能量正向流动的等效电路图；参考图4，为本发明实施例一种有源三次谐波注入矩阵变换器工作在扇区I且能量反向流动的等效电路图。三次谐波注入电感Ly不仅影响了三次谐波注入电流的跟踪性能，同时也影响了有源三次谐波注入矩阵变换器的输入侧电流波形，因此Ly的设计和选型至关重要。
为方便设计，在输入平衡状态下分析设计三次谐波注入电感Ly。由于半桥桥臂开关Sy+和Sy-的高频动作，通过三次谐波注入电感Ly的电流包含了期望的三次谐波注入电流和与开关频率相关的纹波电流Δiy。通常希望纹波电流Δiy的最大峰峰值被限制在λI3rd，其中，I3rd为三次谐波注入电流参考值的幅值，λ为纹波系数。纹波系数λ用来表征对纹波电流的限制，定义为：
式中，Δiymax为纹波电流Δiy的最大值，λ为纹波系数，I3rd为三次谐波注入电流参考值的幅值。
根据三次谐波注入矩阵变换器的工作原理，可得纹波电流最大值：
式中，Δiymax为纹波电流Δiy的最大值，Uim为输入相电压的幅值，fs为中间级三次谐波注入电路2中半桥桥臂开关的开关频率，Ly为三次谐波注入电感。
综上可知，三次谐波注入电感Ly的最小值为：
式中，Lymin为三次谐波注入电感Ly的最小值，Uim为输入相电压的幅值，λ为纹波系数，I3rd为三次谐波注入电流参考值的幅值，fs为中间级三次谐波注入电路2中半桥桥臂开关的开关频率。
假定有源三次谐波注入矩阵变换器工作在能量正向流动和单位输入侧功率因数下，在扇区Ⅰ，可以得到三次谐波注入电流iy的斜率为：
式中，为三次谐波注入电流iy的斜率，Iim为输入相电流的幅值，ωi为输入三相交流电角频率，t为时间。
三次谐波注入电感Ly上能够产生的最大电流变化率为：
式中，为通过三次谐波注入电感Ly的最大电流变化率，Uim为输入相电压的幅值，Ly为三次谐波注入电感，ωi为输入三相交流电角频率，t为时间。
只有当上述和满足时，才能保证对注入的三次谐波电流有良好的跟踪性能。所以，三次谐波注入电感Ly的最大值为：
式中，Lymax为三次谐波注入电感Ly的最大值，Uim为输入相电压的幅值，Iim为输入相电流的幅值，ωi为输入三相交流电角频率，t为时间。
在扇区Ⅰ的区间，上式右边表达式是单调递增的，且最小取值为0。在ωit过零点附近，Ly取值范围非常小，因此会不可避免的存在实际三次谐波注入电流无法跟踪三次谐波注入电流参考值的区域，此区域须被限制在较小的合理范围内以减小三次谐波注入电流的畸变，保证并网电流的质量。取ξ为区域范围系数，则三次谐波注入电感Ly的最大值可以改写为：
式中，Lymax为三次谐波注入电感Ly的最大值，Uim为输入相电压的幅值，Iim为输入相电流的幅值，ωi为输入三相交流电角频率，ξ为区域范围系数。
对于其余五个扇区，三次谐波注入电感Ly的取值结果一致。本实施例中，考虑到纹波电流的大小和三次谐波注入电感Ly重量体积的折中，选择λ＝0.5。同时为了保证较小的电流畸变率，选取ξ＝0.01。根据以上各式，代入本实施例中的电网电压220V、额定功率1KW和开关频率32KHZ等参数得到三次谐波注入电感Ly的取值范围为2mH≤Ly<2.4mH。本实施例选取电感值为2mH。
本发明实施例通过计算推导给出三次谐波注入电感Ly的取值范围，能够有效提高对三次谐波注入电流的跟踪性能，降低有源三次谐波注入矩阵变换器的输入侧电流波形的畸变率。
其中，根据上述实施例，图2中前级三相整流电路1包括上桥臂3个开关Sa+、Sb+和Sc+以及下桥臂3个开关Sa-、Sb-和Sc-，上桥臂开关Sa+、Sb+和Sc+的D极与直流母线正极相连，S极分别与下桥臂3个开关Sa-、Sb-和Sc-的D极相连。下桥臂3个开关Sa-、Sb-和Sc-的S极与直流母线负极相连。
三相不平衡输入电源4输出交流三相不平衡电流，经LC滤波电路5滤波后输入前级三相整流电路1。通过对前级三相整流电路1中整流开关Sa+、Sb+和Sc+以及Sa-、Sb-和Sc-的控制，实现对交流三相不平衡电流的整流作用，输出6脉波直流电流。
于是，上述根据有源三次谐波注入矩阵变换器的输入信息，按照获取的整流控制规则，控制调节整流输出的具体处理流程参考图5，为本发明实施例一种前级整流控制的处理流程图，包括：
S11，判断获取所处扇区。
具体为，前级三相整流电路1中，按输入电源4侧三相输出电压瞬时值ua、ub和uc的大小关系，在时域上将一个电网周期分为六个扇区，具体划分规则为：ua>ub>uc的区间设定为扇区Ⅰ；ub>ua>uc的区间设定为扇区Ⅱ；ub>uc>ua的区间设定为扇区Ⅲ；uc>ub>ua的区间设定为扇区Ⅳ；uc>ua>ub的区间设定为扇区Ⅴ；ua>uc>ub的区间设定为扇区Ⅵ。
获取有源三次谐波注入矩阵变换器实际的瞬时三相输入电压，根据该实际的瞬时三相输入电压的大小关系，对照上述扇区划分规则，判断确定所述所处扇区。
S12，根据所述所处扇区及扇区与整流控制规则对应关系确定整流控制规则，并根据所述整流控制规则，通过控制所述前级三相整流电路控制整流输出。
具体为，在不平衡输入下，前级三相整流电路1各个二极管的导通角度不再均匀对称，为防止输入短路，需要对整流级IGBT开关进行组合控制。参考表1，为本发明实施例一种扇区与整流控制规则对应关系表。表1中所示为前级三相整流电路1中6个整流开关的开关状态，其中“1”表示导通，“0”表示关断。
表1，本发明实施例一种扇区与整流控制规则对应关系表
扇区 Sa+ Sa- Sb+ Sb- Sc+ Sc-
Ⅰ 1 0 0 0 0 1
Ⅱ 0 0 1 0 0 1
Ⅲ 0 1 1 0 0 0
Ⅳ 0 1 0 0 1 0
Ⅴ 0 0 0 1 1 0
Ⅵ 1 0 0 1 0 0
对于三相桥式整流电路的开关切换，同一桥臂上、下两开关管不能同时导通，在任意时刻只有两个开关管可以同时导通。每个扇区中，上桥臂3个开关Sa+、Sb+和Sc+中，对应电网电压瞬时值最大相的那个开关一直导通；下桥臂3个开关Sa-、Sb-和Sc-中，对应电网电压瞬时值最小相的那个开关一直导通，其余4个开关一直关断。
本发明实施例通过将电网周期进行分区，并建立分区与整流控制规则对应关系，方便根据电网测输出电压瞬时值控制各整流开关的组合通断，可以有效避免输入短路和提高用电效率。
其中，根据上述实施例，图2中中间级三次谐波注入电路2包括一个半桥桥臂以及三个双向开关Say,Sya、Sby,Syb和Scy,Syc。其中半桥桥臂包括两个IGBT开关管Sy+和Sy-，以及一个三次谐波注入电感Ly。IGBT开关管Sy+的S极和Sy-的D极相连接，Sy+的D极与直流母线正极相连，Sy-的S极与直流母线负极相连。
三次谐波注入电感Ly的一端与Sy+的S极和Sy-的D极相连后的中点相连接，另一端与三个双向开关Say,Sya、Sby,Syb和Scy,Syc中Sya、Syb和Syc的D极连接于同一点；三个双向开关Say,Sya、Sby,Syb和Scy,Syc中Say、Sby、Scy的D极分别与前级三相整流电路1的上桥臂开关Sa+、Sb+和Sc+的S极连接。
半桥桥臂两个开关管Sy+和Sy-互补工作，通过其高频脉宽调制控制三次谐波注入电感Ly的电流跟踪三次谐波注入电流参考值。三个双向开关Say,Sya、Sby,Syb和Scy,Syc通过合适的开断切换选择将准三次谐波注入到a、b和c中某一相，切换原则是：三个双向开关Say,Sya、Sby,Syb和Scy,Syc始终只有一组可以导通，其他两组关断；导通条件是与输入电源4三相输出电压中瞬时绝对值最小的那一相连接的开关导通，此时该相被注入准三次谐波电流，其余两相则没有。
对于前级三相整流电路1输出的6脉波直流电流，通过控制中间级三次谐波注入电路2中两个开关管Sy+和Sy-，以及三个双向开关Say,Sya、Sby,Syb和Scy,Syc的通断及占空比，控制三次谐波注入电流。
中间级三次谐波注入电路2中注入电流参考值和中间级三次谐波注入控制的设计关键在于三次谐波电流注入控制。由于输入的不平衡，为了保证输入电流为正弦，要对注入的三次谐波电流参考值进行修改。
于是，上述根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的输入信息，按照获取的三次谐波注入控制规则，控制调节三次谐波注入电流的具体处理流程参考图6，为本发明实施例一种中间级三次谐波注入控制的处理流程图，包括：
S21，获取所述有源三次谐波注入矩阵变换器的输入功率。
具体为，有源三次谐波注入矩阵变换器的输入功率可以通过功率采样电路直接采集获取，也可以根据采集得到的电压、电流值经计算间接获取。其中直接采集获取的方式为，在有源三次谐波注入矩阵变换器的输入侧设置功率采样电路，在有功率输入时，通过功率采样电路采集输入功率P。
其中间接获取方式为，通过在有源三次谐波注入矩阵变换器的输入侧设置电压采样电路和电流采样电路，对有源三次谐波注入矩阵变换器的输入电压和输入电流进行采集，并根据采集到的输入电压和输入电流计算获取输入功率P。
S22，根据所述输入功率和所述有源三次谐波注入矩阵变换器输入相电压的正序电压分量幅值，以及所述有源三次谐波注入矩阵变换器输入相电压的负序电压分量幅值，计算所述有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流的正序电流分量幅值。
具体为，在三相不平衡输入条件下，三相输入电压既包含了正序分量同时还含有负序分量，设其中正序电压分量的幅值为Upm，负序电压分量的幅值为Unm，且设电压不平衡度k＝Unm/Upm，则可得有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流中正序电流分量的幅值为：
式中，Ipm为有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流中正序电流分量的幅值，P为有源三次谐波注入矩阵变换器的输入功率，k为电压不平衡度，Upm为有源三次谐波注入矩阵变换器输入中正序电压分量的幅值。
S23，判断获取所处扇区，根据所述所处扇区和所述正序电流分量幅值确定三次谐波注入电流参考值，根据所述所处扇区及扇区与三次谐波注入控制规则对应关系确定三次谐波注入控制规则。
具体为，参考上述实施例，根据瞬时输入电压ua、ub和uc的大小关系判断所处扇区。基于上述步骤中计算获取的正序电流分量的幅值，以扇区Ⅰ为例，前级三相整流电路1的输入端b相电流的开关周期平均值为其中θp和θn分别为正序电压分量和负序电压分量的初始相位。由于在扇区Ⅰ，选择三次谐波注入电流参考值
其余扇区与此相似，只需根据中间级三次谐波注入电路2中三个双向开关导通情况得到三次谐波注入电流参考值
在不平衡输入下，中间级三次谐波注入电路2中各个双向开关的导通角度非均匀对称，为防止输入短路，需要对双向开关进行组合控制。参考表2，为本发明实施例一种扇区与三次谐波注入控制规则对应关系表。表2中所示为中间级三次谐波注入电路2中3个双向开关的开关状态，其中“1”表示导通，“0”表示关断。
表2，本发明实施例一种扇区与三次谐波注入控制规则对应关系表
扇区 瞬时电压关系 Say,Sya Sby,Syb Scy,Syc
Ⅰ ua>ub>uc 0 1 0
Ⅱ ub>ua>uc 1 0 0
Ⅲ ub>uc>ua 0 0 1
Ⅳ uc>ub>ua 0 1 0
Ⅴ uc>ua>ub 1 0 0
Ⅵ ua>uc>ub 0 0 1
在上述判断获知所处扇区之后，根据所处扇区，对照表2，确定中间级三次谐波注入电路2中三个双向开关的通断控制规则。
S24，根据所述三次谐波注入电流参考值及所述三次谐波注入控制规则，通过控制所述中间级三次谐波注入电路控制三次谐波注入电流。
具体为，根据上述步骤获取的三次谐波注入电流参考值，以及对中间级三次谐波注入电路2中三个双向开关的通断控制规则，通过PI调节三次谐波注入电流，在输入端加入前馈分量其中，umax、umid和umin分别为整流级输入三相交流电相电压瞬时值的最大值、中间值和最小值。经过调制得到互补开关管Sy+和Sy-的占空比。
本发明实施例通过对注入三次谐波电流的调节，补偿了三相不平衡输入，能够保证输入电流为正弦，降低输出畸变率。
其中，根据上述实施例，图2中后级逆变电路3包括上桥臂3个开关Sr+、Ss+和St+以及下桥臂3个开关Sr-、Ss-和St-，上桥臂开关Sr+、Ss+和St+的D极与直流母线正极相连，S极分别与下桥臂3个开关Sr-、Ss-和St-的D极相连。下桥臂3个开关Sr-、Ss-和St-的S极与直流母线负极相连。后级逆变电路3的输出端为开关Sr+、Ss+和St+的S极。
通过控制逆变开关Sr+、Ss+和St+以及开关Sr-、Ss-和St-的通断组合将前级三相整流电路1输出的6脉波直流电流逆变后与该电路输出的准三角波电流相结合得到符合并网条件的交流电流注入电网。
于是，上述基于所述整流输出和所述三次谐波注入电流，根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的期望输出，控制调节逆变输出的具体处理流程参考图7，为本发明实施例一种后级逆变控制的处理流程图，包括：
S31，根据设定三相期望输出电压和零序电压计算获取调制信号。
具体为，本实施例后级逆变控制采用开环控制的载波调制策略，设后级逆变电路3的三相期望输出电压分别为ur＝Uomcos(ωot)、us＝Uomcos(ωot-2π/3)和ut＝Uomcos(ωot+2π/3)，则根据求解调制信号其中，i＝r,s,t，uno为零序电压，uno的定义式为：
uno＝-[max(ur+us+ut)+min(ur+us+ut)]/2；
式中，uno为零序电压，ur、us和ut分别为后级逆变电路3的三相期望输出相电压。
S32，根据所述调制信号和中间直流电压获取归一化调制信号。
具体为，通过实时采样三相输入电压获取中间直流电压upn，基于上述步骤计算获取的调制信号根据公式计算获取归一化调制信号
S33，根据所述归一化调制信号，通过控制所述后级逆变电路控制逆变输出。
具体为，基于上述步骤计算获取的归一化的调制信号根据公式计算获取后级逆变电路3中各个桥臂的占空比，并根据所述占空比对后级逆变电路3进行调制，控制逆变输出。
本发明实施例以三相期望输出电压为依据，对后级逆变电路3进行控制，能够保证实际逆变输出对期望输出的跟踪性能。
根据上述实施例，参考图8，为本发明实施例一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制流程图。图中通过对前级三相整流电路1、中间级三次谐波注入电路2和后级逆变电路3的三级控制，将前级三相整流电路1输出的6脉波直流电流逆变后与该电路输出的准三角波电流相结合得到符合并网条件的交流电流注入电网。
当三相输入不平衡时，按照原有的调制策略和控制算法势必导致输入输出波形产生畸变。在三相不平衡输入条件下，三相输入电压既包含了正序分量同时还含有负序分量。此时三相输入电压可表示如下：
式中，ua、ub和uc分别为三相输入电压瞬时值，Upm和Unm分别为三相输入电压正序电压分量和负序电压分量的幅值，θp和θn分别为三相输入电压正序电压分量和负序电压分量的初始相位，ωi为输入三相交流电角频率，t为时间。
定义电压不平衡度为：k＝Unm/Upm，则三相输入电压可重写为：
式中，ua、ub和uc分别为三相输入电压瞬时值，Upm为三相输入电压正序电压分量的幅值，θp和θn分别为三相输入电压正序电压分量和负序电压分量的初始相位，k为电压不平衡度，ωi为输入三相交流电角频率，t为时间。
另外，根据上述实施例，在扇区Ⅰ中，前级三相整流电路1的输入端b相电流的开关周期平均值为：
式中，为前级三相整流电路1输入端b相电流的开关周期平均值，Ipm为有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流中正序电流分量的幅值，k为电压不平衡度，θp和θn分别为三相输入电压正序电压分量和负序电压分量的初始相位，ωi为输入三相交流电角频率，t为时间。
在扇区Ⅰ中，前级三相整流电路1的输入端a相电流的开关周期平均值可以表示为：
式中，为前级三相整流电路1输入端a相电流的开关周期平均值，P为有源三次谐波注入矩阵变换器的输入功率，Ipm为有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流中正序电流分量的幅值，k为电压不平衡度，θp和θn分别为三相输入电压正序电压分量和负序电压分量的初始相位，uac为瞬时三相输入电压a相与c相间线电压，ubc为瞬时三相输入电压a相与b相间线电压，ωi为输入三相交流电角频率，t为时间。
在扇区Ⅰ中，三相输入电流满足因此，前级三相整流电路1输入端c相电流的开关周期平均值为：
式中，为前级三相整流电路1输入端b相电流的开关周期平均值，Ipm为有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流中正序电流分量的幅值，k为电压不平衡度，θp和θn分别为三相输入电压正序电压分量和负序电压分量的初始相位，ωi为输入三相交流电角频率，t为时间。
由此可以看出，在不平衡输入下，有源三次谐波注入矩阵变换器的三相输入电流仍然为正弦。同时，可以计算有源三次谐波注入矩阵变换器输入侧功率为可见输入侧功率为恒定值。
由于输入电流中同时包含了正序分量和负序分量，三相输入电流的幅值并不相等，相位也不对称。当不平衡度k＝0时，上述结果与在平衡输入状态下完全一致，因此平衡对称输入工况可以看作是不平衡输入工况的一种特殊情况，本发明更具一般性。
本发明实施例进行了基于MATLAB/Simulink平台的仿真实验。具体仿真参数如下：输入频率为50Hz，输入电压正序分量幅值为163V，不平衡度k＝0.15，正序分量的初始相位为θp＝0，负序分量的初始相位为θn＝π/6，期望输出电压幅值为100V，频率为40Hz，阻感负载为3mH的电感和10Ω的电阻。
仿真结果如图9所示，为本发明实施例一种仿真结果波形示意图，图中从上至下展现的依次为三相输入相电压、三相输入相电流、中间直流电压以及三相输出线电流的波形。仿真中测量得到的三相输入电流的幅值分别为5.5A，6.5A和7.1A，总谐波畸变率分别为6.06％，5.29％和6.07％。
图中可见，由于三相输入电压的不平衡，变换器的中间直流电压呈现出不规则的6脉波形状，并且每一段持续的时间不同。采用本发明的控制方法，在不平衡输入下，三相输出保持正弦对称且能够很好地跟踪期望输出；同时三相输入电流依然呈现正弦形式。但由于包含了负序基波分量，各相幅值并不相等，相位不再对称。
参考图10，为本发明实施例一种输入不平衡工况下有源三次谐波矩阵变换器的输入和输出矢量轨迹示意图。图中输入电压us和输入电流ii的矢量图形均为椭圆形，说明输入电压us和输入电流ii的各相幅值和相位不再对称，但波形仍为正弦，这是因为三相不平衡输入电压us和输入电流ii中含有负序分量。
有源三次谐波矩阵变换器的输出电流io的矢量图形是个圆，说明在三相不平衡输入下，通过应用本发明的控制方法，依然可以保证输出电流的三相对称，且输出波形为正弦。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法，其特征在于，包括：
根据有源三次谐波注入矩阵变换器的第一输入信息，按照获取的整流控制规则，控制调节整流输出；
根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的第二输入信息，按照获取的三次谐波注入控制规则，控制调节三次谐波注入电流；
根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的期望输出，获取调制信号，控制调节逆变输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的输入信息，按照获取的三次谐波注入控制规则，控制调节三次谐波注入电流具体包括：
获取所述有源三次谐波注入矩阵变换器的输入功率；
根据所述输入功率和所述有源三次谐波注入矩阵变换器输入相电压的正序电压分量幅值，以及所述有源三次谐波注入矩阵变换器输入相电压的负序电压分量幅值，计算所述有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流的正序电流分量幅值；
判断获取所处扇区，根据所述所处扇区和所述正序电流分量幅值确定三次谐波注入电流参考值，根据所述所处扇区及扇区与三次谐波注入控制规则对应关系确定三次谐波注入控制规则；
根据所述三次谐波注入电流参考值及所述三次谐波注入控制规则，通过控制所述中间级三次谐波注入电路控制三次谐波注入电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据有源三次谐波注入矩阵变换器的输入信息，按照获取的整流控制规则，控制调节整流输出具体包括：
判断获取所处扇区；
根据所述所处扇区及扇区与整流控制规则对应关系确定整流控制规则，并根据所述整流控制规则，通过控制所述前级三相整流电路控制整流输出。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述整流输出和所述三次谐波注入电流，根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器的期望输出，控制调节逆变输出具体包括：
根据设定三相期望输出电压和零序电压计算获取调制信号；
根据所述调制信号和中间直流电压获取归一化调制信号；
根据所述归一化调制信号，通过控制所述后级逆变电路控制逆变输出。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有源三次谐波注入矩阵变换器包含半桥桥臂开关和三次谐波注入电感，所述三次谐波注入电感的取值范围为：
&lsqb; 3 U i m 4 &lambda;I 3 r d f s , 3 U i m cos ( &omega; i t + &pi; / 2 ) &omega; i I i m sin ( &omega; i t - 2 &pi; / 3 ) ) ;
其中，Uim为前级三相整流电路的输入相电压的幅值，λ为纹波系数，I3rd为三次谐波注入电流参考值的幅值，fs为所述半桥桥臂开关的开关频率，Iim为前级三相整流电路的输入相电流的幅值，ωi为前级三相整流电路的输入三相交流电角频率，t为时间。
6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述判断获取所处扇区具体包括：
根据所述有源三次谐波注入矩阵变换器瞬时三相输入电压的大小关系判断确定所述所处扇区。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述瞬时三相输入电压分别为ua、ub和uc，所述判断确定所述所处扇区具体包括：
若区间一内满足ua>ub>uc，则确定所述区间一为扇区Ⅰ；
若区间二内满足ub>ua>uc，则确定所述区间二为扇区Ⅱ；
若区间三内满足ub>uc>ua，则确定所述区间三为扇区Ⅲ；
若区间四内满足uc>ub>ua，则确定所述区间四为扇区Ⅳ；
若区间五内满足uc>ua>ub，则确定所述区间五为扇区Ⅴ；
若区间六内满足ua>uc>ub，则确定所述区间六为扇区Ⅵ。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述中间直流电压的获取方式包括：通过实时采样三相输入电压获得。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扇区与三次谐波注入控制规则对应关系的设置准则包括：不发生输入短路、只导通一个双向开关以及与三相电网电压瞬时绝对值最小的那一相连接的双向开关导通。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述有源三次谐波注入矩阵变换器的输入功率具体包括：
获取所述有源三次谐波注入矩阵变换器的输入电压和所述有源三次谐波注入矩阵变换器的输入电流，根据所述输入电压和所述输入电流计算获取所述输入功率；
或者，通过功率采样电路采集获取所述输入功率。
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