CN107395024B - 一种虚拟正交源优化电压合成的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟正交源优化电压合成的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、选择交流斩波器拓扑类型；步骤2、生成同相基波电压；步骤3、生成正序输出电压；步骤4、生成负序输出电压；步骤5、将调制波归一化；步骤6、合成输出电压。本发明提出了通过时变占空比给定控制、输出电压零序分量对消方式，并在基于交交斩波器拓扑结构上实现任意频率，相位，幅值的三相交流电压输出的虚拟正交源优化电压合成策略，从而实现了虚拟正交源电压合成策略在全频率域拓展。

Description

一种虚拟正交源优化电压合成的方法

技术领域

本发明属于电力电子交流变换技术领域，涉及一种虚拟正交源优化电压合成的方法。

背景技术

交流斩波器的应用范围较矩阵变流器要窄，其应用局限于电网控制领域的交流无功调节，动态电压恢复和功率电源领域中对恒频率负载的供电，在交流斩波器的应用领域可以发现，交流斩波器仅需要得到与输入电压同频率，甚至是同相位的正弦基波输出电压。这是由于基于斩波器结构的直接交交变流器的输入仅为单相交流电压，较矩阵变流器减少了另外两相的能量输入，因而其电压输出能力被弱化，不能实现任意频率相位的正弦电压合成。近几年来，在基于交流斩波器的研究领域，学者Divan提出了一种新的电压合成策略,它被命名为基于虚拟正交源的电压合成策略。基于虚拟正交源的电压合成策略的实质是通过对电路占空比D的控制，在电路中虚拟产生一个额外的正交电压源,同时产生一个额外的和占空比有关的输出谐波电压源，满足交流斩波器在电压合成时对额外电压源的需求。由于电路中不存在实际额外引入的电压源，因此被称为虚拟的正交源。

基于上述虚拟正交源的电压合成策略的应用场合还非常有限，在已有文献中未见有除电网控制设备以外的其他交交功率变换领域应用。其原因在于，已有方法主要讨论的是针对基波电压和与基波电压呈整数倍的谐波电压的合成，变流器的输出电压在频率域上是不连续的。该电压合成的思路和传统的逆变器类变流器的输出电压合成有本质上的不同，因此针对该类变流器的闭环控制方案需要特别设计并且非常复杂，同时，在其他交流应用领域，例如在交流电机拖动领域，输出电压的频率是连续的，已有方法就不再适用。为了将该新策略拓展到直接交交变换所能涉及的所有领域，对新策略的进一步推广和完善势在必行。

发明内容

本发明的目的是提供一种虚拟正交源优化电压合成的方法，实现输出任意给定的幅值、频率、相位的电压。

本发明的技术方案是，一种虚拟正交源优化电压合成的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、选择交流斩波器拓扑类型；

步骤2、生成同相基波电压；

步骤3、生成正序输出电压；

步骤4、生成负序输出电压；

步骤5、将调制波归一化；

步骤6、合成输出电压。

本发明的特点还在于：

步骤1具体为，在基于虚拟正交源电压合成方法的研究中，使用的交流斩波器拓扑类型为基本的Buck，Boost，Buck-Boost型交流斩波器，Buck，Boost，Buck-Boost型交流斩波器的输入输出电压关系式分别为：

V_out1＝V_in·D (1)

(1)式、(2)式和(3)式中，V_out1、V_out2和V_out3分别为Buck型、Boost型和Buck-Boost型交流斩波器的输出电压；V_in为输入电压；D为占空比。

步骤2具体为，

步骤2.1：设三相输入电压V_ina、V_inb和V_inc为对称的正序基波，并且不包含谐波分量，则三相输入电压V_ina、V_inb和V_inc的表达式为：

(4)式中，V_m为输入电压的幅值；ω₁为频率。

步骤2.2：对输出基波电压的合成采用三个单相独立的固定占空比d_a、d_b和d_c控制，则输出基波电压的调制波D₀的表达式为：

(5)式中，K_0a、K_0b和K_0c分别为三相固定独立占空比取值。

步骤2.3：将(4)式和(5)式代入(1)式中得到与输入电压V_ina、V_inb和V_inc对应的同相基波的三相输出电压V_outa0、V_outb0和V_outc0为：

步骤3具体为，

步骤3.1：因为在输出电压中包含有一系列不同频率的正序分量，因此输出电压调制波中使用幅值为K_n，频率为ω_n，相位为且满足ω_n-ω₁>0的一系列正弦分量的叠加，输出电压的调制波D_n的表达式为：

步骤3.2：将(4)式和(7)式带入(1)式中得到三相正序输出电压V_out-an、V_out-bn和V_out-cn为：

步骤4具体为，

步骤4.1：为了生成可控的负序电压，在调制波中附加频率为ω_m，幅值为K_m，且满足ω_m-ω₁<0的一系列负序分量，当ω_m>0时，可控负序电压的调制波D_m的表达式为：

当ω_m<0时，此时调制波D_m'的表达式为：

此时正弦分量的相序为正；

步骤4.2：调制波D_m和调制波D_m'经过调制以后，生成的负序电压为：

步骤5具体为，

将(6)式、(8)式和(11)式进行综合，得到输出三相电压V_out-a、V_out-b和V_out-c的表达式：

通过(12)式可以发现对使用的调制波频率是连续的；当ω₁-ω_n＝0时，理论上输出直流电压信号，当ω_m＝0时，输出负序基波频率电压信号；总结以上调制波频率相序和输出电压频率相序对应关系得表1，

表1调制波频率相序和输出电压频率相序对应关系

根据表1进而使用归一化的角频率ω_n来同时定义正序和负序的调制波，实现正序和负序电压的合成，其归一化调制波D_n”的矩阵为：

(13)式中-∞<ω_n<+∞。

步骤6具体为，

将(12)式和(13)式综合最终得到正序三相输出电压V_outa、V_outb和V_outc的表达式为：

由于零序分量在三相系统中不易传播，并且不存在于线电压中，故根据(14)式可得线电压V_out-bc、V_out-ca和V_out-ab的表达式为：

由(15)式可以看出输出线电压为正序电压分量且无其他分量产生。

本发明的有益效果是：本发明的虚拟正交源优化电压合成的方法提出了通过时变占空比给定控制、输出电压零序分量对消方式，并在基于交交斩波器拓扑结构上实现任意频率，相位，幅值的三相交流电压输出的虚拟正交源优化电压合成策略，从而实现了虚拟正交源电压合成策略在全频率域拓展。通过采用本发明的虚拟正交源优化电压合成的方法，基于单相结构的Buck型交流斩波器的应用局限将被克服，进而能够应用到交交功率变换的大部分领域，同时，为新拓扑的引入和开发提供了指导方向。

附图说明

图1是利用Matlab/simulink仿真工具的仿真电路图；

图2是实施例1的正序三相输出电压的仿真波形图；

图3是实施例2的正序三相输出电压的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种虚拟正交源优化电压合成的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、选择交流斩波器拓扑类型

在基于虚拟正交源电压合成方法的研究中，使用的交流斩波器拓扑类型为基本的Buck，Boost，Buck-Boost型交流斩波器，Buck，Boost，Buck-Boost型交流斩波器的输入输出电压关系式分别为：

V_out1＝V_in·D (1)

(1)式、(2)式和(3)式中，V_out1、V_out2和V_out3分别为Buck型、Boost型和Buck-Boost型交流斩波器的输出电压；V_in为输入电压；D为占空比。

从(1)式、(2)式和(3)式可以发现，在占空比中加入按照正弦规律变化的时变分量，对于Buck类电路来说，其输出电压中将产生两种和输入电压正交的时变输出电压。然而该结论对于Boost型及Buck-Boost型电路来说不再适用，主要是由于随着在占空比D中引入时变分量，输出电压中理论上会出现一系列不同频率的正交电压。因此，从控制复杂度的角度分析，Buck型斩波器电路更加适合于本发明一种虚拟正交源优化电压合成的方法的使用。

步骤2、生成同相基波电压

步骤2.1：设三相输入电压V_ina、V_inb和V_inc为对称的正序基波，并且不包含谐波分量，则三相输入电压V_ina、V_inb和V_inc的表达式为：

(4)式中，V_m为输入电压的幅值；ω₁为频率；t为时间。

步骤2.2：对输出基波电压的合成采用三个单相独立的固定占空比d_a、d_b和d_c控制，则输出基波电压的调制波D₀的表达式为

(5)式中，K_0a、K_0b和K_0c分别为三相固定独立占空比取值。

步骤2.3：将(4)式和(5)式代入(1)式中得到与输入电压V_ina、V_inb和V_inc对应的同相基波的三相输出电压V_outa0、V_outb0和V_outc0为：

步骤3、生成正序输出电压

步骤3.1：因为在输出电压中包含有一系列不同频率的正序分量，因此输出电压调制波中使用幅值为K_n，频率为ω_n，相位为且满足ω_n-ω₁>0的一系列正弦分量的叠加，输出电压的调制波D_n的表达式为：

步骤3.2：将(4)式和(7)式带入(1)式中得到三相正序输出电压V_out-an、V_out-bn和V_out-cn为：

步骤4、生成负序输出电压

步骤4.1：为了生成可控的负序电压，在调制波中附加频率为ω_m，幅值为K_m，且满足ω_m-ω₁<0的一系列负序分量，当ω_m>0时，可控负序电压的调制波D_m的表达式为：

当ω_m<0时，此时调制波D_m'的表达式为：

此时正弦分量的相序为正；

步骤4.2：调制波D_m和调制波D_m'经过调制以后，生成的负序电压为：

步骤5、将调制波归一化

将(6)式、(8)式和(11)式进行综合，得到输出三相电压V_out-a、V_out-b和V_out-c的表达式：

通过(12)式可以发现对使用的调制波频率是连续的；当ω₁-ω_n＝0时，理论上输出直流电压信号，当ω_m＝0时，输出负序基波频率电压信号；总结以上调制波频率相序和输出电压频率相序对应关系得表1，

表1调制波频率相序和输出电压频率相序对应关系

根据表1进而使用归一化的角频率ω_n来同时定义正序和负序的调制波，实现正序和负序电压的合成，其归一化调制波D_n”的矩阵为：

(13)式中-∞<ω_n<+∞。

步骤6、合成输出电压

将(12)式和(13)式综合最终得到正序三相输出电压V_outa、V_outb和V_outc的表达式为：

由于零序分量在三相系统中不易传播，并且不存在于线电压中，故根据(14)式可得线电压V_out-ab、V_out-bc和V_out-ca的表达式为：

由(15)式可以看出输出线电压为正序电压分量且无其他分量产生。

在Buck型交流斩波器的电路中，对K₀的使用是不可避免的。由于电路的占空比变化范围为(0，1)，通常为了充分利用其控制范围，K₀取0.5左右，这也就意味着幅值为输入电压一半的基波分量在输出电压中也被同时合成，这一要求大大限制基本Buck型电路的应用。综合考察式(1)和电路占空比变化范围限制，可以得到出现上述现象根本原因是由于Buck型电路的基本特性，其输出电压和输入电压总只能保持同一个极性，如果该电路的输出电压可调范围在输入电压的正负包络线之间，则虚拟正交源优化电压合成策略可以应用于该电路并不需要在占空比中附加额外直流分量。

但并不是所有能够实现反相电压输出的电路就可以使用本发明的虚拟正交源优化电压合成的方法，电压源型Z源电路，其电压变比的变化范围为(-∞，0]以及[1，+∞)，由于在占空比连续变化时，其输出电压非连续变化，因此该电路也不能使用本发明的虚拟正交源优化电压合成的方法。

根据前述分析，可以得出结论，为了能够实现输出电压在输入电压的正负包络线之间，任意给定频率，相位，幅值的交流电压输出，采用本发明一种虚拟正交源优化电压合成的方法的交流斩波器应具有如下基本特征：

斩波器能够实现与输入电压同相或者反相的电压输出；

斩波器的占空比连续变化时，其输出电压也连续变化。

结合以上两个基本特征，可以归纳：适用于虚拟正交源优化电压合成方法的斩波器电路需要在交交变流领域实现四象限运行的能力。

实施例1

令ω_n＝100Hz交流分量作为交流斩波器的占空比，且令直流分量K_0a＝K_0b＝K_0c＝0.5，K_n＝0.5，

输出基波电压的调制波D₀为：

归一化调制波D_n”的矩阵为：

正序三相输出电压为：

由上式得出，正序三相输出电压的频率为50Hz，由于输出线电压中不存在零序分量，故正序三相输出电压的频率为单纯的50Hz。

利用Matlab/simulink仿真工具，基于Buck型交流斩波器对本发明的虚拟正交源优化电压合成的方法进行仿真验证。仿真电路如图1所示，各个元件的参数设定和系统电压等级、开关频率见表2。

表2系统仿真参数值

V<sub>in</sub>	f<sub>s</sub>	L<sub>o</sub>	R<sub>o</sub>	C<sub>o</sub>
					220V	10KHz	1mH	10Ω	10μF

仿真波形如图2所示，可以看出，其正序三相输出电压的频率为50Hz，在输出相电压中出现了三次谐波分量，同时其基波分量也产生了相移，并且其输出电压在输入电压的包络线之内。由于输出线电压中不存在零序分量，故正序三相输出电压的频率为50Hz，与本发明的虚拟正交源优化电压合成的方法所得结果相同。

实施例2

令ω_n＝110Hz交流分量作为交流斩波器的占空比，且令直流分量K_0a＝K_0b＝K_0c＝0.5，K_n＝0.5，

输出基波电压的调制波D₀为：

归一化调制波D_n”的矩阵为：

正序三相输出电压为：

由上式得出，正序三相输出电压的频率为60Hz，并产生160Hz的额外谐波，但是由于K₀的存在，所以正序三相输出电压的频率依然存在50Hz。

利用Matlab/simulink仿真工具，基于Buck型交流斩波器对本发明的虚拟正交源优化电压合成的方法进行仿真验证。仿真电路如图1所示，各个元件的参数设定和系统电压等级、开关频率见表3。

表3系统仿真参数值

V<sub>in</sub>	f<sub>s</sub>	L<sub>o</sub>	R<sub>o</sub>	C<sub>o</sub>
					220V	10KHz	1mH	10Ω	10μF

仿真波形如图3所示，可以看出，其正序三相输出电压的频率为60Hz，并产生160Hz的额外谐波。但是由于K₀的存在，所以正序三相输出电压的频率依然存在50Hz。从图3中可以看出，由于输出电压中同时存在正序的50Hz输出电压和60Hz输出电压，因此其线电压呈现10Hz脉动的包络线，与本发明的虚拟正交源优化电压合成的方法所得结果相同。

实施例3

令ω_n＝120Hz交流分量作为交流斩波器的占空比，且令直流分量K_0a＝K_0b＝K_0c＝0.5，K_n＝0.5，

输出基波电压的调制波D₀为：

归一化调制波D_n”的矩阵为：

正序三相输出电压为：

由上式得出，正序三相输出电压的频率为70Hz，并产生170Hz的额外谐波，但是由于K₀的存在，所以正序三相输出电压的频率依然存在50Hz。

实施例4

令ω_n＝130Hz交流分量作为交流斩波器的占空比，且令直流分量K_0a＝K_0b＝K_0c＝0.5，K_n＝0.5，

输出基波电压的调制波D₀为：

归一化调制波D_n”的矩阵为：

正序三相输出电压为：

由上式得出，正序三相输出电压的频率为80Hz，并产生180Hz的额外谐波，但是由于K₀的存在，所以正序三相输出电压的频率依然存在50Hz。

实施例5

令ω_n＝140Hz交流分量作为交流斩波器的占空比，且令直流分量K_0a＝K_0b＝K_0c＝0.5，K_n＝0.5，

输出基波电压的调制波D₀为：

归一化调制波D_n”的矩阵为：

正序三相输出电压为：

由上式得出，正序三相输出电压的频率为90Hz，并产生190Hz的额外谐波，但是由于K₀的存在，所以正序三相输出电压的频率依然存在50Hz。

Claims (1)

1.一种虚拟正交源优化电压合成的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、选择交流斩波器拓扑类型；

所述步骤1具体为，在基于虚拟正交源电压合成方法的研究中，使用的交流斩波器拓扑类型为基本的Buck，Boost，Buck-Boost型交流斩波器，Buck，Boost，Buck-Boost型交流斩波器的输入输出电压关系式分别为：

V_out1＝V_in·D

(1)

(1)式、(2)式和(3)式中，V_out1、V_out2和V_out3分别为Buck型、Boost型和Buck-Boost型交流斩波器的输出电压；V_in为输入电压；D为占空比；

步骤2、生成同相基波电压；

所述步骤2具体为，

步骤2.1：设三相输入电压V_ina、V_inb和V_inc为对称的正序基波，并且不包含谐波分量，则三相输入电压V_ina、V_inb和V_inc的表达式为：

(4)式中，V_m为输入电压的幅值；ω₁为频率；t为时间；

步骤2.2：对输出基波电压的合成采用三个单相独立的固定占空比d_a、d_b和d_c控制，则输出基波电压的调制波D₀的表达式为：

(5)式中，K_0a、K_0b和K_0c分别为三相固定独立占空比取值；

步骤2.3：将(4)式和(5)式代入(1)式中得到与输入电压V_ina、V_inb和V_inc对应的同相基波的三相输出电压V_outa0、V_outb0和V_outc0为：

步骤3、生成正序输出电压；

所述步骤3具体为，

步骤3.1：因为在输出电压中包含有一系列不同频率的正序分量，因此输出电压调制波中使用幅值为K_n，频率为ω_n，相位为且满足ω_n-ω₁＞0的一系列正弦分量的叠加，输出电压的调制波D_n的表达式为：

步骤3.2：将(4)式和(7)式带入(1)式中得到三相正序输出电压V_out-an、V_out-bn和V_out-cn为：

步骤4、生成负序输出电压；

所述步骤4具体为，

步骤4.1：为了生成可控的负序电压，在调制波中附加频率为ω_m，幅值为K_m，且满足ω_m-ω₁＜0的一系列负序分量，当ω_m＞0时，可控负序电压的调制波D_m的表达式为：

当ω_m＜0时，此时调制波D_m'的表达式为：

此时正弦分量的相序为正；

步骤4.2：调制波D_m和调制波D_m'经过调制以后，生成的负序电压为：

步骤5、将调制波归一化；

所述步骤5具体为，

将(6)式、(8)式和(11)式进行综合，得到输出三相电压V_out-a、V_out-b和V_out-c的表达式：

通过(12)式可以发现对使用的调制波频率是连续的；当ω₁-ω_n＝0时，理论上输出直流电压信号，当ω_m＝0时，输出负序基波频率电压信号；总结以上调制波频率相序和输出电压频率相序对应关系得表1，

表1调制波频率相序和输出电压频率相序对应关系

根据表1进而使用归一化的角频率ω_n来同时定义正序和负序的调制波，实现正序和负序电压的合成，其归一化调制波D_n”的矩阵为：

(13)式中-∞＜ω_n＜+∞；

步骤6、合成输出电压；

所述步骤6具体为，

将(12)式和(13)式加和最终得到正序三相输出电压V_outa、V_outb和V_outc的表达式为：

由于零序分量在三相系统中不易传播，并且不存在于线电压中，故根据(14)式可得线电压V_out-bc、V_out-ca和V_out-ab的表达式为：

由(15)式可以看出输出线电压为正序电压分量且无其他分量产生。