CN108011511A - 一种双级式矩阵变换器的网侧单位功率因数控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双级式矩阵变换器的网侧单位功率因数控制方法，其特征在于：重构网侧电流，基于最小均方根(least mean square，LMS)算法实现重构的网侧电流对网侧电压的幅值跟踪，进而实现电流的闭环控制，重构网侧电流与网侧电压偏差作为积分器的输入，积分器的输出则作为整流级输入电流空间矢量调制相位的修正值，从而补偿由系统参数对网侧功率因数的影响。本发明的有益效果：只需检测三相网侧电压和一相网侧电流，减少了硬件成本，不存在参数的离线计算，当系统参数发生变化时，LMS算法能实现幅值的自适应跟踪，积分器实现对相位补偿角的自适应调整，拥有较好的鲁棒性。

Description

一种双级式矩阵变换器的网侧单位功率因数控制方法
技术领域
本发明涉及一种双级式矩阵变换器，尤其涉及一种双级式矩阵变换器的网侧功率因数的控制方法，属于双级式矩阵变换器控制领域。
背景技术
矩阵变换器具有功率密度高、可四象限运行、输入电流正弦，输入功率因数可调等优点，近年来引起国内外众多学者的研究，主要集中在调制策略、稳定性分析、换流方法和提高电压传输比等方面。
双级式矩阵变换器(Two-Stage Matrix Converter，TSMC)是在传统矩阵变换器(Conventional Matrix Converter，CMC)的基础上衍生出来的。相对于CMC，其拓扑结构分为整流级和逆变级，因此它不仅继承了CMC所有的优点，而且克服了CMC钳位电路庞大、换流方式复杂等缺点，可实现零电流换流，这也使得TSMC具有更好的发展潜力和应用前景。
为了滤除输入电流中由开关频率引起的高频谐波，减小对网侧的高频谐波污染，须在网侧与变换器之间安装输入滤波器，常采用LC型滤波器，以滤除输入电流中的高频谐波。目前，目前，双空间矢量控制策略被广泛使用。其中整流级的电流空间矢量控制，仅依赖于输入电压相位信息来计算整流级开关的占空比，是一种近似开环的控制，并未考虑输入电流的相位受到滤波器参数和负载的影响，使得输入电流始终超前或滞后于电网电压，无法保证单位功率因数。但在目前的研究中，针对系统参数对网侧功率因数影响进行的研究却较少。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种双级式矩阵变换器网侧单位功率因数的控制方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述双级式矩阵变换器由整流级和逆变级构成，在本发明中，基于双空间矢量调制策略对网侧单位功率因数运行进行控制，所述双空间矢量调制策略包括逆变级电压空间矢量调制和整流级电流空间矢量调制，其中逆变级电压空间矢量调制是指计算逆变级电压空间矢量调制所需要的电压调制比和相角；整流级电流空间矢量调制是指计算整流级电流空间矢量调制所需要的电流调制比和输入电流矢量相角；为实现网侧单位功率因数，本发明提出了一种新型带相位补偿的网侧电流闭环控制方案；通过重新构造网侧输入电流，使其与网侧电压形成闭环控制，闭环输出作为整流级调制输入电流矢量相位的修正值，本发明所述一种双级式矩阵变换器网侧单位功率因数的控制方法，具体实现步骤包括：
(1)采集三相电压和一相电流值，通过锁相环锁出网侧电压相位；
(2)重构网侧电流，基于LMS算法实现重构网侧电流ia对网侧电压幅值Usm的跟踪，其中ia＝Kism，K的实时计算即幅值跟踪；
(3)构建电流闭环控制，将一相网侧电压作为闭环控制的给定值，重构网侧电流作为反馈值，从而形成电流闭环控制；
Δe＝usa-ia；
式中：Δe为网侧电压与重构网侧电流之间的偏差，usa为网侧电压瞬时值，ia为网侧重构电流瞬时值；
(4)将网侧电压与重构网侧电流之间的偏差作为积分器的输入，积分器的输出作为相位补偿角；
式中：Ki为积分常数，Δθ为积分器输出，即相位补偿角；
(5)结合(1)中求出的网侧电压相位，通过电流闭环控制输出的相位补偿角，对双级式矩阵变换器输入侧电流矢量相位进行修正，从而得出整流级输入电流矢量调制相位角，进而可以实现网侧电流相位对网侧电压相位的闭环跟踪，达到网侧单位功率因数(逆变级采用常规的调制)；
本发明与已有技术相比具有明显的优点和有益效果，借助上述技术方案，本发明一种双级式矩阵变换器网侧单位功率因数的控制方法可达到相当的技术进步性和实用性，为双级式矩阵变换器在实际的市场应用提供了理论依据，其至少具有下列优点：
(1)本发明针对三相平衡输入，该方法只需检测三相网侧电压和一相网侧电流，大大减少了硬件成本；
(2)本发明不存在网侧电流的坐标变换和相关参数的离线计算，计算量得以减小和鲁棒性较已有技术方案强；
(3)本发明通过重新构造网侧输入电流，使其与网侧电压形成闭环控制，从而可使网侧输入电流严格跟踪网侧电压，降低输入电流畸变率。
附图说明
图1是双级式矩阵变换器拓扑结构图
图2是新型带相位补偿的网侧电流闭环控制空间矢量实现框图
图3是基于LMS的幅值跟踪算法
图4是幅值跟踪算法的实现
具体实施方式
一种双级式矩阵变换器网侧单位功率因数的控制方法。其特征在于：基于空间矢量调制，幅值跟踪算法，重构网侧电流和相位补偿。
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
双级式矩阵变换器拓扑结构如图1所示，开关主电路分为两级：整流级和逆变级。整流级是由六个双向开关组成的电流源型整流器，逆变级是传统的三相两电平电压源型逆变器。通过虚拟直流侧耦合在一起，因此整流级可采用零电流换流方式，减小开关损耗。
为解决现有网侧单位功率因数控制方法需离线计算相应参数，鲁棒性较差的不足，本发明提出了如图2所示的带相位补偿的电流闭环控制方案。与已有的网侧功率因数控制方法不同的是，图2通过LMS算法实现对网侧电压幅值的自适应跟踪，当系统参数变化时，能实现自适应调整，无需离线计算。
该方法的具体实现步骤包括：
(1)采集三相电压和一相电流值，对三相网侧电压进行3/2变换，得到网侧电压两相静止坐标系下的分量，然后根据下式计算网侧电压相位角；
(2)根据实际网侧电流，对其放大K倍重构网侧电流，为了实现不同参数时K的自适应调整，本发明提出了基于LMS算法实现重构网侧电流对网侧电压的幅值跟踪，其控制原理图如图3所示。通过对重构的网侧电流和网侧电压做差，寻找出其均方误差最小时所对应的权值w(即上面所提的K)，从而实现对网侧电压的幅值跟踪。
图中，x(t)表示输入信号，y(t)表示重构信号，d(t)表示被跟踪信号(期望信号)。如图4 所示，重构信号与输入信号相位相同、幅值不同。
由控制原理图可知，重构信号y(t)为：
y(t)＝w(t)x(t)；
重构信号与期望信号的误差ε(t)为
ε(t)＝d(t)-y(t)＝d(t)-w(t)x(t)；
对该误差取平方，则有
ε2(t)＝d2(t)+w2(t)x2(t)-2w(t)x(t)d(t)；
对ε2(t)取数学期望，即求其均方误差，可得
E[ε2(t)]＝E[d2(t)]+w2(t)E[x2(t)]-2w(t)E[x(t)d(t)]；
由上式可知，网侧电压和构造的网侧电流的均方误差是关于权值w(t)的二次函数，且其表示一个上凹的碗状曲面，因此存在且仅存在一个最小值，即均方误差最小值。
从数学角度分析可知，当均方误差最小时，即实现了重构信号对期望信号的最小误差跟踪。
下面要解决的就是如何找到均方误差最小时所对应的权值w(t)，本发明采用最陡梯度下降法。梯度方向是使该函数值增大最陡的方向，梯度向量为函数值对每个变量的偏导数，因此要求函数的最小值，只需沿着梯度的负方向即可以最快的速度找到函数的最小值。
最陡梯度下降法的工作原理：首先确定一个初始的权值向量w(0)，然后沿着此函数的负梯度方向寻找下一个权值向量w(1)，其中w(1)是根据初始权值向量和权值的修正量共同确定的。以此类推，可得到权值向量的k+1时刻的表达式：
w(k+1)＝w(k)+μ(-▽k)；
式中μ为搜索步长，其值的选取直接影响着最陡梯度下降法的稳定性和收敛速度，如果选取太大，虽能快速跟踪，但稳态误差大，会在真实幅值来回有较大波动；当μ选取太小，虽最终的稳态误差较小，但动态性较差，即搜索速度慢，跟踪性能差。
由梯度的定义可知，任何一点的梯度均可通过下式对权值进行求导的方式求得，本文采用均方误差梯度的估计值代替其精确值，所以梯度向量可表示为：
联立上式，可求得：
▽k＝-2ε(k)x(k)；
由此可得权值的自适应迭代表达式：
w(k+1)＝w(k)+2με(k)x(k)；
由上式可知，当误差信号即重构信号与期望信号之间的差值为零时，权值不再更新，即系统进入平衡状态，一旦发生由系统参数引起误差信号变化，权值能快速更新，以达到新的平衡状态。因此此算法能抵抗系统参数的变化，实现权值的自适应调整。
基于上述思想，本发明令实际网侧电流为输入信号，重构网侧电流为重构信号，网侧电压为期望信号，并将其离散化，可得到如下表达式
式中的K即前文提到的权值w(k)，因此可通过幅值跟踪算法实现重构网侧电流对网侧电压的幅值跟踪，且能抵御系统参数的干扰，实现K的自适应调整。
综合上面的分析，可得出幅值跟踪算法在离散域的控制框图，如图4所示。
(3)根据(2)可求出网侧电压与网侧电流之间的倍数，实现重构网侧电流，进而与网侧电压形成闭环控制。
(4)要实现重构网侧电流对网侧电压的无静差跟踪，在幅值、相位上都应跟踪上网侧电压。前面简述了幅值跟踪原理，本发明针对相位跟踪提出了一种带相位补偿的电流闭环控制方法。
首先通过前端的幅值跟踪算法，使得重构网侧电流在幅值上和网侧电压相近，但此时仍存在相位差，因此重构网侧电流与网侧电流还存在误差。本发明采用一个积分环节，对误差进行积分，其积分输出值用于补偿由相位偏差引起的误差。

Claims (3)

1.一种双级式矩阵变换器的网侧单位功率因数控制方法，其特征在于：重构网侧电流，基于最小均方根LMS(least mean square，LMS)算法实现重构的网侧电流对网侧电压的幅值跟踪，进而实现电流的闭环控制，重构网侧电流与网侧电压偏差作为积分器的输入，积分器的输出则作为整流级输入电流空间矢量调制相位角的修正值，从而补偿由系统参数对网侧功率因数的影响，具体如下：
(1)采集三相电压和一相电流值，通过锁相环锁出网侧电压相位；
(2)重构网侧电流，基于LMS算法实现重构网侧电流ia对网侧电压幅值Usm的跟踪，其中ia＝Kism，K的实时计算即幅值跟踪；
(3)构建电流闭环控制，将一相网侧电压作为闭环控制的给定值，相对应相的重构网侧电流作为反馈值，从而形成电流闭环控制；
(4)将网侧电压与重构网侧电流之间的偏差作为积分器的输入，积分器的输出作为相位补偿角；
(5)结合(1)中求出的网侧电压相位，通过电流闭环控制输出的相位补偿角，对双级式矩阵变换器输入侧电流矢量相位进行修正，从而得出整流级输入电流矢量调制相位角，进而可以实现网侧电流相位对网侧电压相位的闭环跟踪，达到网侧单位功率因数(逆变级采用常规的调制)。
2.如权利要求1所述的一种双级式矩阵变换器网侧单位功率因数控制方法，其特征在于，重构网侧电流对网侧电压幅值的跟踪，即上述K的实时计算；
通过对重构的网侧电流和网侧电压做差，寻找出其均方误差最小时所对应的权值w(即上面所提的K)，从而实现对网侧电压的幅值跟踪；
令重构信号y(t)为：
y(t)＝w(t)x(t)；
重构信号与期望信号的误差ε(t)为：
ε(t)＝d(t)-y(t)＝d(t)-w(t)x(t)；
对该误差取平方，则有：
ε2(t)＝d2(t)+w2(t)x2(t)-2w(t)x(t)d(t)；
对ε2(t)取数学期望，即求其均方误差，可得：
E[ε2(t)]＝E[d2(t)]+w2(t)E[x2(t)]-2w(t)E[x(t)d(t)]；
由上式可知，网侧电压和构造的网侧电流的均方误差是关于权值w(t)的二次函数，且其表示一个上凹的碗状曲面，因此存在且仅存在一个最小值，即均方误差最小值；
从数学角度分析可知，当均方误差最小时，即实现了重构信号对期望信号的最小误差跟踪；
下面要解决的就是如何找到均方误差最小时所对应的权值w(t)，本发明采用最陡梯度下降法；梯度方向是使该函数值增大最陡的方向，梯度向量为函数值对每个变量的偏导数，因此要求函数的最小值，只需沿着梯度的负方向即可以最快的速度找到函数的最小值；
最陡梯度下降法的工作原理：首先确定一个初始的权值向量w(0)，然后沿着此函数的负梯度方向寻找下一个权值向量w(1)，其中w(1)是根据初始权值向量和权值的修正量共同确定的，以此类推，可得到权值向量的k+1时刻的表达式：
w(k+1)＝w(k)+μ(-▽k)；
式中μ为搜索步长，其值的选取直接影响着最陡梯度下降法的稳定性和收敛速度，如果选取太大，虽能快速跟踪，但稳态误差大，会在真实幅值来回有较大波动；当μ选取太小，虽最终的稳态误差较小，但动态性较差，即搜索速度慢，跟踪性能差；
由梯度的定义可知，任何一点的梯度均可通过下式对权值进行求导的方式求得，本发明采用均方误差梯度的估计值代替其精确值，所以梯度向量可表示为：
<mrow> <msub> <mo>&amp;dtri;</mo> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <msup> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>w</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
联立上式，可求得：
▽k＝-2ε(k)x(k)；
由此可得权值的自适应迭代表达式：
w(k+1)＝w(k)+2με(k)x(k)；
由上式可知，当误差信号即重构信号与期望信号之间的差值为零时，权值不再更新，即系统进入平衡状态，一旦发生由系统参数引起误差信号变化，权值能快速更新，以达到新的平衡状态，因此此算法能抵抗系统参数的变化，实现权值的自适应调整；
基于上述思想，本发明令实际网侧电流为输入信号，重构网侧电流为重构信号，网侧电压为期望信号，并将其离散化，可得到如下表达式：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>x</mi> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>y</mi> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mi>K</mi> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>d</mi> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mi>cos</mi> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> </mrow>
式中的K即前文提到的权值w(k)，因此可通过幅值跟踪算法实现重构网侧电流对网侧电压的幅值跟踪，且能抵御系统参数的干扰，实现K的自适应调整。
3.如权利要求1所述的一种双级式矩阵变换器网侧单位功率因数控制方法，其特征在于，对变换器输入侧电流进行相位修正，修正角具体的求解方法如下：
Δe＝usa-ia；
式中：Δe为网侧电压与重构网侧电流之间的偏差，usa为网侧电压瞬时值，ia为网侧重构电流瞬时值；
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>K</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>s</mi> </mfrac> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>e</mi> <mo>;</mo> </mrow>
式中：Ki为积分常数，Δθ为积分器输出，即相位补偿角。
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