CN108631622B - 一种应用于ac-dc矩阵变换器的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于AC‑DC矩阵变换器的控制系统及方法，针对现有的AC‑DC矩阵变换器的控制方法进行了改进，通过计算与调整控制时间参数的大小，实现了PWM调制，工作频率固定，通过调节占空比改变输出功率大小，一方面解决了脉冲密度调制带来的滤波器设计的困难，另一方面由于采用了0电压激励，可以使用高频器件，并可以进一步提高变换器的功率密度。

Description

一种应用于AC-DC矩阵变换器的控制系统及方法

技术领域

本发明属于AC-Link技术领域，具体涉及一种应用于AC-DC矩阵变换器的控制系统及方法的设计。

背景技术

目前采用AC-link(高频交流链接)技术的AC-DC矩阵变换器主要由滤波器、开关矩阵、谐振电路、变压器以及整流器组成，其结构如图1所示。由于其无中间直流存储环节，减少电能变换次数，将功率因数校正、谐波消除和功率调节高度集成，具有高效、高功率密度、高功率因数和低谐波的优点。目前对AC-DC矩阵变换器的控制方法采用脉冲密度调制(PDM)，导致输出功率变化时，开关工作频率变化范围大，使得输入和输出滤波器设计困难，为了满足要求必须按照最低频率设计。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的AC-DC矩阵变换器的控制方法输入和输出滤波器设计困难的问题，提出了一种应用于AC-DC矩阵变换器的控制系统及方法。

本发明的技术方案为：一种应用于AC-DC矩阵变换器的控制系统，包括电网故障检测单元、锁相环、开关控制单元、控制参数计算单元、过温过流检测单元以及负载电压采集单元。

其中，电网故障检测单元与AC-DC矩阵变换器的三相输入相连，用于实时检测电网运行状态，并在电网发生故障时向开关控制单元发送断开信号。

过温过流检测单元与谐振电路的输出端相连，用于测量谐振电路的电流和AC-DC矩阵变换器的温度，并在过流或过温时向开关控制单元发送断开信号。

锁相环与AC-DC矩阵变换器的三相输入相连，用于检测三相输入电压，进行工作区间分配，并根据三相输入电压和工作区间计算电荷分析比例K以及三相输入电压的等效直流电压。

负载电压采集单元与AC-DC矩阵变换器后接的负载相连，用于采集负载的电压。

控制参数计算单元分别与锁相环和负载电压采集单元相连，用于根据三相输入电压的等效直流电压、电荷分析比例K以及负载电压计算控制时间参数，并生成开关控制信号。

开关控制单元分别与电网故障检测单元、过温过流检测单元、控制参数计算单元以及AC-DC矩阵变换器的开关矩阵相连，用于根据电网故障检测单元、过温过流检测单元或控制参数计算单元的开关控制信号控制开关矩阵中各个开关的闭合与断开。

本发明还提供了一种应用于AC-DC矩阵变换器的控制方法，包括以下步骤：

S1、采用锁相环采集AC-DC矩阵变换器的三相输入电压，并对三相输入电压进行工作区间分配，并确定每个区间的最大幅值电压U_P、最小幅值电压U_M和中间幅值电压U_N。

S2、根据每个区间的最大幅值电压U_P、最小幅值电压U_M和中间幅值电压U_N计算高线电压V_n和低线电压V_m。

S3、在锁相环中计算电荷分析比例K。

S4、根据电荷分析比例K、高线电压V_n和低线电压V_m计算三相输入电压的等效直流电压V_in。

S5、采用负载电压采集单元采集AC-DC矩阵变换器后接的负载的电压V_o。

S6、比较V_in和V_o的大小，若V_in>V_o，则进入步骤S7，否则进入步骤S8。

S7、选择Buck模式对AC-DC矩阵变换器进行控制，在控制参数计算单元中计算控制时间参数，并生成开关控制信号，进入步骤S9。

S8、选择Boost模式对AC-DC矩阵变换器进行控制，在控制参数计算单元中计算控制时间参数，并生成开关控制信号，进入步骤S9。

S9、通过开关控制信号控制开关矩阵中各个开关的闭合与断开，从而实现对AC-DC矩阵变换器主电路的控制。

本发明的有益效果是：本发明针对现有的AC-DC矩阵变换器的控制方法进行了改进，通过计算与调整控制时间参数的大小，实现了PWM调制，工作频率固定，通过调节占空比改变输出功率大小，一方面解决了脉冲密度调制带来的滤波器设计的困难，另一方面由于采用了0电压激励，可以使用高频器件，并可以进一步提高变换器的功率密度。

附图说明

图1所示为现有的AC-DC矩阵变换器电路结构示意图。

图2所示为本发明实施例一提供的一种应用于AC-DC矩阵变换器的控制系统结构框图。

图3所示为本发明实施例二提供的一种应用于AC-DC矩阵变换器的控制方法流程图。

图4所示为本发明实施例二提供的三相输入电压工作区间划分图。

图5所示为本发明实施例二提供的Buck模式工作状态平面图。

图6所示为本发明实施例二提供的Boost模式工作状态平面图。

图7所示为本发明实施例二提供的Buck模式一个周期内的开关控制图。

图8所示为本发明实施例二提供的Boost模式一个周期内的开关控制图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

实施例一：

本发明实施例提供了一种应用于AC-DC矩阵变换器的控制系统，如图2所示，包括电网故障检测单元、锁相环、开关控制单元、控制参数计算单元、过温过流检测单元以及负载电压采集单元。

其中，电网故障检测单元与AC-DC矩阵变换器的三相输入相连，用于实时检测电网运行状态，并在电网发生故障时向开关控制单元发送断开信号。

过温过流检测单元与谐振电路的输出端相连，用于测量谐振电路的电流和AC-DC矩阵变换器的温度，并在过流或过温时向开关控制单元发送断开信号。

锁相环与AC-DC矩阵变换器的三相输入相连，用于检测三相输入电压，进行工作区间分配，并根据三相输入电压和工作区间计算电荷分析比例K以及三相输入电压的等效直流电压。

负载电压采集单元与AC-DC矩阵变换器后接的负载相连，用于采集负载的电压。

控制参数计算单元分别与锁相环和负载电压采集单元相连，用于根据三相输入电压的等效直流电压、电荷分析比例K以及负载电压计算控制时间参数，并生成开关控制信号。

开关控制单元分别与电网故障检测单元、过温过流检测单元、控制参数计算单元以及AC-DC矩阵变换器的开关矩阵相连，用于根据电网故障检测单元、过温过流检测单元或控制参数计算单元的开关控制信号控制开关矩阵中各个开关的闭合与断开。

实施例二：

本发明实施例提供了一种应用于AC-DC矩阵变换器的控制方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1、采用锁相环采集AC-DC矩阵变换器的三相输入电压，并对三相输入电压进行工作区间分配，并确定每个区间的最大幅值电压U_P、最小幅值电压U_M和中间幅值电压U_N。

采用锁相环采集AC-DC矩阵变换器的三相输入电压u_a、u_b、u_c，根据相对大小关系将其一个电压周期划分为12个工作区间，并确定每个工作区间的最大幅值电压U_P、最小幅值电压U_M和中间幅值电压U_N，如图4所示，具体划分结果如下：

区间1：u_c>u_a>u_b,U_P＝u_b,U_M＝u_a,U_N＝u_c；

区间2：u_a>u_c>u_b,U_P＝u_b,U_M＝u_c,U_N＝u_a；

区间3：u_a>u_c>u_b,U_P＝u_a,U_M＝u_c,U_N＝u_b；

区间4：u_a>u_b>u_c,U_P＝u_a,U_M＝u_b,U_N＝u_c；

区间5：u_a>u_b>u_c,U_P＝u_c,U_M＝u_b,U_N＝u_a；

区间6：u_b>u_a>u_c,U_P＝u_c,U_M＝u_b,U_N＝u_a；

区间7：u_b>u_a>u_c,U_P＝u_b,U_M＝u_a,U_N＝u_c；

区间8：u_b>u_c>u_a,U_P＝u_b,U_M＝u_a,U_N＝u_c；

区间9：u_b>u_c>u_a,U_P＝u_a,U_M＝u_b,U_N＝u_c；

区间10：u_c>u_b>u_a,U_P＝u_a,U_M＝u_b,U_N＝u_c；

区间11：u_c>u_b>u_a,U_P＝u_c,U_M＝u_b,U_N＝u_a；

区间12：u_c>u_a>u_b,U_P＝u_c,U_M＝u_a,U_N＝u_b。

S2、根据每个区间的最大幅值电压U_P、最小幅值电压U_M和中间幅值电压U_N计算高线电压V_n和低线电压V_m。

其中，高线电压V_n的计算公式为：

V_n＝|U_P-U_N|

低线电压V_m的计算公式为：

V_m＝|U_P-U_M|

S3、在锁相环中计算电荷分析比例K，计算公式为：

其中Q₁和Q₃分别为AC-DC矩阵变换器中谐振电流正半周和负半周从U_N相流出的电荷量，Q₂和Q₄分别为AC-DC矩阵变换器中谐振电流正半周和负半周从U_M相流出的电荷量。

S4、根据电荷分析比例K、高线电压V_n和低线电压V_m计算三相输入电压的等效直流电压V_in，计算公式为：

S5、采用负载电压采集单元采集AC-DC矩阵变换器后接的负载的电压V_o。

S6、比较V_in和V_o的大小，若V_in>V_o，则进入步骤S7，否则进入步骤S8。

S7、选择Buck模式对AC-DC矩阵变换器进行控制，在控制参数计算单元中计算控制时间参数，并生成开关控制信号，进入步骤S9。

选择Buck模式对AC-DC矩阵变换器进行控制，Buck模式采用低线电压V_m、高线电压V_n以及0电压共同参与的组合方式完成激励，共分为六个工作过程：第1个工作过程采用高线电压V_n进行激励；第2个工作过程采用低线电压V_m进行激励；第3个工作过程采用0电压进行激励；第4个工作过程采用高线电压-V_n进行激励；第5个工作过程采用低线电压-V_m进行激励；第6个工作过程采用0电压进行激励。

在第1～2个工作过程中，从U_N相流出的电荷量为Q₁，从U_M相流出的电荷量为Q₂，在第4～5个工作过程中，从U_N相流出的电荷量为Q₃，从U_M相流出的电荷量为Q₄。根据电荷量精确分配的调制策略，在一个谐振电流半周期内，使不同相流出或流入的电荷量之比等于各自的相电压绝对值之比，电荷分析比例为：

采用作工作状态平面图的方法得到Buck模式下各个工作过程的控制时间参数：

以AC-DC矩阵变换器的谐振电容的电压V_Cr作为横轴，以AC-DC矩阵变换器的谐振电感的电流i_Lr及其特征阻抗Z_r的乘积作为纵轴建立平面坐标系，在横轴上定义其中n为变压器变比；分别以O₁，O₂，O₃为圆心，以R₁，R₂，R₃为半径作相互连接的六段圆弧，分别对应表示Buck模式的六个工作过程，如图5所示，弧A₁B₁，B₁B₂，B₂A₂为第1～3个工作过程对应的轨迹。

根据工作状态平面图中的几何关系求解半径R₁，R₂，R₃，具体公式为：

其中V_cr1表示Buck模式下的谐振电容电压，计算公式为：

其中P_o为负载输出功率，T为谐振电路的谐振周期，C_r为谐振电容值；

根据半径R₁，R₂，R₃计算前3个工作过程对应圆弧的相位角θ₁，θ₂，θ₃，具体公式为：

其中V₁为第1个工作过程结束后的谐振电容电压，计算公式为：

V₂为第2个工作过程结束后的谐振电容电压，计算公式为：

根据相位角θ₁，θ₂，θ₃计算前3个工作过程的控制时间参数t₁，t₂，t₃，具体公式为：

其中ω为谐振电路的谐振频率，L_r为谐振电感值，C_r为谐振电容值。

由于Buck模式下谐振电流正半周和负半周均进行两次换流且均包含3个工作过程，正负半周激励电压的极性相反，即第1～3个工作过程和第4～6个工作过程采用的激励电压幅值一一对应，极性相反。因此设定第1个工作过程时间为t₁，第2个工作过程时间为t₂，第3个工作过程时间为t₃，第4个工作过程时间为t₁，第5个工作过程时间为t₂，第6个工作过程时间为t₃，生成开关控制信号。

S8、选择Boost模式对AC-DC矩阵变换器进行控制，在控制参数计算单元中计算控制时间参数，并生成开关控制信号，进入步骤S9。

选择Boost模式对AC-DC矩阵变换器进行控制，Boost模式采用低线电压V_m和高线电压V_n共同参与的组合方式完成激励，共分为六个工作过程：第1、2个工作过程均采用高线电压V_n进行激励；第3个工作过程采用低线电压V_m进行激励；第4、5个工作过程均采用高线电压-V_n进行激励；第6个工作过程采用低线电压-V_m进行激励。

在第1～3个工作过程中，从U_N相流出的电荷量为Q₁，从U_M相流出的电荷量为Q₂，在第4～6个工作过程中，从U_N相流出的电荷量为Q₃，从U_M相流出的电荷量为Q₄。根据电荷量精确分配的调制策略，在一个谐振电流半周期内，使不同相流出或流入的电荷量之比等于各自的相电压绝对值之比，电荷分析比例为：

采用作工作状态平面图的方法得到Boost模式下各个工作过程的控制时间参数：

以AC-DC矩阵变换器的谐振电容的电压V_Cr作为横轴，以AC-DC矩阵变换器的谐振电感的电流i_Lr及其特征阻抗Z_r的乘积作为纵轴建立平面坐标系，在横轴上定义O₁＝V_n,其中n为变压器变比；分别以O₁，O₂，O₃为圆心，以R₁，R₂，R₃为半径作相互连接的六段圆弧，分别对应表示Boost模式的六个工作过程，如图6所示，弧A₁B₁，B₁B₂，B₂A₂为第1～3个工作过程对应的轨迹。

根据工作状态平面图中的几何关系求解半径R₁，R₂，R₃，具体公式为：

其中V_cr2表示Boost模式下的谐振电容电压，计算公式为：

其中P_o为负载输出功率，T为谐振电路的谐振周期，C_r为谐振电容值；

根据半径R₁，R₂，R₃计算前3个工作过程对应圆弧的相位角θ₁，θ₂，θ₃，具体公式为：

其中V₁为第1个工作过程结束后的谐振电容电压，计算公式为：

V₂为第2个工作过程结束后的谐振电容电压，计算公式为：

根据相位角θ₁，θ₂，θ₃计算前3个工作过程的控制时间参数t₁，t₂，t₃，具体公式为：

其中ω为谐振电路的谐振频率，L_r为谐振电感值，C_r为谐振电容值。

设定第1个工作过程时间为t₁，第2个工作过程时间为t₂，第3个工作过程时间为t₃，第4个工作过程时间为t₁，第5个工作过程时间为t₂，第6个工作过程时间为t₃，生成开关控制信号。

S9、通过开关控制信号控制开关矩阵中各个开关的闭合与断开，从而实现对AC-DC矩阵变换器主电路的控制。

开关控制单元通过接收到的开关控制信号，判断电网所处工作区间，并选择如图1所示的14个可控开关所对应的开关编号Q1～Q14，开关控制模块输出的与实际开关位置相对应的控制信号驱动开关矩阵完成对AC-DC矩阵变换器主电路的控制。

不同工作区间开关与驱动脉冲的对应关系如下表1所示。

表1

根据开关与驱动脉冲的对应关系，以第3区间为例对应Buck和Boost模式一个周期内的开关控制图，如图7和图8所示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种应用于AC-DC矩阵变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用锁相环采集AC-DC矩阵变换器的三相输入电压，并对三相输入电压进行工作区间分配，并确定每个区间的最大幅值电压U_P、最小幅值电压U_M和中间幅值电压U_N；

S2、根据每个区间的最大幅值电压U_P、最小幅值电压U_M和中间幅值电压U_N计算高线电压V_n和低线电压V_m；

S3、在锁相环中计算电荷分析比例K；

S4、根据电荷分析比例K、高线电压V_n和低线电压V_m计算三相输入电压的等效直流电压V_in；

S5、采用负载电压采集单元采集AC-DC矩阵变换器后接的负载的电压V_o；

S6、比较V_in和V_o的大小，若V_in>V_o，则进入步骤S7，否则进入步骤S8；

S7、选择Buck模式对AC-DC矩阵变换器进行控制，在控制参数计算单元中计算控制时间参数，并生成开关控制信号，进入步骤S9；

S8、选择Boost模式对AC-DC矩阵变换器进行控制，在控制参数计算单元中计算控制时间参数，并生成开关控制信号，进入步骤S9；

S9、通过开关控制信号控制开关矩阵中各个开关的闭合与断开，从而实现对AC-DC矩阵变换器主电路的控制；

所述步骤S7具体为：

选择Buck模式对AC-DC矩阵变换器进行控制，Buck模式采用低线电压V_m、高线电压V_n以及0电压共同参与的组合方式完成激励，共分为六个工作过程：第1个工作过程采用高线电压V_n进行激励；第2个工作过程采用低线电压V_m进行激励；第3个工作过程采用0电压进行激励；第4个工作过程采用高线电压-V_n进行激励；第5个工作过程采用低线电压-V_m进行激励；第6个工作过程采用0电压进行激励；

采用作工作状态平面图的方法得到Buck模式下各个工作过程的控制时间参数：

以AC-DC矩阵变换器的谐振电容的电压V_Cr作为横轴，以AC-DC矩阵变换器的谐振电感的电流i_Lr及其特征阻抗Z_r的乘积作为纵轴建立平面坐标系，在横轴上定义其中n为变压器变比；分别以O₁，O₂，O₃为圆心，以R₁，R₂，R₃为半径作相互连接的六段圆弧，分别对应表示Buck模式的六个工作过程；

根据工作状态平面图中的几何关系求解半径R₁，R₂，R₃，具体公式为：

其中V_cr1表示Buck模式下的谐振电容电压，计算公式为：

其中P_o为负载输出功率，T为谐振电路的谐振周期，C_r为谐振电容值；

根据半径R₁，R₂，R₃计算前3个工作过程对应圆弧的相位角θ₁，θ₂，θ₃，具体公式为：

其中V₁为第1个工作过程结束后的谐振电容电压，计算公式为：

V₂为第2个工作过程结束后的谐振电容电压，计算公式为：

根据相位角θ₁，θ₂，θ₃计算前3个工作过程的控制时间参数t₁，t₂，t₃，具体公式为：

其中ω为谐振电路的谐振频率，L_r为谐振电感值，C_r为谐振电容值；

设定第1个工作过程时间为t₁，第2个工作过程时间为t₂，第3个工作过程时间为t₃，第4个工作过程时间为t₁，第5个工作过程时间为t₂，第6个工作过程时间为t₃，生成开关控制信号；

所述步骤S8具体为：

选择Boost模式对AC-DC矩阵变换器进行控制，Boost模式采用低线电压V_m和高线电压V_n共同参与的组合方式完成激励，共分为六个工作过程：第1、2个工作过程均采用高线电压V_n进行激励；第3个工作过程采用低线电压V_m进行激励；第4、5个工作过程均采用高线电压-V_n进行激励；第6个工作过程采用低线电压-V_m进行激励；

采用作工作状态平面图的方法得到Boost模式下各个工作过程的控制时间参数：

以AC-DC矩阵变换器的谐振电容的电压V_Cr作为横轴，以AC-DC矩阵变换器的谐振电感的电流i_Lr及其特征阻抗Z_r的乘积作为纵轴建立平面坐标系，在横轴上定义其中n为变压器变比；分别以O₁，O₂，O₃为圆心，以R₁，R₂，R₃为半径作相互连接的六段圆弧，分别对应表示Boost模式的六个工作过程；

根据工作状态平面图中的几何关系求解半径R₁，R₂，R₃，具体公式为：

其中V_cr2表示Boost模式下的谐振电容电压，计算公式为：

其中P_o为负载输出功率，T为谐振电路的谐振周期，C_r为谐振电容值；

根据半径R₁，R₂，R₃计算前3个工作过程对应圆弧的相位角θ₁，θ₂，θ₃，具体公式为：

其中V₁为第1个工作过程结束后的谐振电容电压，计算公式为：

V₂为第2个工作过程结束后的谐振电容电压，计算公式为：

根据相位角θ₁，θ₂，θ₃计算前3个工作过程的控制时间参数t₁，t₂，t₃，具体公式为：

其中ω为谐振电路的谐振频率，L_r为谐振电感值，C_r为谐振电容值；

设定第1个工作过程时间为t₁，第2个工作过程时间为t₂，第3个工作过程时间为t₃，第4个工作过程时间为t₁，第5个工作过程时间为t₂，第6个工作过程时间为t₃，生成开关控制信号。

2.根据权利要求1所述的应用于AC-DC矩阵变换器的控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

采用锁相环采集AC-DC矩阵变换器的三相输入电压u_a、u_b、u_c，根据相对大小关系将其一个电压周期划分为12个工作区间，并确定每个工作区间的最大幅值电压U_P、最小幅值电压U_M和中间幅值电压U_N，具体划分结果如下：

区间1：u_c>u_a>u_b,U_P＝u_b,U_M＝u_a,U_N＝u_c；

区间2：u_a>u_c>u_b,U_P＝u_b,U_M＝u_c,U_N＝u_a；

区间3：u_a>u_c>u_b,U_P＝u_a,U_M＝u_c,U_N＝u_b；

区间4：u_a>u_b>u_c,U_P＝u_a,U_M＝u_b,U_N＝u_c；

区间5：u_a>u_b>u_c,U_P＝u_c,U_M＝u_b,U_N＝u_a；

区间6：u_b>u_a>u_c,U_P＝u_c,U_M＝u_b,U_N＝u_a；

区间7：u_b>u_a>u_c,U_P＝u_b,U_M＝u_a,U_N＝u_c；

区间8：u_b>u_c>u_a,U_P＝u_b,U_M＝u_a,U_N＝u_c；

区间9：u_b>u_c>u_a,U_P＝u_a,U_M＝u_b,U_N＝u_c；

区间10：u_c>u_b>u_a,U_P＝u_a,U_M＝u_b,U_N＝u_c；

区间11：u_c>u_b>u_a,U_P＝u_c,U_M＝u_b,U_N＝u_a；

区间12：u_c>u_a>u_b,U_P＝u_c,U_M＝u_a,U_N＝u_b。

3.根据权利要求1所述的应用于AC-DC矩阵变换器的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中高线电压V_n的计算公式为：

V_n＝|U_P-U_N|

低线电压V_m的计算公式为：

V_m＝|U_P-U_M|。

4.根据权利要求1所述的应用于AC-DC矩阵变换器的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中电荷分析比例K的计算公式为：

其中Q₁和Q₃分别为AC-DC矩阵变换器中谐振电流正半周和负半周从U_N相流出的电荷量，Q₂和Q₄分别为AC-DC矩阵变换器中谐振电流正半周和负半周从U_M相流出的电荷量。

5.根据权利要求1所述的应用于AC-DC矩阵变换器的控制方法，其特征在于，所述步骤S4中三相输入电压的等效直流电压V_in的计算公式为：