CN108880209A - 一种有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼控制方法，属于有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法技术领域。该方法在有源三次谐波注入矩阵变换器的输入侧增加虚拟阻尼支路，利用对电源电流进行微分的方法得到虚拟阻尼电流，并利用输入侧与三次谐波注入电流的关系对三次谐波注入电流参考值进行修正，从而提高输入滤波器的阻尼，抑制滤波器震荡。本发明在提高输入侧滤波器阻尼的同时，避免了无源阻尼方法降低效率、增加输入电流高次谐波含量的问题，对于提高有源三次谐波注入矩阵变换器的稳定性、效率和电源电流质量具有重要意义。

Description

一种有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼控制方法

技术领域

本发明涉及一种有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼控制方法，属于有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法技术领域。

背景技术

在形形色色的AC-AC(交流-交流)功率变换器拓扑中，采用无源器件如二极管整流桥、电感和电容构成的无源前端变换器是应用最早和最广泛的AC-AC功率变换器拓扑之一。无源前端变换器具备转换效率高、EMI(电磁干扰)小、低成本、结构简洁和可靠性高等优点，它的主要缺点是能量单向流动和较大的输入电流谐波畸变率。间接矩阵变换器具备输入输出电流正弦、输入功率因数可控、四象限运行、无中间储能元件等诸多长处，但仍然存在一些需要克服的难题：整流级和逆变级同步调制导致了窄脉冲等非线性问题，影响了输入输出波形质量；输入侧无功功率控制范围受限；调制策略相对复杂。

混合前端变换器通过集成无源前端变换器的前端整流器和一部分的有源开关构成。混合前端变换器不但继承了无源前端变换器低开关损耗和低成本等优点，而且由于有源开关的控制，输入电流正弦度和功率因数控制范围有了明显改善。

附图1所示的有源三次谐波注入矩阵变换器(H3IMC)是混合前端变换器中的一种。该拓扑既与常规间接矩阵变换器一样，具有能量双向流动能力、优良的输入输出特性、中间无大容量的储能电容等优点，又具备了一些常规间接矩阵变换器不具备的优点。如在只需能量单向流动且负载功率因数较高的场合，整流级可以用三相不控二极管整流器代替，节约了成本并提高了效率。并且由于整流级开关仅按工频切换，因此开关频率要求很低，这也在一定程度上降低了开关器件的成本。

在采集H3IMC输入电压进行控制时，从输入侧的角度H3IMC可当作恒功率负载，会产生负的输入导纳，降低系统稳定性，甚至引发输入LC滤波器振荡，威胁系统的安全稳定运行。目前对有源三次谐波注入矩阵变换器进行控制时，多采用如附图2所示在滤波电感上并联无源阻尼电阻的方法提高系统阻尼、增强系统稳定性。然而，无源阻尼方法需要增加额外的电阻，并且增加了输入电流高次谐波含量和功率损耗，因此对于不增加额外的硬件、不消耗有功功率的有源阻尼控制方法的研究显得尤为重要。

发明内容

本发明提出了一种有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼控制方法，提高系统阻尼、抑制滤波器震荡、增强系统稳定性，并解决无源阻尼方法降低效率、增加输入电流高次谐波含量的问题。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼控制方法，包括如下步骤：

步骤1，采集三相电源电流和有源三次谐波注入矩阵变换器三相输入电压，并进行abc/αβ变换；

步骤2，根据输入电压和电源电流的αβ轴分量计算三次谐波注入电流修正量；

步骤3，将步骤2中得到的三次谐波注入电流修正量添加到三次谐波注入电流参考值中，并对三次谐波注入电流进行闭环控制；

步骤4，根据步骤3中的修正量调整逆变级空间矢量调制算法的输出线电压参考值，并根据空间矢量调制算法的原理，得到逆变级的调制信号。

所述步骤1的具体过程如下：

步骤11，采集有源三次谐波注入矩阵变换器三相输入电压u_ia、u_ib、u_ic，并进行abc/αβ变换得到输入电压的αβ轴分量u_iα和u_iβ，进而得到输入电压幅值U_im：

步骤12，采集有源三次谐波注入矩阵变换器三相电源电流i_ia、i_ib、i_ic，并根据下式所示的abc/αβ变换得到电源电流的αβ轴分量i_sα和i_sβ：

步骤13，根据步骤11得到的三相输入电压u_ia、u_ib、u_ic，进行扇区判断，得到IVS开关信号。

所述步骤2的具体过程如下：

步骤21，对步骤12中的电源电流αβ轴分量i_sα和i_sβ进行微分，并结合电路参数和虚拟阻尼电阻值，得到输入电流修正量的αβ轴分量i_iαe和i_iβe：

其中：R_vd为虚拟阻尼电阻，L_s为输入滤波电感，R_f为输入滤波电感内阻；

步骤22，结合步骤11中的输入电压的αβ轴分量u_iα和u_iβ和步骤21中的输入电流修正量的αβ轴分量i_iαe和i_iβe计算出谐波注入电流参考值中的有功功率和无功功率修正量P_e和Q_e：

所述步骤3的具体过程如下：

步骤31，根据有源三次谐波注入矩阵变换器的期望输出电压U_olrms和负载情况计算输出有功功率即为输入端有功功率P，输入端无功功率为0：

其中：R_L为负载电阻，L_L为输出滤波电感，ω为输出电压角频率；

步骤32，结合步骤22得到的有功功率和无功功率修正量P_e和Q_e和步骤31得到的计算修正后的输入端有功功率P₁和无功功率Q₁：

步骤33，计算修正后的谐波注入电流参考值i_y ^**：

其中：ω_i为电源电压频率；

步骤34，使用PI控制器对谐波注入电流进行闭环控制，得到谐波注入电流控制桥臂的PWM控制信号。

所述步骤4的具体过程如下：

步骤41，根据矩阵变换器输入端和输出端有功功率守恒的原理，结合步骤32中得到的修正后的有功功率P₁和负载情况得到修正后的输出线电压有效值U_olrms1：

步骤42，根据输出线电压有效值U_olrms1和母线电压u_dc计算调制比m_v1，并根据输出电压频率f_o和时间t得到相角θ_v：

步骤43，利用步骤42得到的调制比m_v1和相角θ_v进行矩阵变换器常用的空间矢量调制算法产生逆变级所需的PWM控制信号。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提出的有源三次谐波注入矩阵变换器有源阻尼控制方法对三次谐波注入电流进行修正，能够有效提高输入侧LC滤波器的阻尼，抑制电源电流震荡，增强系统稳定性。

(2)本发明在增加输入侧滤波器阻尼的同时，避免了无源阻尼方法降低效率、增加输入电流高次谐波含量的问题。

(3)本发明所采用的修正方法算法简单，容易实现。

附图说明

图1是有源三次谐波注入矩阵变换器的拓扑结构图,其中：1是三相交流电源；2是LC滤波器；3是电压选择器(IVS)；4是三次谐波注入电流控制桥臂；5是逆变器(VSI)；6是三相RL负载。

图2是LC滤波器常用的无源阻尼方法结构图。

图3是有源三次谐波注入矩阵变换器输入侧状态方程矩阵A的特征根轨迹图。

图4是采用无源阻尼方法后有源三次谐波注入矩阵变换器输入侧状态方程矩阵A的特征根轨迹图。

图5是本发明提供的有源三次谐波注入矩阵变换器有源阻尼控制方法的系统控制框图。

图6是本发明提供的有源阻尼控制方法中有功、无功功率修正量的计算方法图。

图7是本发明提供的有源阻尼方法的等效电路图。

图8是采用无源阻尼方法和本发明提供的有源阻尼方法时输入电流到电源电流的传递函数幅频特性图。

图9(a)是无阻尼控制的仿真结果图,图9(b)是无源阻尼方法的仿真结果图,图9(c)是本发明提供的有源阻尼控制方法的仿真结果图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

拓扑结构介绍

本发明所应用的有源三次谐波注入矩阵变换器拓扑结构如附图1所示，包括如下部分：三相交流电源1，输入LC滤波器2，电压选择器(IVS)3，三次谐波注入电流控制桥臂4，逆变器(VSI)5，三相RL负载6。

三相交流电源1通过输入LC滤波器2接在电压选择器3的三相输入端，电压选择器3的x、z两端通过母线滤波器接到逆变器5的直流端p、n，y端通过三次谐波注入电流控制桥臂4接到逆变器5的直流端p、n，三相RL负载6接到逆变器5的三相交流输出端。

电压选择器3包括整流级和三个双向开关，整流级包括全控型器件组成的三个桥臂，三次谐波注入电流控制桥臂4包括全控型器件组成的y桥臂和一个谐波注入电流滤波电感L_y，逆变级包括全控型器件组成的三个桥臂；

每个双向开关均由两个全控型器件共射级构成，每个全控型器件反并联一个体二极管；

输入LC滤波器2包括滤波电感L_f、滤波电感内阻R_f和滤波电容C_f。滤波电感L_f串接在三相交流电源1的三相输出和电压选择器3三相输入之间，滤波电容C_f一端与电压选择器3三相输入端相连，另一端并联在一起。

无源阻尼分析

1)一般情况下的稳定性分析

根据附图2可得有源三次谐波注入矩阵变换器输入侧的小信号状态方程为：

式中，符号Δ表示对应变量的小信号分量，状态变量为滤波电感电流i_s和滤波电容电压u_i的小信号dq分量，即Δx＝[Δi_sd,Δi_sq,Δu_id,Δu_iq]^T，Δi_sd表示i_s的小信号d轴分量,Δi_sq表示i_s的小信号q轴分量,Δu_id表示u_i的小信号d轴分量,Δu_iq表示u_i的小信号q轴分量；输入变量为电源内部反电势u_e及输入电流的i_i的小信号dq分量，即Δu＝[Δu_ed,Δu_eq,Δi_id,Δi_iq]^T，Δu_ed表示u_e的小信号d轴分量,Δu_eq表示u_e的小信号q轴分量,Δi_id表示i_i的小信号d轴分量,Δi_iq表示i_i的小信号q轴分量；输出变量为电源电流的小信号dq分量，即Δy＝[Δi_sd,Δi_sq]^T；矩阵A、B、C和D的表达式为：

其中：R_f为输入滤波电感内阻，L_f为输入滤波电感，C_f为输入滤波电容，ω_s为电源电压角频率，Y_id和Y_iq分别为有源三次谐波注入矩阵变换器的d轴和q轴小信号输入导纳，其表达式为：

式中U_sd、U_sq分别为u_sd、u_sq的稳态值，取约等号的原因是在一般情况下，U_sq远小于U_sd，P为变换器传递的有功功率，Q为变换器传递的无功功率，U_sm为电源电压幅值。

根据控制理论，矩阵A可用于分析系统稳定性，当其特征根均具有负实部时系统是稳定的，否则系统是不稳定的。滤波器的参数为：L_f＝0.3mH，C_f＝10μF，R_f＝0.1Ω。电源电压幅值为220V，频率50Hz。当其他参数不变而变换器传输的有功功率P从0增加到3kW时矩阵A的特征根轨迹如附图3所示。当P从0增加到3kW时，矩阵A的一对特征根从复平面左半平面逐渐移动到右半平面，系统变得不稳定，电源电流和输入电压将发生震荡。

2)无源阻尼方法下的稳定性分析

在实际中，常采用在输入滤波电感L_f旁并联阻尼电阻R_d的无源阻尼方法增加系统阻尼以提高系统稳定性，如图2所示。以Δx＝[Δi_fd,Δi_fq,Δu_id,Δu_iq]^T为状态变量，其中：Δi_fd为输入滤波电感电流d轴小信号分量，Δi_fq为输入滤波电感电流q轴小信号分量，输入变量Δu和输出变量Δy保持不变，可得无源阻尼方法下状态方程的矩阵A、B、C和D：

其中：R_d为无源阻尼电阻。

当其他参数不变而变换器传输的有功功率P从0增加到3kW时矩阵A的特征根轨迹如附图4所示。与附图3对比可以发现，矩阵A的根轨迹形状几乎不变，但是整体向左半平面移动，且所有特征根都在左半平面，这说明无源阻尼方法有效提高了系统的稳定性。

3)无源阻尼方法的缺点

然而附图2所示的无源阻尼方法存在着以下缺点：一方面增加阻尼电阻R_d会增加系统损耗，降低系统的效率；另一方面阻尼电阻在提供滤波器阻尼的同时，也会通过一定的高次谐波，因此无源阻尼方法会增加电源电流的高次谐波含量。

有源阻尼算法介绍

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有源阻尼控制方法，提高系统阻尼、抑制滤波器震荡、增强系统稳定性，并解决无源阻尼方法降低效率、增加输入电流高次谐波含量的问题。

如附图5所示，本发明提供的有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼控制方法，在每个开关周期内，控制器进行如下步骤：

步骤1，采集三相电源电流和有源三次谐波注入矩阵变换器三相输入电压，并进行abc/αβ变换；

步骤2，根据输入电压和电源电流的αβ轴分量计算三次谐波注入电流修正量；

步骤3，将步骤2中得到的三次谐波注入电流修正量添加到三次谐波注入电流参考值中，并对三次谐波注入电流进行闭环控制得到谐波注入电流控制桥臂的PWM控制信号；

步骤4，根据步骤2中的修正量调整逆变级空间矢量调制算法的输出线电压参考值，并根据空间矢量调制算法的原理，得到逆变级的调制信号；

上述步骤1的详细内容是：

步骤11，采集有源三次谐波注入矩阵变换器三相输入电压u_ia、u_ib、u_ic，并进行abc/αβ变换得到输入电压的αβ轴分量u_iα和u_iβ，进而得到输入电压幅值U_im：

步骤12，采集有源三次谐波注入矩阵变换器三相电源电流i_ia、i_ib、i_ic，，并根据下式所示的abc/αβ变换得到电源电流的αβ轴分量i_sα和i_sβ：

步骤13，根据步骤11得到的三相输入电压u_ia、u_ib、u_ic进行如表1所示的扇区判断，得到IVS(电压选择器)的开关信号。

表1输入电压扇区划分及IVS开关状态表

如附图6所示，上述步骤2的详细内容是：

步骤21，对步骤12中的电源电流αβ轴分量i_sα和i_sβ进行微分，并结合电路参数和虚拟阻尼电阻值，得到输入电流修正量的αβ轴分量i_iαe和i_iβe：

其中：L_s为输入滤波电感，R_vd为虚拟阻尼电阻。

步骤22，结合步骤11中的输入电压的αβ轴分量u_iα和u_iβ和步骤21中的输入电流修正量的αβ轴分量i_iαe和i_iβe计算出谐波注入电流参考值中的有功功率和无功功率修正量P_e和Q_e：

上述步骤3的详细内容是：

步骤31，根据有源三次谐波注入矩阵变换器的期望输出电压U_olrms和负载情况计算输出有功功率即为输入端有功功率P，输入端无功功率为0：

其中：R_L为负载电阻，L_L为输出滤波电感，ω为输出电压角频率。

步骤32，结合步骤22得到的有功功率和无功功率修正量P_e和Q_e和步骤31得到的计算修正后的输入端有功功率P₁和无功功率Q₁：

步骤33，计算修正后的谐波注入电流参考值i_y ^**：

其中：ω_i为电源电压角频率。

步骤34，使用PI(比例积分)控制器对谐波注入电流进行闭环控制，得到谐波注入电流控制桥臂的PWM(脉冲宽度调制)控制信号。

上述步骤4的详细内容是：

步骤41，根据矩阵变换器输入端和输出端有功功率守恒的原理，结合步骤32中得到的修正后的有功功率P₁和负载情况得到修正后的输出线电压有效值U_olrms1：

步骤42，根据输出线电压有效值U_olrms1和母线电压u_dc计算调制比m_v1，并根据输出电压频率f_o和时间t得到相角θ_v：

步骤43，利用步骤42得到的调制比m_v1和相角θ_v进行矩阵变换器常用的空间矢量调制算法产生逆变级所需的PWM控制信号。

有益效果说明

1)稳定性

本发明提供的有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼方法，其等效电路如附图7所示。图中阴影部分为虚拟阻尼支路，需要通过算法实现该阻尼支路的功能；i_vd为虚拟阻尼电流；R_vd为虚拟阻尼电阻；u_ve为虚拟的电压源，其值与实际的电源内部反电势电压u_e相等。在该有源阻尼控制策略下，以[Δi_sd,Δi_sq,Δu_id,Δu_iq]^T为状态变量Δx，输入变量Δu和输出变量Δy不变，输入侧小信号状态方程中矩阵A、B、C和D的表达式为：

与无源阻尼方法比较可以发现，当虚拟阻尼电阻R_vd与实际阻尼电阻R_d的值相同时，无源阻尼控制和所提出的有源阻尼控制策略具有完全相同的系统矩阵A的表达式，因此两者具有相同的稳定性性能。

2)不增加高频谐波

附图8给出了采用无源阻尼方法和本发明提供的有源阻尼方法后输入电流到电源电流的传递函数幅频特性。从图中可知，在R_vd＝R_d＝15Ω时，在20kHz(谐波注入电流控制桥臂和逆变级的开关频率)处，本发明提供的有源阻尼控制方法下G_is(s)的增益比无源阻尼控制小8.8dB，这表明采用本发明提供的有源阻尼控制方法可以降低电源电流的高次谐波含量。

仿真结果

本发明在Matlab/Simulink软件中建立了仿真模型，并进行了仿真验证。仿真结果如附图9所示，附图9(a)为无阻尼控制的仿真结果，附图9(b)为采用无源阻尼方法的仿真结果，附图9(c)为采用本发明控制方法后的仿真结果。在三种仿真情况中，在0～0.04s仿真时间内，有源三次谐波注入矩阵变换器传输的有功功率为1kW；在0.04～0.08s仿真时间内，有源三次谐波注入矩阵变换器传输的有功功率为3kW。由图中可以看出，不采用任何阻尼控制方法时，电源电流和输入电压在高功率时会发生严重的震荡；采用无源阻尼方法增加了滤波器阻尼，抑制了震荡，但是电源电流含有较多的高次谐波；采用本发明提供的有源阻尼控制方法后，滤波器阻尼同样得到了增加，震荡得到了有效抑制，并且相对于无源阻尼方法，高次谐波含量显著减小。采用无源阻尼方法和本发明提供的有源阻尼方法的电源电流总谐波含量分别为10.02％和4.02％。仿真结果验证了本发明所提方法的有效性和可行性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，采集三相电源电流和有源三次谐波注入矩阵变换器三相输入电压，并进行abc/αβ变换；

步骤2，根据输入电压和电源电流的αβ轴分量计算三次谐波注入电流修正量；

步骤3，将步骤2中得到的三次谐波注入电流修正量添加到三次谐波注入电流参考值中，并对三次谐波注入电流进行闭环控制；

步骤4，根据步骤3中的修正量调整逆变级空间矢量调制算法的输出线电压参考值，并根据空间矢量调制算法的原理，得到逆变级的调制信号。

2.根据权利要求1所述的一种有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程如下：

步骤11，采集有源三次谐波注入矩阵变换器三相输入电压u_ia、u_ib、u_ic，并进行abc/αβ变换得到输入电压的αβ轴分量u_iα和u_iβ，进而得到输入电压幅值U_im：

步骤12，采集有源三次谐波注入矩阵变换器三相电源电流i_ia、i_ib、i_ic，并根据下式所示的abc/αβ变换得到电源电流的αβ轴分量i_sα和i_sβ：

步骤13，根据步骤11得到的三相输入电压u_ia、u_ib、u_ic，进行扇区判断，得到IVS开关信号。

3.根据权利要求2所述的一种有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程如下：

步骤21，对步骤12中的电源电流αβ轴分量i_sα和i_sβ进行微分，并结合电路参数和虚拟阻尼电阻值，得到输入电流修正量的αβ轴分量i_iαe和i_iβe：

其中：R_vd为虚拟阻尼电阻，L_s为输入滤波电感，R_f为输入滤波电感内阻；

步骤22，结合步骤11中的输入电压的αβ轴分量u_iα和u_iβ和步骤21中的输入电流修正量的αβ轴分量i_iαe和i_iβe计算出谐波注入电流参考值中的有功功率和无功功率修正量P_e和Q_e：

4.根据权利要求3所述的一种有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程如下：

步骤31，根据有源三次谐波注入矩阵变换器的期望输出电压U_olrms和负载情况计算输出有功功率即为输入端有功功率P，输入端无功功率为0：

其中：R_L为负载电阻，L_L为输出滤波电感，ω为输出电压角频率；

步骤32，结合步骤22得到的有功功率和无功功率修正量P_e和Q_e和步骤31得到的计算修正后的输入端有功功率P₁和无功功率Q₁：

步骤33，计算修正后的谐波注入电流参考值i_y ^**：

其中：ω_i为电源电压频率；

步骤34，使用PI控制器对谐波注入电流进行闭环控制，得到谐波注入电流控制桥臂的PWM控制信号。

5.根据权利要求4所述的一种有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程如下：

步骤41，根据矩阵变换器输入端和输出端有功功率守恒的原理，结合步骤32中得到的修正后的有功功率P₁和负载情况得到修正后的输出线电压有效值U_olrms1：

步骤42，根据输出线电压有效值U_olrms1和母线电压u_dc计算调制比m_v1，并根据输出电压频率f_o和时间t得到相角θ_v：

步骤43，利用步骤42得到的调制比m_v1和相角θ_v进行矩阵变换器常用的空间矢量调制算法产生逆变级所需的PWM控制信号。