CN110212803A - 一种三相软开关变流器非单位功率因数输出空间矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三相软开关变流器非单位功率因数输出空间矢量调制方法。在每个空间矢量扇区内，通过本发明的矢量调制方法，能确保在任意一个开关周期内，变流器所有二极管向对侧主开关管换流时刻同步，这样辅助开关管在一个开关周期内只需动作一次便能够实现所有开关管的零电压开通。本发明解决了非单位功率因数输出下三相软开关变流器的调制问题，开关动作次数少，所有开关管均实现了零电压开通，电路转换效率高，有利于拓展三相软开关变流器的应用范围。

Description

一种三相软开关变流器非单位功率因数输出空间矢量调制 方法

技术领域

本发明涉及电力电子变流器控制领域，尤其涉及一种三相软开关变流器非单位功率因数输出空间矢量调制方法。

背景技术

传统的三相软开关变流器空间矢量调制方法，在一个特定的空间矢量扇区内，通过矢量排布，保持三相中电流最大相在一个开关周期内不动作，同时能够将桥臂中存在的由二极管向主开关管换流的开关动作时刻同步对齐，辅助开关管在一个开关周期内只需要动作一次便能够实现全部开关管的零电压开通。传统的调制方法只适用于变流器输出功率因数角为-30°～+30°，当变流器的输出功率因数角超过上述范围时，会导致变流器的软开关特性失效，失去了所有开关零电压开通的特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种三相软开关变流器非单位功率因数输出空间矢量调制方法，使得变流器在任意功率因数角时仍能实现全部开关管的零电压开通。

本发明提供一种三相软开关变流器非单位功率因数输出空间矢量调制方法，其特征在于：在变流器非单位功率因数输出时，对于三相软开关变流器拓扑进行空间矢量调制，电路中的所有主开关管和辅助开关管具有相同的开关频率。使用本发明的特定的矢量排布顺序，桥臂中存在的由二极管向主开关管换流的开关动作时刻同步对齐，同时保证每个开关周期中三相桥臂中的某一相保持不动作，辅助开关管在一个开关周期内只需动作一次便能实现所有开关管的零电压开通。在上述由二极管向主开关管换流的开关动作时刻前关断辅助开关管，使得正、负公共母线之间的电压谐振为零，为主开关管创造零电压开通的条件；在所有二极管向主管换流过程结束之后，电路中谐振电容上的电压将谐振为零，辅助开关管进行零电压开通。

上述方案中，所述的特定的矢量排布顺序采用如下方法获得：

假定忽略滤波电感L_a,L_b,L_c对输出电压相位的影响，则三相电网电压u_a，u_b，u_c可视为三相软开关变流器的控制参考电压；在任意时刻，已知u_a，u_b，u_c，则经abc/αβ坐标变换可以得到在矢量空间中的参考矢量V_ref及其所在的扇区的情况；任意时刻，参考矢量只可能处在六个基本扇区中的一个；

确定参考矢量所在的扇区后，可以从八个基本矢量V0(000), V1(100),V2(110),V3(010),V4(011),V5(001),V6(101),V7(111)中选取适当的矢量来合成参考矢量：规定矢量空间中相位滞后于参考矢量的第一个基本矢量为VB1，矢量空间中相位滞后于参考矢量的第二个基本矢量为VB2，矢量空间中相位超前于参考矢量的第一个基本矢量为 VA1，矢量空间中相位超前于参考矢量的第二个基本矢量为VA2；如果一个开关周期内只使用三个基本矢量，那么在任意六个扇区内有且仅有如下三种组合来合成参考矢量：

组合1：第一个矢量为VA1，第二个矢量为VB1，第三个矢量为零矢量，即V0(000)或V7(111)；

组合2：第一个矢量为VA1，第二个矢量为VB1，第三个矢量为 VA2；

组合3：第一个矢量为VA1，第二个矢量为VB1，第三个矢量为 VB2；

同时，根据参考矢量所处的具体位置，组合2和组合3内的VB1 可能会被零矢量替换，即组合2可能演变为：VA1+零矢量+VA2，组合3可能演变为：VA1+零矢量+VB2；

每种组合内，因为矢量的个数是3个，那么任意组合内可能的矢量排布顺序为3×2×1＝6种；考虑共有3种组合，那么用三个矢量来合成参考矢量共有3×6＝18种矢量作用序列；

为了将软开关变流器内所有二极管向对侧主开关管换流时刻同步，需要考虑输出电流极性，当输出电流极性为正时(用P表示)，矢量表达中从0变换到1的时刻是二极管向对侧主开关管换流的时刻；当输出电流为负时(用N表示)，矢量表达中从1变换到0的时刻是二极管向对侧主开关管换流的时刻；

同时，为保持三相桥臂中的其中一相桥臂在一个开关周期内不动作，即对于这一相桥臂，在一个开关周期内，其始终为(111)状态或者(000)状态；

三相软开关变流器非单位功率因数输出时，在一个矢量空间扇区内，存在不同的电流极性组合，在任意时刻，已知参考矢量V_ref及其所在扇区，考虑电流极性并将二极管向对侧主开关管换流时刻对齐，同时保证三相桥臂中某一相桥臂不动作，即可从18种可能的组合中选取满足上述条件的矢量排布序列。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

采用本发明的空间矢量调制方法，相比于传统的输出功率因数角-30°～+30°调制方法，能够实现变流器输出任意功率因数角时，即在输出功率因数角-90°～+90°范围内仍然实现全部开关管的零电压开通。辅助管在一个开关周期内只需要动作一次。同时，变流器中箝位二极管的反向恢复得到抑制，减少了电磁干扰。电路中所有功率开关器件实现软开关，开关损耗小，电路效率高，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。

附图说明

图1为三相软开关变流器电路拓扑图。

图2～4为参考矢量位于扇区1时可能的矢量组合选择。

图5为选用组合2和组合3时参考矢量的合成方法。

图6为电流滞后电压45°时的电压电流时域波形。

图7为电流滞后电压45°时矢量空间划分及电流极性。

图8～16分别电流滞后电压45°时扇区1中一个开关周期的各阶段的工作等效电路。

图17为电流滞后电压45°时扇区1中一个开关周期的主要工作电压和驱动时序。

图18是组合2中根据参考矢量所在位置可用的作用序列。

图19是组合3中根据参考矢量所在位置可用的作用序列。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1，所述三相软开关变流器电路构成如下：

辅助谐振支路部分：一个并联二极管D_aux的辅助开关管S_aux、谐振电感L_r、箝位电容C_c构成的辅助谐振支路，其中辅助开关管S_aux与箝位电容C_c串联后再和谐振电感L_r并联。辅助开关管的集电极与发射极两端并联一个谐振电容C_aux。

逆变桥臂部分：三相半桥桥臂均由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成，A相桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_a1、S_a2和D_a1、D_a2，B相桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_b1、S_b2和D_b1、D_b2，C相桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_c1、S_c2和D_c1、D_c2，三相桥臂的上、下两端并联形成正、负公共母线；各主开关管的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容C_ra1、C_ra2、C_rb1、C_rb2、C_rc1、C_rc2。

其他部分：交流侧滤波电感L_a、L_b、L_c；直流侧电压源V_dc；交流侧电网u_a，u_b，u_c。

对于空间矢量调制，如果一个开关周期只选用三个矢量来合成参考矢量，那么只可能出现三种情况。以参考矢量位于扇区1为例，其可能的用来合成参考矢量的组合如图2～图4所示。

组合1：选择V1(100),V2(110)和零矢量来合成参考矢量

组合2：选择V1(100),V2(110)和V3(010)来合成参考矢量

组合3：选择V1(100),V2(110)和V6(101)来合成参考矢量

当选择组合2和组合3用来合成参考矢量时，根据参考矢量所在的位置，还需要进行细分。图5给出了组合2和组合3的一般情况。当参考矢量位于图5中虚线左半部分时(Vp1),应选用矢量Va，矢量 Vb和零矢量来合成参考矢量；当参考矢量位于图5中虚线右半部分时(Vp2),应选用矢量Va，矢量Vb和矢量Vc来合成参考矢量。

因为一种组合内有且只有3个矢量，那么一种组合内可能的矢量排布序列为6种，三种组合内共计有18种可能的矢量排布序列。对于三相软开关变流器，根据下面这两条原则对18种可能的矢量排布序列进行筛选：

(1)将桥臂中存在的由二极管向主开关管换流的开关动作时刻同步对齐；

(2)三相桥臂中某一相桥臂在一个开关周期内不动作。

为了将桥臂中存在的由二极管向主开关管换流的开关动作时刻同步对齐，需要考虑电流极性。当输出电流极性为正(用P表示)时，矢量表达中从0变换到1的时刻是二极管向对侧主开关管换流的时刻；当输出电流为负(用N表示)时，矢量表达中从1变换到0的时刻是二极管向对侧主开关管换流的时刻。

为了保持三相桥臂中的其中一相桥臂在一个开关周期内不动作，该桥臂在一个开关周期内始终为(111)状态或者(000)状态。

经过挑选后，能从18种可能的排布序列中找到符合条件的特定矢量排布序列。为方便理解，以电流相位滞后电压45°为例对本发明进行说明。

忽略滤波电感的影响，电流相位滞后电压相位45°时的变流器输出电流波形和电网电压波形如图6所示。根据空间矢量的规则，可以将6个空间扇区对应到时域，根据每个扇区中电流的极性，可将6个扇区再分解为12个细分扇区：1-1，1-2,2-1，2-2,3-1，3-2,4-1，4-2, 5-1，5-2,6-1，6-2。图6中，P代表电流极性为正，N代表电流极性为负。图7是与时域波形对应的空间矢量划分和电流极性情况。

以参考矢量位于细分扇区1-1为例，对本发明涉及的方法进行说明。在细分扇区1-1，根据前述的矢量组合情况，可选的组合为：

组合1：选择V1(100),V2(110)和零矢量来合成参考矢量

组合2：选择V1(100),V2(110)和V3(010)来合成参考矢量

组合3：选择V1(100),V2(110)和V6(101)来合成参考矢量

细分扇区1-1内电流极性为i_a>0,i_b<0,i_c>0,即PNP。考虑将桥臂中存在的由二极管向主开关管换流的开关动作时刻同步对齐，同时保证一个开关周期内某一相不动作，可以推导出三种组合下符合条件的矢量作用顺序。

组合1：没有符合条件的矢量作用顺序

组合2：根据参考矢量所在位置，可用的作用序列为010→100→ 110或者010→100→000，如图18所示。

组合3：根据参考矢量所在位置，可用的作用序列为110→101→ 100或者110→101→111，如图19所示。

根据上述原则，可推导得到其他细分扇区内符合条件的矢量作用顺序。根据推导结果可以看出，对于同一细分扇区有不同的矢量组合情况符合条件，因此在整个矢量空间内存在多种符合条件的组合。表 1给出了适用于电流相位滞后电压相位45°情况下的一种可能的矢量组合情况。

表1

下面以参考矢量位于细分扇区1-1内，且矢量作用顺序为010→ 100→110来说明软开关电路的工作原理。在细分扇区1-1内，i- _a>0,i_b<0,i_c>0。一个开关周期内C相桥臂始终不动作，此外存在两个二极管向主开关管换流的过程，分别为D_a2向S_a1换流、D_b1向S_b2换流。在一个开关周期内，变流器共有9个工作状态。图8～16是该区域内一个开关周期的工作等效电路，工作时的主要波形如图17所示，电路的电压电流参考方向如图1所示。电路工作在其它区间内的工作过程与此类似。

具体阶段分析如下：

阶段一(t₀～t₁)：

如图8所示，A相桥臂下管二极管D_a2，B相桥臂上管二极管D_b1， C相桥臂下管二极管D_c2导通，由谐振电感L_r、箝位电容C_c、辅助开关S_aux组成的辅助电路中，箝位电容C_c两端电压为V_Cc，谐振电感电流线性下降。此时电路运行于010状态。

阶段二(t₁～t₂)：

如图9所示，在t₁时刻辅助开关S_aux关断，谐振电感L_r使主开关管S_a1、S_b2、S_c1的并联电容C_ra1、C_rb2、C_rc1放电，同时使辅助开关S_aux的并联电容C_raux充电，谐振电感L_r的电流i_Lr谐振上升，在t₂时刻，主开关S_a1、S_b2、S_c1的并联电容C_ra1、C_rb2、C_rc1电压谐振至零，该阶段结束。

阶段三(t₂～t₃)：

如图10所示，在t₂时刻以后D_a1、D_b2、D_c1会导通，将C_ra1、C_rb2、 C_rc1上的电压箝位为零，可在t₂时刻开通S_a1、S_b2、S_c1，可实现S_a1、 S_b2、S_c1的零电压开通，在t₃时刻，D_a1、D_b2、D_c1电流下降到零，该阶段结束。

阶段四(t₃～t₄)：

如图11所示，在D_a1、D_b2、D_c1关断以后，首先会发生二极管到主开关管的换流。电流i_a由二极管D_a2向开关管S_a1换流，电流i_b由二极管D_a1向开关管S_b2换流，电流i_c由二极管D_c2向开关管S_c1换流。换流结束后会进入短暂的直通阶段，六个主开关管全部导通，谐振电感中的电流被线性增加到i_sc。

阶段五(t₄～t₅)：

如图12所示，在t₄时刻以后电路进入第二次谐振，i_Lr继续谐振上升，C_raux开始放电，C_ra2、C_rb1、C_rc1开始充电，在t₅时刻C_raux上的电压谐振到零，辅助管的驱动信号同步给出，辅助管实现零电压开通。

阶段六(t₅～t₆)：

如图13所示，t₅时刻辅助开关S_aux关断后，A相桥臂上管S_a1，B 相桥臂下管S_b2，C相桥臂下管二极管D_c2导通，由谐振电感L_r、箝位电容C_c、辅助开关S_aux组成的辅助电路中，箝位电容C_c两端电压为 V_Cc，谐振电感电流线性下降。此时电路运行于100状态。

阶段七(t₆～t₇)：

如图14所示，S_b2在t₆时刻关断后，B相桥臂的上下主开关管开始换流，C_rb2开始充电，C_rb1开始放电，在t₇时刻，C_rb2上的电压上升到V_Cc+V_dc，C_rb1上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段八(t₇～t₈)：

如图15所示，在B相臂完成换流，A相桥臂上管S_a1，B相桥臂上管二极管D_b1，C相桥臂下管二极管D_c2导通，由谐振电感L_r、箝位电容C_c、辅助开关S_aux组成的辅助电路中，箝位电容C_c两端电压为V_Cc，谐振电感电流线性下降。此时电路运行于110状态。在t₈时刻S_a1关断，该阶段结束。

阶段九(t₈～t₉)：

如图16所示，S_a1在t₈时刻关断后，A相桥臂的上下主开关管开始换流，C_ra1开始充电，C_ra2开始放电，在t₇时刻，C_ra1上的电压上升到V_Cc+V_dc，C_ra2上的电压下降到零，该阶段结束。

t₉之后电路进入下一个开关周期的阶段一。

Claims (2)

1.一种三相软开关变流器非单位功率因数输出空间矢量调制方法，

所述的三相软开关变流器包括：六个反并联有二极管的全控主开关S_a1,S_a2,S_b1,S_b2,S_c1,S_c2组成三相桥臂；分别接在各相桥臂输出中点A,B,C与电网u_a,u_b,u_c之间的输出滤波电感L_a,L_b,L_c；三相桥臂的六个全控主开关分别并联电容C_ra1,C_ra2,C_rb1,C_rb2,C_rc1,C_rc2；在三相桥臂的正输入端和直流母线正极P之间接入谐振电感L_r，谐振电感L_r的正极连接直流母线正极P，谐振电感L_r的负极连接三相桥臂的正输入端，在谐振电感L_r两端跨接由反并联有二极管的辅助开关S_aux与箝位电容C_c相串联的电路，其中箝位电容C_c的负极连接谐振电感L_r正极，辅助开关S_aux中反并联二极管阳极连接谐振电感L_r负极，在辅助开关S_aux两端并联电容C_raux；

其特征在于，在三相软开关变流器非单位功率因数输出时，使用特定的矢量排布顺序，使桥臂中存在的由二极管向主开关管换流的开关动作时刻同步对齐，同时保证每个开关周期中三相桥臂中的某一相保持不动作，辅助开关管在一个开关周期内只需动作一次便能实现所有开关管的零电压开通。

2.根据权利要求1所述的三相软开关变流器非单位功率因数输出空间矢量调制方法，其特征在于，所述的特定的矢量排布顺序采用如下方法获得：

假定忽略滤波电感L_a,L_b,L_c对输出电压相位的影响，则三相电网电压u_a，u_b，u_c可视为三相软开关变流器的控制参考电压；在任意时刻，已知u_a，u_b，u_c，则经abc/αβ坐标变换可以得到在矢量空间中的参考矢量V_ref及其所在的扇区的情况；任意时刻，参考矢量只可能处在六个基本扇区中的一个；

确定参考矢量所在的扇区后，可以从八个基本矢量V0(000),V1(100),V2(110),V3(010),V4(011),V5(001),V6(101),V7(111)中选取适当的矢量来合成参考矢量：规定矢量空间中相位滞后于参考矢量的第一个基本矢量为VB1，矢量空间中相位滞后于参考矢量的第二个基本矢量为VB2，矢量空间中相位超前于参考矢量的第一个基本矢量为VA1，矢量空间中相位超前于参考矢量的第二个基本矢量为VA2；如果一个开关周期内只使用三个基本矢量，那么在任意六个扇区内有且仅有如下三种组合来合成参考矢量：

组合1：第一个矢量为VA1，第二个矢量为VB1，第三个矢量为零矢量，即V0(000)或V7(111)；

组合2：第一个矢量为VA1，第二个矢量为VB1，第三个矢量为VA2；

组合3：第一个矢量为VA1，第二个矢量为VB1，第三个矢量为VB2；

同时，根据参考矢量所处的具体位置，组合2和组合3内的VB1可能会被零矢量替换，即组合2可能演变为：VA1+零矢量+VA2，组合3可能演变为：VA1+零矢量+VB2；

每种组合内，因为矢量的个数是3个，那么任意组合内可能的矢量排布顺序为3×2×1＝6种；考虑共有3种组合，那么用三个矢量来合成参考矢量共有3×6＝18种矢量作用序列；

为了将软开关变流器内所有二极管向对侧主开关管换流时刻同步，需要考虑输出电流极性，当输出电流极性为正时，矢量表达中从0变换到1的时刻是二极管向对侧主开关管换流的时刻；当输出电流为负时，矢量表达中从1变换到0的时刻是二极管向对侧主开关管换流的时刻；

同时，为保持三相桥臂中的其中一相桥臂在一个开关周期内不动作，即对于这一相桥臂，在一个开关周期内，其始终为(111)状态或者(000)状态；

三相软开关变流器非单位功率因数输出时，在一个矢量空间扇区内，存在不同的电流极性组合，在任意时刻，已知参考矢量V_ref及其所在扇区，考虑电流极性并将二极管向对侧主开关管换流时刻对齐，同时保证三相桥臂中某一相桥臂不动作，即可从18种可能的组合中选取满足上述条件的矢量排布序列。