CN111555635A - 一种准z源网络直接矩阵变换器的双空间矢量控制方法 - Google Patents

一种准z源网络直接矩阵变换器的双空间矢量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明设计一种准Z源网络直接矩阵变换器的双空间矢量调制方法。包括以下步骤：1、釆集准Z源直接矩阵变换器的三相输入电压Ua、Ub、Uc和三相输出电流iA、iB、iC；2、将准Z源网络直接矩阵变换器等效为虚拟整流级和虚拟逆变级的串联电路模型；3、通过分析QZS‑DMC的开关状态，找出全部的直通零矢量；4、进行空间矢量调制，通过扇区的组合选取，与27个基本空间矢量进行有效结合；5、对电压传输比进行分析；6、分析开关时序，调整矢量作用顺序及作用时间。最后在保证双向开关最低切换次数的基础上形成本发明提出的双空间矢量调制方法。与现有技术相比，本发明具有提高输出性能、降低开关频率、减少开关损耗，并提高输入输出波形质量等优点。

Description

一种准Z源网络直接矩阵变换器的双空间矢量控制方法
技术领域
本发明涉及一种准Z源网络直接矩阵变换器的控制方法，尤其是涉及一种准Z源网络直接矩阵变换器的双空间矢量调制方法。
背景技术
传统的交直交仍有许多方面的不足：(1)交直交变频器均含有大电容或大电感作为直流储能环节，不仅体积大重量重，造成了变频装置安装和使用的不便，而且不易于维护，尤其是大电解电容，由于电解液的挥发，严重影响了变频器的使用寿命；(2)大部分交-直-交型变频器的整流侧采用二极管全桥整流，使得输入侧功率因数较低，对电网谐波污染严重；(3)在机车牵引、电梯等既需要连续电动又需要连续发电制动的工业应用场合，交-直-交型变频器——电动机制动运行时，能量一般消耗在制动电阻上，而没有回馈到电网上，不利于节约能源；(4)在酒精厂、化工厂等生产危险品的工业场所，PWM变频器中的大容量制动电阻可能引起火灾，是影响安全生产的一个潜在因素。
矩阵变换器(MC)是一个单向强制型交流/交流变换系统，能够实现调频调压；能量能够双向流动，实现四象限运行；中间没有任何储能元件；具有正弦输入电流和输出电压；以及可控输入功率因数。由于缺乏储能元件，与传统的交直交变换器相比，MC的可靠性更高，体积更小。随着机车牵引系统和分布式能源系统在工业应用中的迅速发展，高性能电力变换器的研制已刻不容缓。传统直接矩阵变换器(DMC)具有较低的电压传输比(最大值为0.866)、抗干扰能力差和复杂的换相策略。这些缺点严重制约了其在相关工业领域的应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种准Z源网络直接矩阵变换器的双空间矢量控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种准Z源网络直接矩阵变换器的双空间矢量控制方法，用于确定准Z源-直接矩阵变换器中12个双向开关的开关信号，所述的调制方法包括以下步骤：
1)釆集准Z源直接矩阵变换器的三相输入电压Ua、Ub、Uc和三相输出电流iA、iB、iC；
2)将准Z源网络直接矩阵变换器等效为虚拟整流级和虚拟逆变级的串联电路模型；
3)通过分析QZS-DMC的开关状态，找出全部的直通零矢量；
4)进行空间矢量调制，通过扇区的组合选取，与27个基本空间矢量进行有效结合；
5)对电压传输比分析，得到整个电路的传输比和直通占空比D的关系。
6)分析开关时序，调整矢量作用顺序及作用时间。最后在保证双向开关最低切换次数的基础上形成一种准Z源网络直接矩阵变换器的双空间矢量控制方法。
附图说明
图1是QZS-DMC的连接方式图；
图2是QZS-DMC空间矢量图；
图3是QZS-DMC空间矢量合成图；
图4是QZS-DMC电压传输比变化曲线图；
图5是QZS-DMC矢量作用顺序与时间图；
图6是QZS-DMCPWM开关时序图。
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。
具体步骤1：分析QZS-DMC开关状态
传统直接矩阵变换器的开关状态严格遵循两个约束：三相输入中任意两相不能短路，三相输出中任意一相不能开路。准Z源网络引入之后，三相输入侧可同时短路。为了更好地区分，根据直通状态和非直通状态下的工作方式，可分为四种开关状态，具体如图1所示。
图1中，(a)为输出相分别连接不同输入相，(b)为输出相中任意两相连接同一输入相，(c)为三相输出连接到同一输入相，(d)为直通状态，即：三相输入相连接任意同一输出相构成桥臂直通。
定义准Z源矩阵变换器开关函数Sij如下：
Figure BDA0002523420910000031
当准Z源直接矩阵变换器实际运行在非直通状态下时，与传统直接矩阵变换器工作状态相同，满足两个约束条件，存在27种开关状态，见表1。这27种开关状态分为三组，对应图1中(a)、(b)、(c)三种连接方式，其中(b)连接方式包含18种开关状态，分别为B、C两输出相连接同一相，A、C两输出相连接同一相，A、B两输出相连接同一相。当准Z源直接矩阵变换器工作在直通状态下时，开关状态如表2所示，其中St代表直通相，分为A相直通，B相直通以及C相直通三组状态。实际上，还存在任意两桥臂直通和三桥臂同时直通的状态，考虑到降低开关损耗以及与传统开关状态的结合，本发明不考虑这两种状态。
表1非直通状态下QZS-DMC开关状态
Figure BDA0002523420910000041
表2直通零矢量开关状态表
Figure BDA0002523420910000051
具体步骤二：进行空间矢量调制。
在步骤一中分析了QZS-DMC在直通与非直通状态下的开关状态，根据矢量的概念，不同的开关状态会对应不同的空间矢量。
定义电压矢量如下：
Figure BDA0002523420910000061
电流矢量如下：
Figure BDA0002523420910000062
非直通模式下的27种开关状态中，每一种分别对应两种空间矢量：输出相电压空间矢量以及输入相电流空间矢量，具体详见表3。表1(a)组连接方式所包含的开关状态对应的两种矢量的相位在空间中时刻变化，没有固定方向，不能有效利用，称之为“无效矢量”；(b)组连接方式所包含的18种开关状态对应的电压、电流矢量有固定方向且与输入电压相位、输出电流相位无关，是有效矢量，可充分利用；(c)组连接方式所包含的三种开关状态所对应的矢量，称之为零矢量；(d)连接方式为直通开关状态，分三类共27种，其对应的矢量与零矢量相似，相位与幅值皆为零，故称之为直通零矢量，用于升压模式。
通过表3可知，18个有效矢量所对应的输出电压矢量在空间中呈均匀分布，每60度角度为一个梯度，总共6个扇区，构成一个正六边形；同样，输入电流矢量也呈均匀分布，每60度角度为一个梯度，总共6个扇区，构成一个正六边形，具体矢量分布如图2所示。
表3 QZS-DMC矢量表
Figure BDA0002523420910000071
设三相输出参考相电压如下：
Figure BDA0002523420910000081
输入参考相电流如下：
Figure BDA0002523420910000082
将开关状态与矢量结合起来分析之后，下面将进行开关状态的选择与作用时间的计算。首先要计算参考输出相电压矢量与输入电流矢量的扇区角θv与θi，确定其分布扇区，然后将参考矢量在各自空间中进行分解，选择基本的电压、电流矢量进行合成，然后根据基本矢量选择合适的直通零矢量，最后计算各个开关状态的作用时间，确定矢量作用顺序，完成整个调制。
假设当前输出相电压矢量Uo与输入电流矢量Ii均位于第一扇区，对应扇区内的基本电压矢量为±1、±2、±3和±7、±8、±9以及±1、±4、±7和±3、±6、±9。选取矢量的原则是兼顾合成输出相电压矢量与输入电流矢量，此时应选择±1、±3、±7、±9四个基本矢量，根据基本矢量选取St1、St3两种直通矢量。同理可推出其他扇区所选矢量组合，具体见表4。矢量合成过程如图3所示，参考输出相电压矢量Uo可分解为Uo1和Uo2，其中Uo1由基本电压矢量±9、±7合成，Uo2由±3、±1合成，输入电流矢量Ii的合成过程与Uo相同。此种方法适用于其他任意扇区。
表4 QZS-DMC输出电压、输入电流扇区组合矢量选择表
Figure BDA0002523420910000091
设d1、d2、d3、d4、dst依次为四种基本矢量以及直通零矢量在一个开关周期内的作用时间，根据空间矢量调制原理，其计算如下：
Figure BDA0002523420910000092
其中，M为QZS-DMC调制度且满足M∈[0,1]，
Figure BDA0002523420910000101
为功率因数角。
具体步骤三：分析电压传输比。
设up为QZS-DMC输出相电压，ui为输入相电压，uo为交流母线电压，M为SVM调制度，输入参考电压相角
Figure BDA0002523420910000102
输入参考电流相角
Figure BDA0002523420910000103
输出电压初相位θo，输入电流初相位θi，则有如下关系：
Figure BDA0002523420910000104
化简可得：
Figure BDA0002523420910000105
则整个电路的电压传输比G为：
Figure BDA0002523420910000106
设输入电流、输出电压为标准三相正弦，则整个电路的电压传输比G为：
Figure BDA0002523420910000107
为了更直观，分别在不同直通占空比D以及不同调制度M下，比较了电压传输比G的变化特点，详细的比较曲线如下图4所示，从中可以很明显看出QZS-DMC具有较高的电压传输比以及D与M对电压传输比的影响。
具体步骤四：分析开关时序。
对于SVM调制而言，矢量作用顺序及作用时间的排布尤为重要，合理的开关时序可以有效降低开关管的损耗以及改善变换器输出波形的质量。矢量的排布原则以尽可能减少开关切换次数为主，其中，在考虑合理选择零矢量的同时，合理选择直通零矢量十分关键。下面以电流矢量位于第一扇区，电压矢量位于第三扇区为例，进行说明。如图5所示，在一个PWM开关周期内，基本电压矢量以中间零矢量为基准对称分布，首尾分别辅以零矢量。直通零矢量采用均匀插入原则，为了不影响QZS-DMC在非直通状态下的工作状态，直通时间占用零矢量作用时间，直通时间被等分为十份，分别插入到零矢量与基本电压矢量以及相邻两个基本电压矢量作用时间之间，相对应的直通零矢量则依据前后矢量的开关状态进行选择。在半周期内，按照时间顺序，矢量作用顺序依次为bbb、Stbb、abb、abSt、aba、aSta、aca、acSt、acc、Stcc、ccc，当某一输出桥臂开关状态即将发生切换时，直通状态产生。具体的PWM开关时序如图6所示，从中可以看出，直通状态随开关管的切换而产生，且不同桥臂交替直通，降低了开关管切换次数；首尾零矢量的作用时间缩短，中间零矢量的作用时间加长，保证了直通零矢量对传统零矢量的利用率达到最大。

Claims (7)

1.一种准Z源网络直接矩阵变换器的双空间矢量控制方法，用于确定准Z源-直接矩阵变换器中12个双向开关的开关信号，其特征在于，所述的调制方法包括以下步骤：
S1:釆集准Z源双级矩阵变换器的三相输入电压Ua、Ub、Uc和三相输出电流iA、iB、iC；
S2:将基于改进型准Z源网络的直接矩阵变换器等效为虚拟整流级和虚拟逆变级的串联电路模型；
S3:通过分析QZS-DMC的开关状态，找出全部的直通零矢量；
S4:进行空间矢量调制，通过扇区的组合选取，与27个基本空间矢量进行有效结合；
S5:对电压传输比分析，得到整个电路的传输比和直通占空比D的关系；
S6:分析开关时序，调整矢量作用顺序及作用时间。最后在保证双向开关最低切换次数的基础上形成一种改进的带直通零矢量的直接空间矢量调制策略。
2.根据权利要求1所述的一种基于准Z源网络的直接矩阵变换器的双空间矢量调制方法,其特征在于，步骤S1中需要用采样仪器釆集准Z源双级矩阵变换器的三相输入电压Ua、Ub、Uc和三相输出电流iA、iB、iC。
3.根据权利要求1所述的一种基于准Z源网络的直接矩阵变换器的双空间矢量调制方法,其特征在于，步骤S2中对于直接矩阵变换器，双空间矢量调制方法相当于虚拟整流调制和虚拟逆变器调制两部分。虚拟整流调制是输入电流空间矢量调制。总共有9种开关状态对应于9种电流空间矢量，包括6个非零矢量和3个零矢量。虚拟逆变器调制为输出电压空间矢量调制。根据上、下同一桥臂不能同时导通，输出不能短路的原理，总共有8种开关状态对应8种电压空间矢量，包括6个有效矢量和2个零矢量。
4.根据权利要求1所述的一种基于准Z源网络的直接矩阵变换器的双空间矢量调制方法,其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：
传统直接矩阵变换器的开关状态严格遵循两个约束：三相输入中任意两相不能短路，三相输出中任意一相不能开路。准Z源网络引入之后，三相输入侧可同时短路。为了更好地区分，根据直通状态和非直通状态下的工作方式，可分为四种开关状态。当准Z源直接矩阵变换器实际运行在非直通状态下时，与传统直接矩阵变换器工作状态相同，满足两个约束条件，存在27种开关状态，找出全部的直通零矢量。
5.根据权利要求1所述的一种基于准Z源网络的直接矩阵变换器的双空间矢量调制方法,其特征在于，步骤S4具体包括以下步骤：
分析了QZS-DMC在直通与非直通状态下的开关状态之后，根据矢量的概念，不同的开关状态会对应不同的空间矢量；
定义电压矢量如下：
Figure FDA0002523420900000021
电流矢量如下：
Figure FDA0002523420900000022
首先要计算参考输出相电压矢量与输入电流矢量的扇区角θv与θi，确定其分布扇区，然后将参考矢量在各自空间中进行分解，选择基本的电压、电流矢量进行合成，然后根据基本矢量选择合适的直通零矢量，最后计算各个开关状态的作用时间，确定矢量作用顺序，完成整个调制。
6.根据权利要求1所述的一种基于准Z源网络的直接矩阵变换器的双空间矢量调制方法,其特征在于，步骤S5具体包括以下步骤：
设up为QZS-DMC输出相电压，ui为输入相电压，uo为交流母线电压，M为SVM调制度，输入参考电压相角
Figure FDA0002523420900000031
输入参考电流相角
Figure FDA0002523420900000032
输出电压初相位θo，输入电流初相位θi，则有如下关系：
Figure FDA0002523420900000033
化简可得：
Figure FDA0002523420900000034
则整个电路的电压传输比G为：
Figure FDA0002523420900000035
7.根据权利要求1所述的一种基于准Z源网络的直接矩阵变换器的双空间矢量调制方法,其特征在于，步骤S6具体包括以下步骤：
对于SVM调制而言，矢量作用顺序及作用时间的排布尤为重要，合理的开关时序可以有效降低开关管的损耗以及改善变换器输出波形的质量。矢量的排布原则以尽可能减少开关切换次数为主，其中，在考虑合理选择零矢量的同时，合理选择直通零矢量十分关键；
直通状态随开关管的切换而产生，且不同桥臂交替直通，降低了开关管切换次数；首尾零矢量的作用时间缩短，中间零矢量的作用时间加长，保证了直通零矢量对传统零矢量的利用率达到最大。
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