CN112332678B - 一种矩阵变换器及控制方法 - Google Patents

一种矩阵变换器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矩阵变换器，包括三相输入电源、输入滤波器、开关矩阵、输出滤波器、脉动功率补偿电感，三相输入电源包括a相、b相和c相三个输入端电源，a相、b相和c相三个输入端电源经过输入滤波器与所述开关矩阵相连接，所述矩阵变换器设置A相输出端、B相输出端和C相输出端，A相输出端连接输出滤波器电路一端，B相输出端连接脉动功率补偿电感的一端，C相连接脉动功率补偿电感的另一端和输出滤波电路的另一端。本发明的优点：本发明所提供的矩阵变换器通过对补偿电感LC进行功率解耦控制，使输出脉动功率被完全补偿，从而减小输入电流畸变，提高了其供电的可靠性。

Description

一种矩阵变换器及控制方法
技术领域
本发明涉及矩阵变换器技术领域，尤其涉及一种矩阵变换器及控制方法。
背景技术
矩阵变换器可实现交-交直接变换，具有输出频率可调，输入功率因数高，控制灵活等优点。三相-单相矩阵变换器(3-1MC)控制灵活、没有直流储能环节等优点，近些年来越来越受到国内外学者的关注。但是由于电路电路复杂，开关元器件较多容易发生输入电流畸变，这是一个阻碍矩阵变换器正常使用的难题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种矩阵变换器。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种矩阵变换器，包括三相输入电源、输入滤波器、开关矩阵、输出滤波器、脉动功率补偿电感，三相输入电源包括a相、b相和c相三个输入端电源，a相、b相和c相三个输入端电源经过输入滤波器与所述开关矩阵相连接，所述矩阵变换器设置A相输出端、B相输出端和C相输出端，A相输出端连接输出滤波器电路一端，B相输出端连接脉动功率补偿电感的一端，C相连接脉动功率补偿电感的另一端和输出滤波电路的另一端。
优选地，所述开关矩阵为9个开关组成的3X3开关矩阵。
优选地，所述开关采用双向开关。
优选地，所述输入滤波器采用LC滤波器。
优选地，所述输出滤波器采用LC滤波器。
上述矩阵变换器的控制方法，在正常工作时，对补偿电感进行功率解耦控制，使输出脉动功率被完全补偿，从而减小输入电流畸变，实现电源侧恒定功率输入，在虚拟逆变侧的控制环节中，根据输出电压和补偿相电压指令进行PWM控制，输出电压指令根据负载需求进行直接设定，输出瞬时功率的脉动决定了功率补偿相的指令函数，其特征在于：
输出电压、电流的计算公式为：
Figure GDA0003561361340000021
求出的瞬时功率为：
Figure GDA0003561361340000022
从而确定功率解耦电感的瞬时功率解析式为：
Figure GDA0003561361340000023
优选地，对于虚拟整流侧，对三相输入电流进行PARK变换，利用d、q轴电流分量作为有功功率和无功功率的控制量，经过前馈补偿后，对虚拟整流侧进行控制，虚拟逆变侧可视为两个单相桥式逆变电路，其直流电源侧并接于同一个虚拟直流母线上：
步骤1：输出相控制环节模块中，通过输出电压采样，和希尔伯特变换环节求得输出电压向量的虚部，与原函数构成输出电压的复数形式，根据式(1)分解为d-q轴分量vod和voq：
步骤2：将指令电压
Figure GDA0003561361340000031
分解为
Figure GDA0003561361340000032
和
Figure GDA0003561361340000033
令q轴电压跟随指令
Figure GDA0003561361340000034
为0，vod跟随
Figure GDA0003561361340000035
则将输出电压与指令电压进行锁相，通过PI调节器形成输出电压的角频率指令，ε*为
Figure GDA0003561361340000036
经过式：
Figure GDA0003561361340000037
计算取得的，vod与
Figure GDA0003561361340000038
比较后，乘以cosε*计算出指令电压
Figure GDA0003561361340000039
vo与指令电压比较后通过比例计算，取得输出电压的幅值，与角频率指令共同形成输出相电压指令:
步骤3：因为输出功率决定了补偿相功率，进而在根据负载需求确定了输出电压环节后，输出功率可由输出电压、输出电流进行计算表示，通过式(3)决定了补偿相功率，从而可以得出补偿相电流指令为：
Figure GDA00035613613400000310
本发明的优点在于：本发明所提供的矩阵变换器通过对补偿电感LC进行功率解耦控制，使输出脉动功率被完全补偿，从而减小输入电流畸变，提高了其供电的可靠性。
附图说明
图1是本发明所提供的一种矩阵变换器的基本结构示意图；
图2是基于功率解耦的控制策略框图；
图3是输入电流空间矢量图；
图4是输入电流参考矢量合成图；
图5是虚拟逆变侧输出电压矢量图；
图6是输入电压、输入电流的波形图；
图7是输出相电流和补偿相电流波形图；
图8是三相输入电流的波形图；
图9是输出相电压与补偿相电压波形图；
图10是输出相与补偿相功率叠加的波形图；
图11是切换前输入电流波形FFT分析图；
图12是切换后输入电流波形FFT分析图；
图13是切换前输出电压波形FFT分析图；
图14是切换后输出电压波形FFT分析图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-5所示，本发明提供的一种矩阵变换器，包括三相输入电源、输入滤波器、开关矩阵、输出滤波器、脉动功率补偿电感，三相输入电源包括a相、b相和c相三个输入端电源，a相、b相和c相三个输入端电源经过输入滤波器与所述开关矩阵相连接，所述矩阵变换器设置A相输出端、B相输出端和C相输出端，A相输出端连接输出滤波器电路一端，B相输出端连接脉动功率补偿电感的一端，C相连接脉动功率补偿电感的另一端和输出滤波电路的另一端。开关矩阵为9个开关组成的3X3开关矩阵。开关采用双向开关。输入滤波器采用LC滤波器。输出滤波器采用LC滤波器。
矩阵变换器在在正常工作时，对补偿电感进行功率解耦控制，使输出脉动功率被完全补偿，从而减小输入电流畸变，实现电源侧恒定功率输入，在虚拟逆变侧的控制环节中，根据输出电压和补偿相电压指令进行PWM控制，输出电压指令根据负载需求进行直接设定，输出瞬时功率的脉动决定了功率补偿相的指令函数，其特征在于：
输出电压、电流的计算公式为：
Figure GDA0003561361340000051
式中，vod是输出电压的d轴分量，iod是输出电流的d轴分量，ioq是输出电流的q轴分量，ε为输出电压的动态相位角。
求出的瞬时功率为：
Figure GDA0003561361340000052
从而确定功率解耦电感的瞬时功率解析式为：
Figure GDA0003561361340000053
Figure GDA0003561361340000061
对于虚拟整流侧，对三相输入电流进行PARK变换，利用d、q轴电流分量作为有功功率和无功功率的控制量，经过前馈补偿后，对虚拟整流侧进行控制，虚拟逆变侧可视为两个单相桥式逆变电路，其直流电源侧并接于同一个虚拟直流母线上：
步骤1：输出相控制环节模块中，通过输出电压采样，通过希尔伯特变换环节求得输出电压向量的虚部，与原函数构成输出电压的复数形式，根据式(1)分解为d-q轴分量vod和voq：
步骤2：将输出电压指令
Figure GDA0003561361340000062
分解为d轴电压指令
Figure GDA0003561361340000063
和q轴电压指令
Figure GDA0003561361340000064
令
Figure GDA0003561361340000065
为0，vod跟随
Figure GDA0003561361340000066
则将输出电压与输出电压指令进行锁相，通过PI调节器形成输出电压的角频率指令ε*，由vo经过式：
Figure GDA0003561361340000067
计算取得，式(4)中的H[vo]表示对输出电压进行希尔伯特变换，vod与
Figure GDA0003561361340000068
比较后，乘以cosε*计算出指令电压
Figure GDA0003561361340000069
vo与
Figure GDA00035613613400000610
比较后通过比例计算，取得输出电压的幅值，与角频率指令共同形成输出相电压指令；
步骤3：因为输出功率决定了补偿相功率，进而在根据负载需求确定了输出电压环节后，输出功率可由输出电压、输出电流进行计算表示，通过式(3)决定了补偿相功率，从而可以得出补偿相电流指令为：
Figure GDA00035613613400000611
式中，
Figure GDA00035613613400000612
为补偿电流的幅值参考指令，ψ为电流相位。
本发明提出了一种含功率解耦单元的三相-单相矩阵变换器的控制方法，在输入电流发生畸变的的时候对补偿电感LC进行功率解耦控制，使输出脉动功率被完全补偿，从而减小输入电流畸变。
对于虚拟整流侧，对电源三相输入电流进行PARK变换，提取出电流的d轴分量和q轴分量，进而利用d、q轴电流分量作为有功功率和无功功率的控制量，根据虚拟整流侧的数学模型，经过前馈补偿后，对虚拟整流侧进行控制。为了实现输入功率单位功率因数，将输入电流q轴分量的给定值设置为零，从消除电源侧输入的无功功率，输入电流的d轴分量给定信号则由外环给定，具体数值由负载所需的有功功率确定。
前馈补偿后的d轴、q轴指令电流
Figure GDA0003561361340000071
通过与输入电压锁相后，经过dq/αβ变换为静止坐标系下的
Figure GDA0003561361340000072
和
Figure GDA0003561361340000073
作为输入电流扇区判断参考量，该相位为：
Figure GDA0003561361340000074
输入电流矢量为：
Figure GDA0003561361340000075
根据图3对输入电流扇区划分为6个扇区，每个扇区合成矢量为图4所示，可得输入电流矢量为：
Figure GDA0003561361340000076
在相邻两个向量上的作用时间为：
Figure GDA0003561361340000077
虚拟逆变侧的控制环节中，需要根据输出电压和补偿相电压指令进行PWM控制，所以输出电压指令根据负载需求进行直接设定，而输出瞬时功率的脉动决定了功率补偿相的指令函数。
输出相控制环节模块中，通过输出电压采样，通过希尔伯特变换环节求得输出电压向量的虚部，与原函数构成输出电压的复数形式，分解为d-q轴分量vod和voq，将指令电压
Figure GDA0003561361340000081
分解为
Figure GDA0003561361340000082
和
Figure GDA0003561361340000083
令q轴电压跟随指令
Figure GDA0003561361340000084
为0，vod跟随
Figure GDA0003561361340000085
则将输出电压与指令电压进行锁相，通过PI调节器形成输出电压的角频率指令，ε*为
Figure GDA0003561361340000086
经过计算取得的，vod与
Figure GDA0003561361340000087
比较后，乘以cosε*计算出指令电压
Figure GDA0003561361340000088
vo与指令电压比较后通过比例计算，取得输出电压的幅值，与角频率指令共同形成输出相电压指令。
因为输出功率决定了补偿相功率，进而在根据负载需求确定了输出电压环节后，输出功率可由输出电压、输出电流进行计算表示，决定了补偿相功率与补偿相电流指令，因此输出相电压、电流环节作为补偿相电流的外环。
电流环节中，对输出电流进行检测后，通过希尔伯特变换环节将输出电流分解为d-q轴分量后，利用低通滤波器将高频成分去除，从而得到iod和ioq，通过计算电流相位：
Figure GDA0003561361340000089
将
Figure GDA00035613613400000810
作为补偿电流的相位指令，因为补偿电感的功率为无功功率，因此将输出电流的q轴分量作为补偿电流的幅值参考指令
Figure GDA00035613613400000811
考虑到相位关系，补偿相电流指令为：
Figure GDA0003561361340000091
补偿相电流经采样后，经过希尔伯特变换后分解为d-q轴分量后，q轴分量与
Figure GDA0003561361340000092
比较后通过PI调节，d轴分量参考指令为0，即有功功率为0，进行PI调节，进而进行坐标反变换，从而锁定补偿相相位，与幅值信息共同形成补偿相电压指令
Figure GDA0003561361340000093
icd和icq经过与指令比较后，进行补偿相相位的计算，从而确定补偿相电压的相位。
输出相电流检测后进行希尔伯特变换，电流的向量可以表示为：
Figure GDA0003561361340000094
电流的动态相位可表示为：
Figure GDA0003561361340000095
根据图3示的相位关系，
Figure GDA0003561361340000096
在d、q轴的投影分别为：
Figure GDA0003561361340000097
可以求得电流的相位ψ。
Figure GDA0003561361340000098
补偿相电流通过希尔伯特变换求得向量
Figure GDA0003561361340000099
其d轴参考相位为
Figure GDA00035613613400000910
因此补偿相电流与d轴、q轴分量之间有如下关系：
Figure GDA00035613613400000911
鉴于补偿电感上只有无功功率，因此令d轴分量为零，即：
Figure GDA00035613613400000912
可得q轴指令电流为：
Figure GDA0003561361340000101
可得补偿相的指令电流为：
Figure GDA0003561361340000102
根据补偿相指令电流和补偿电感Lc，即可求得补偿相的指令电压
Figure GDA0003561361340000103
根据
Figure GDA0003561361340000104
和
Figure GDA0003561361340000105
的关系，将虚拟逆变侧划分为四个相区，具体划分规则如图5所示。
对上述方法进行仿真验证，为了验证该控制策略的有效性，搭建了仿真模型，仿真参数如表2.1所示。
表2.1仿真参数
Figure GDA0003561361340000106
为验证系统的动态性能，对该系统进行了仿真验证，为了反映系统的动态过程，负载功率在0.5秒时刻从600W切换到1000W，仿真波形如图6-10所示。
但通过系统启动和负载切换过程可以发现，过渡过程较为缓慢，该动态过程主要由于功率解耦时，输出相指令电压和补偿相指令电压均需要通过对输出电流和补偿相电流进行希尔伯特变换后计算其瞬时值和瞬时相位，并通过功率解耦关系对输出相和解耦相的指令电压进行合成，因而造成系统动态过程较慢。为了分析系统对谐波抑制的效果，对输入电流、输出电压进行FFT分析，分析如图11-14所示。通过波形的FFT分析，输入电流和输出电压在负载切换前后均保持了较好的波形质量，其中输入电流中，比较显著的谐波为750Hz和850Hz谐波，而输出电压波形中，三次谐波最为突出。

Claims (6)

1.一种矩阵变换器，包括三相输入电源、输入滤波器、开关矩阵、输出滤波器、脉动功率补偿电感，三相输入电源包括a相、b相和c相三个输入端电源，a相、b相和c相三个输入端电源经过输入滤波器与所述开关矩阵相连接，所述矩阵变换器设置A相输出端、B相输出端和C相输出端，A相输出端连接输出滤波器电路一端，B相输出端连接脉动功率补偿电感的一端，C相连接脉动功率补偿电感的另一端和输出滤波电路的另一端；
所述的矩阵变换器在正常工作时，对补偿电感进行功率解耦控制，使输出脉动功率被完全补偿，从而减小输入电流畸变，实现电源侧恒定功率输入，在虚拟逆变侧的控制环节中，根据输出电压和补偿相电压指令进行PWM控制，输出电压指令根据负载需求进行直接设定，输出瞬时功率的脉动决定了功率补偿相的指令函数，其特征在于：
输出电压、电流的计算公式为：
Figure 387905DEST_PATH_IMAGE002
（1）
式中，
Figure 242729DEST_PATH_IMAGE004
是输出电压的d轴分量，
Figure 225728DEST_PATH_IMAGE006
是输出电流的d轴分量，
Figure 824200DEST_PATH_IMAGE008
是输出电流的q轴分量；
求出的瞬时功率为：
Figure 331581DEST_PATH_IMAGE010
（2）
从而确定功率解耦电感的瞬时功率解析式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（3）。
2.根据权利要求1所述的一种矩阵变换器，其特征在于：所述开关矩阵为9个开关组成的3X3开关矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种矩阵变换器，其特征在于：所述开关采用双向开关。
4.根据权利要求1所述的一种矩阵变换器，其特征在于：所述输入滤波器采用LC滤波器。
5.根据权利要求1所述的一种矩阵变换器，其特征在于：所述输出滤波器采用LC滤波器。
6.根据权利要求1所述的一种矩阵变换器，其特征在于：对于虚拟整流侧，对三相输入电流进行PARK变换，利用d、q轴电流分量作为有功功率和无功功率的控制量，经过前馈补偿后，对虚拟整流侧进行控制，虚拟逆变侧可视为两个单相桥式逆变电路，其直流电源侧并接于同一个虚拟直流母线上：
步骤1：输出相控制环节模块中，通过输出电压采样，通过希尔伯特变换环节求得输出电压向量的虚部，与原函数构成输出电压的复数形式，根据式（1）分解为d-q轴分量
Figure 29409DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 499705DEST_PATH_IMAGE014
：
步骤2：将输出电压指令
Figure 901867DEST_PATH_IMAGE016
分解为d轴电压指令
Figure 6964DEST_PATH_IMAGE018
和q轴电压指令
Figure 203591DEST_PATH_IMAGE020
，令
Figure 161182DEST_PATH_IMAGE020
为0，
Figure 367036DEST_PATH_IMAGE012
跟随
Figure 93683DEST_PATH_IMAGE018
，则将输出电压与输出电压指令进行锁相，通过PI调节器形成输出电压的角频率指令
Figure 228255DEST_PATH_IMAGE022
，由
Figure 673142DEST_PATH_IMAGE024
经过式：
Figure 151528DEST_PATH_IMAGE026
(4)
计算取得，式（4）中的
Figure 998262DEST_PATH_IMAGE028
表示对输出电压进行希尔伯特变换，
Figure 536690DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 967409DEST_PATH_IMAGE018
比较后，乘以
Figure 249486DEST_PATH_IMAGE030
计算出指令电压
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 888409DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure 128898DEST_PATH_IMAGE031
比较后通过比例计算，取得输出电压的幅值，与角频率指令共同形成输出相电压指令；
步骤3：因为输出功率决定了补偿相功率，进而在根据负载需求确定了输出电压环节后，输出功率可由输出电压、输出电流进行计算表示，通过式（3）决定了补偿相功率，从而可以得出补偿相电流指令为：
Figure 282798DEST_PATH_IMAGE034
（5）
式中，
Figure 604452DEST_PATH_IMAGE036
为补偿电流的幅值参考指令，
Figure 160198DEST_PATH_IMAGE038
为电流相位。
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