CN113131757B - 用于高频链矩阵变换器的svpwm调制方法及系统 - Google Patents

用于高频链矩阵变换器的svpwm调制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制方法及系统，所述方案在一个开关周期内，使用三条有效矢量准确合成参考矢量，无需零矢量作用，保证了变压器电流波形对称，可有效预防变压器电流偏置现象；同时，在提出的无零矢量SVPWM调制基础上，通过设计矢量作用顺序及起始/终止矢量，使包括扇区切换在内的任意时刻，均能保证矢量切换时仅动作一个开关管，提高了系统效率；且本公开所述调制策略在变压器初级侧无直流电流偏置，有效抑制变压器偏磁现象。

Description

用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制方法及系统
技术领域
本公开属于高频链矩阵变换器调制技术领域，尤其涉及一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
充电系统是电动汽车领域不可缺少的基础设施。现有的电动汽车充电系统往往采用多级功率变换拓扑，体积大，能源利用率低。高频链矩阵变换器采用单级拓扑，具有能量密度高、输入输出隔离、运行可靠等优点，在电动汽车充电系统领域具有广阔的应用前景。
高频变压器是该拓扑的重要组成部分，对整个系统的可靠运行意义重大。发明人发现，传统应用于高频链矩阵变换器的空间矢量脉冲宽度调制(Space Vectors PulseWideModulation，SVPWM)策略，在一个开关周期内，使用两条有效电流矢量合成参考电流，由于零矢量对合成参考电流无影响，因此剩余时间令零矢量作用，保证开关周期固定。然而，零矢量的不恰当分配使得变压器电流波形在正、负半周期内不对称，容易产生变压器直流偏置，严重时会导致变压器铁芯磁饱和，对整个系统的安全运行产生恶劣影响。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提供了一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制方法及系统，所述方案通过在一个开关周期内，使用三条有效矢量准确合成参考矢量，无需零矢量作用，保证了变压器电流波形对称，可有效预防变压器电流偏置现象；同时，在提出的无零矢量SVPWM调制基础上，通过设计矢量作用顺序及起始/终止矢量，使包括扇区切换在内的任意时刻，均能保证矢量切换时仅动作一个开关管，提高了系统效率。
根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制方法，包括：
根据三相输入电压相位划分扇区，确定各扇区内矢量作用组合；
根据各扇区矢量作用组合，计算无零矢量SVPWM各矢量作用时间；
确定无零矢量SVPWM各矢量作用顺序，使各矢量在整个开关周期按逆时针方向逐个作用；
通过所述无零矢量SVPWM，在高频变压器原边形成正负交替的高频交流电压。
进一步的，所述根据三相输入电压相位划分扇区，确定各扇区内矢量作用组合，具体包括：将输入电压划分为六个扇区，在每个扇区内，参考输入电流矢量均由有效电流矢量合成，并选择距离参考电流矢量最近的三条有效矢量对参考电流进行合成。
进一步的，为了避免进行扇区切换时存在矢量跳变现象，对于每个扇区的起始矢量和终止矢量设置为同一矢量，均为负半周期中参与作用的最后一条矢量。
进一步的，所述计算无零矢量SVPWM各矢量作用时间，具体包括：将各有效矢量及参考电流矢量分别向横竖坐标轴分解，根据有效矢量与参考电流矢量间的关系方程，求解每个扇区有效矢量的作用时间。
进一步的，为了使变压器初级侧产生正负时间相同的交流电压，将一个开关周期等分为两部分，其中，前半个开关周期用于产生正电压波形，另半个开关周期产生对称的负电压波形。
根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制系统，包括：
矢量作用组合确定单元，其用于根据三相输入电压相位划分扇区，确定各扇区内矢量作用组合；
矢量作用时间确定单元，其用于根据各扇区矢量作用组合，计算无零矢量SVPWM各矢量作用时间；
矢量作用顺序确定单元，其用于确定无零矢量SVPWM各矢量作用顺序，使各矢量在整个开关周期按逆时针方向逐个作用；
SVPWM调制单元，其用于通过所述无零矢量SVPWM，在高频变压器原边形成正负交替的高频交流电压。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开所述方案提供了一种无零矢量SVPWM调制策略，在一个开关周期内，使用三条有效矢量准确合成参考矢量，无需零矢量作用，保证了变压器电流波形对称，可有效预防变压器电流偏置现象；
(2)本公开所述调制策略在提出的无零矢量SVPWM调制基础上，通过设计矢量作用顺序及起始/终止矢量，使包括扇区切换在内的任意时刻，均能保证矢量切换时仅动作一个开关管，提高了系统效率。
(3)本公开所述调制策略在变压器初级侧无直流电流偏置，有效抑制变压器偏磁现象。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例一中所述的高频链矩阵变换器电路拓扑结构图；
图2为本公开实施例一中所述的输入电压扇区划分示意图；
图3为本公开实施例一中所述的扇区划分及矢量合成原理示意图；
图4为本公开实施例一中所述的矢量作用顺序示意图；
图5为本公开实施例一中所述的传统含零矢量SVPWM变压器初级侧电压电流波形示意图；
图6为本公开实施例一中所述的无零矢量SVPWM变压器初级侧电压电流波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一：
本实施例的目的是提供一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制方法。
一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制方法，包括：
根据三相输入电压相位划分扇区，确定各扇区内矢量作用组合；
根据各扇区矢量作用组合，计算无零矢量SVPWM各矢量作用时间；
确定无零矢量SVPWM各矢量作用顺序，使各矢量在整个开关周期按逆时针方向逐个作用；
通过所述无零矢量SVPWM，在高频变压器原边形成正负交替的高频交流电压。
为了便于理解，以下结合附图对本公开所述调制方法进行详细说明：
首先，对高频链矩阵变换器拓扑结构进行介绍。之后，根据三相输入电压相位划分扇区，设计各扇区内矢量作用组合。根据各扇区矢量组合，推导无零矢量SVPWM各矢量作用时间。最后，设计调制策略矢量作用顺序，使任意时刻进行矢量切换时，仅动作单个开关管，保证一个开关周期内开关动作达到最少。
具体的，如图1所示，展示了高频链矩阵变换器拓扑结构，整个系统由输入滤波器、矩阵变换器、高频变压器及输出侧不控整流桥、输出滤波器组成。其中，uj和ij(j＝a,b,c)为电网输入电压和电流；vj和ijt为矩阵变换器输入电压和电流；Lj和Cj为输入滤波电感和电容。矩阵变换器由六只双向开关组成，每个双向开关为两支MOSFET背对背连接。高频变压器将输入侧和输出侧隔离。输出侧经过不控整流为电池充电，其中，Lo和Co为输出侧滤波电感和电容。
进一步的，所述根据三相输入电压相位划分扇区，确定各扇区内矢量作用组合，具体包括：
依据三相输入电压相位关系，本设计将输入电压划分为六个扇区。具体的扇区划分如图2所示。在每个扇区内，参考输入电流矢量均由有效电流矢量合成，矢量合成原理如图3所示。其中，i*为参考电流矢量，其以固定角频率按照逆时针旋转，在一个工频周期内依次经过每个扇区。本设计中，在每个扇区内，选择距离参考电流矢量最近的三条有效矢量对参考电流进行合成。以参考电流矢量位于第Ⅰ扇区为例，在正半开关周期，选择有效矢量Iab、Iac、Ibc合成参考电流，在变压器初级侧形成正电压波形；在负半开关周期，选择Iab、Iac、Ibc的相反矢量，即Iba、Ica、Icb，在变压器初级侧形成负电压波形。利用本发明提出的无零矢量SVPWM，在高频变压器原边形成正负交替的高频电压。值得注意的是，调制策略与传统策略相比，在变压器初级侧形成的高频交流电压波形中不含零电压部分。各扇区正、负半个开关周期选用的有效矢量如表1所示。
表1各扇区矢量分配表
Figure GDA0003574747030000051
Figure GDA0003574747030000061
此外，调制策略在三有效矢量合成技术基础上，设计矢量作用顺序，使每次进行矢量切换，均只需动作单个开关管，减少开关次数，降低开关损耗，提高系统效率。在正半开关周期，三条有效矢量按照逆时针方向逐个合成参考电流。以第Ⅰ扇区为例，前半个开关周期内，矢量作用顺序为Iab、Iac、Ibc。类似的，在负半开关周期，三条矢量仍按逆时针方向逐个作用。因此，在整个开关周期内，每次进行矢量切换，均只需动作单个开关管。
此外，在进行扇区切换时，存在矢量跳变现象。如在Ⅰ、Ⅱ扇区切换时，会发生由矢量Icb到矢量Iac之间的切换，仅动作单个开关管无法完成矢量切换。为避免该问题，本发明设计了起始矢量与终止矢量。起始矢量即在一个开关周期中最先参与作用的矢量，终止矢量即最后参与作用的矢量。本发明令一个开关周期中的起始矢量和终止矢量为同一矢量，均为负半周期中参与作用的最后一条矢量。各个扇区的起始/终止矢量如表2所示。以第Ⅰ扇区为例，令Icb为起始/终止矢量，则在一个开关周期内，矢量作用顺序为Icb、Iab、Iac、Ibc、Iba、Ica、Icb。仍以Ⅰ、Ⅱ扇区切换为例，第Ⅰ扇区的终止矢量为Icb，第Ⅱ扇区起始矢量为Iab，只需动作单个开关管即可完成扇区切换。按照该矢量作用顺序，任意时刻，均仅动作单个开关管实现矢量切换，降低了系统开关损耗，保证了系统效率。
表2各扇区起始/终止矢量表
扇区 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
起始/终止矢量 I<sub>cb</sub> I<sub>ab</sub> I<sub>ac</sub> I<sub>bc</sub> I<sub>ba</sub> I<sub>ca</sub>
进一步的，所述计算无零矢量SVPWM各矢量作用时间，具体包括：
为了准确的合成参考电流矢量，必须对各有效矢量的作用时间进行计算。本设计对各矢量的作用时间进行了推导。将各有效矢量及参考电流矢量向α、β轴分解，联合方程解得各有效矢量作用时间。以第一扇区为例，有效矢量为Iab、Iac、Ibc,将有效矢量及参考矢量向α、β轴分解，得到
Figure GDA0003574747030000071
其中，|i*|为参考电流矢量幅值，Ts为开关周期，Tab、Tac、Tbc分别为有效矢量Iab、Iac、Ibc在一个开关周期内的作用时间。对(1)进行求解得到
Figure GDA0003574747030000072
其中，m为调制比，其表达式为
Figure GDA0003574747030000073
|Im|为有效矢量Iab、Iac、Ibc的幅值。
类似的，其余五个扇区内矢量作用时间如(4)～(8)所示
Figure GDA0003574747030000074
Figure GDA0003574747030000075
Figure GDA0003574747030000076
Figure GDA0003574747030000077
Figure GDA0003574747030000081
为了使变压器初级侧产生正负时间相同的交流电压，一个开关周期被等分为两部分，其中，前半个开关周期用于产生正电压波形，另半个开关周期产生对称的负电压波形。为保证每次进行矢量切换，都只动作一个开关管，使有效矢量从起始矢量开始按照逆时针方向逐个作用，直到终止矢量。为保证扇区切换时，仍然只动作一个开关管，本发明令起始矢量和终止矢量为同一矢量。以参考电流矢量位于第一扇区为例，矢量作用顺序如图4所示。
其中，t1～t7可由(9)确定
Figure GDA0003574747030000082
进一步的，为了证明本公开所述的无零矢量SVPWM的有效性，在MATLAB/Simulink环境下搭建了仿真模型，并与传统高频链矩阵变换器SVPWM调制进行对比。模型参数如表3所示。仿真结果显示，所提调制策略能够使系统稳定运行。
表3部分仿真参数
Figure GDA0003574747030000083
Figure GDA0003574747030000091
传统高频链矩阵变换器含零矢量SVPWM策略下，初级侧电压电流仿真波形如图5所示。电流波形包含明显的直流偏置。直流偏置会导致变压器偏磁现象，严重时会导致变压器铁芯磁饱和，严重威胁系统的安全运行。
无零矢量SVPWM策略可以有效避免变压器偏磁现象的发生。如图6所示，变压器初级侧电压波形正负交替，由于不使用零电流矢量，变压器初级侧不含零电压；电流波形无直流偏置。经过仿真验证，调制策略能够有效抑制变压器初级侧直流电流偏置，能够保证变压器安全可靠运行。此外，调制策略下，任意时刻进行矢量切换，仅需动作单个开关管，有益于降低系统损耗。
实施例二：
本实施例的目的是提供一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制系统。
一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制系统，包括：
矢量作用组合确定单元，其用于根据三相输入电压相位划分扇区，确定各扇区内矢量作用组合；
矢量作用时间确定单元，其用于根据各扇区矢量作用组合，计算无零矢量SVPWM各矢量作用时间；
矢量作用顺序确定单元，其用于确定无零矢量SVPWM各矢量作用顺序，使各矢量在整个开关周期按逆时针方向逐个作用；
SVPWM调制单元，其用于通过所述无零矢量SVPWM，在高频变压器原边形成正负交替的高频交流电压。
进一步的，所述矢量作用组合确定单元中，所述根据三相输入电压相位划分扇区，确定各扇区内矢量作用组合，具体包括：将输入电压划分为六个扇区，在每个扇区内，参考输入电流矢量均由有效电流矢量合成，并选择距离参考电流矢量最近的三条有效矢量对参考电流进行合成。
进一步的，所述矢量作用顺序确定单元中，为了避免进行扇区切换时存在矢量跳变现象，对于每个扇区的起始矢量和终止矢量设置为同一矢量，均设置为负半周期中参与作用的最后一条矢量。
进一步的，所述矢量作用时间确定单元中，所述计算无零矢量SVPWM各矢量作用时间，具体包括：将各有效矢量及参考电流矢量分别向横竖坐标轴分解，根据有效矢量与参考电流矢量间的关系方程，求解每个扇区有效矢量的作用时间。
进一步的，所述系统中，为了使变压器初级侧产生正负时间相同的交流电压，将一个开关周期等分为两部分，其中，前半个开关周期用于产生正电压波形，另半个开关周期产生对称的负电压波形。
上述实施例提供的一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制方法及系统可以实现，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制方法，其特征在于，包括：
根据三相输入电压相位划分扇区，确定各扇区内矢量作用组合；
根据各扇区矢量作用组合，计算无零矢量SVPWM各矢量作用时间；
确定无零矢量SVPWM各矢量作用顺序，使各矢量在整个开关周期按逆时针方向逐个作用；
为了避免进行扇区切换时存在矢量跳变现象，对于每个扇区的起始矢量和终止矢量设置为同一矢量，均设置为负半周期中参与作用的最后一条矢量；
通过所述无零矢量SVPWM，在高频变压器原边形成正负交替的高频交流电压。
2.如权利要求1所述的一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制方法，其特征在于，所述根据三相输入电压相位划分扇区，确定各扇区内矢量作用组合，具体包括：将输入电压划分为六个扇区，在每个扇区内，参考输入电流矢量均由有效电流矢量合成，并选择距离参考电流矢量最近的三条有效矢量对参考电流进行合成。
3.如权利要求1所述的一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制方法，其特征在于，所述计算无零矢量SVPWM各矢量作用时间，具体包括：将各有效矢量及参考电流矢量分别向横竖坐标轴分解，根据有效矢量与参考电流矢量间的关系方程，求解每个扇区有效矢量的作用时间。
4.如权利要求1所述的一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制方法，其特征在于，为了使变压器初级侧产生正负时间相同的交流电压，将一个开关周期等分为两部分，其中，前半个开关周期用于产生正电压波形，另半个开关周期产生对称的负电压波形。
5.一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制系统，其特征在于，包括：
矢量作用组合确定单元，其用于根据三相输入电压相位划分扇区，确定各扇区内矢量作用组合；
矢量作用时间确定单元，其用于根据各扇区矢量作用组合，计算无零矢量SVPWM各矢量作用时间；
矢量作用顺序确定单元，其用于确定无零矢量SVPWM各矢量作用顺序，使各矢量在整个开关周期按逆时针方向逐个作用；所述矢量作用顺序确定单元中，为了避免进行扇区切换时存在矢量跳变现象，对于每个扇区的起始矢量和终止矢量设置为同一矢量，均设置为负半周期中参与作用的最后一条矢量；
SVPWM调制单元，其用于通过所述无零矢量SVPWM，在高频变压器原边形成正负交替的高频交流电压。
6.如权利要求5所述的一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制系统，其特征在于，所述矢量作用组合确定单元中，所述根据三相输入电压相位划分扇区，确定各扇区内矢量作用组合，具体包括：将输入电压划分为六个扇区，在每个扇区内，参考输入电流矢量均由有效电流矢量合成，并选择距离参考电流矢量最近的三条有效矢量对参考电流进行合成。
7.如权利要求5所述的一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制系统，其特征在于，所述矢量作用时间确定单元中，所述计算无零矢量SVPWM各矢量作用时间，具体包括：将各有效矢量及参考电流矢量分别向横竖坐标轴分解，根据有效矢量与参考电流矢量间的关系方程，求解每个扇区有效矢量的作用时间。
8.如权利要求5所述的一种用于高频链矩阵变换器的SVPWM调制系统，其特征在于，所述系统中，为了使变压器初级侧产生正负时间相同的交流电压，将一个开关周期等分为两部分，其中，前半个开关周期用于产生正电压波形，另半个开关周期产生对称的负电压波形。
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