CN113258792A - 一种矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法，该方法以输入输出电压矢量定向，分别将参考输入电流和输出电流分解成有功分量和无功分量；用输入电压合成参考输出电压，该过程在所述电压定向方式下亦代表输出有功电流合成参考输入有功电流，用输出有功电流和无功电流分别合成参考输入无功电流，使输出电流直接参与到矩阵变换器调制算法中；最后选取不同的输入输出基本矢量形成两个对等控制过程的全部组合，比较每一组合的最大无功控制能力，选用具有最大无功控制能力的组合对矩阵变换器进行调制以实现其最大无功控制能力。本发明可实现矩阵变换器的最大无功控制能力，有利于突破矩阵变换器无功控制瓶颈，促进矩阵变换器的发展与应用。

Description

一种矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法

技术领域

本发明涉及功率变换器领域，具体是一种矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法。

背景技术

矩阵变换器是一种高功率密度直接交-交变换器，它采用双向开关进行能量传输，具备优良的输入输出特性，可直接实现交流电幅值、相位、频率等参数的变换。与传统交-直-交变换器或双PWM变换器相比，矩阵变换器输入功率因数高、满足四象限运行、无中间直流储能环节，能有效消除对电网谐波的污染，同时能以紧凑的电路结构获得优异的调速性能。

矩阵变换器正常运行时，一般都需要在其输入侧安装滤波电容，如图1所示。虽然该滤波电容的值不大，对整个系统的功率密度仅会产生较小的影响，但是该滤波电容却会产生一个正比于输入频率的容性无功功率，且该容性无功功率还会随负载变化而发生变化，促使电源功率因数严重恶化。为防止电源功率因数恶化，需要由矩阵变换器的输入无功控制对滤波电容产生的容性无功进行补偿。然而，由于矩阵变换器缺少母线储能元件，其输入无功控制和负载控制会直接耦合并产生交互影响，使矩阵变换器的最大无功控制能力和电压利用率相互制约，图2显示了不同调制算法和输出功率因数下矩阵变换器的输入无功控制能力与电压利用率的关系，从图中可以明显发现二者呈负相关。间接式SVM算法是目前最经典、应用也最广泛的调制算法，该算法基于最临近基本矢量合成的思路直接控制输入电流的相角、输出电压的幅值和相位，其原理如图3所示。现有调制算法大多都基于间接式SVM算法的特性，仅仅只用参考输出电压、输入电压和功率因数角求解矩阵变换器的调制矩阵，侧重于提高矩阵变换器电压利用率这一层面，对提高矩阵变换器输入无功控制能力这一层面考虑较少，因而导致矩阵变换器的最大无功控制能力难以实现。

实际上，矩阵变换器无法实现最大无功控制能力的根本原因是其输入无功控制和输出电压控制竞争性占用矩阵变换器调制时间，使矩阵变换器的最大无功控制能力和电压利用率相互制约。现有调制算法对矩阵变换器输入无功控制考虑较少，如果在求解矩阵变换器调制矩阵时充分考虑其输入无功控制和输出电压控制两方面因素，完全可以实现矩阵变换器的最大无功控制能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法，该方法无需改变电路拓扑结构，不增加硬件成本，仅通过改进矩阵变换器的控制算法来实现其最大无功控制能力。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法，所述实现方法包括以下步骤：

S1:在矩阵变换器输入侧和输出侧均以电压矢量定向，对应将矩阵变换器参考输入电流i_i ^*和输出电流i_o分别分解成有功分量和无功分量；

S2:根据S1所述电压矢量定向方式，用输入电压u_i合成参考输出电压u_o ^*，亦代表输出有功电流i_od合成参考输入有功电流i_id ^*，实现有功传递过程；

S3:根据S1得到的输出电流有功分量i_od和无功分量i_oq，用有功分量i_od和无功分量i_oq分别合成参考输入无功电流i_iq ^*，实现无功传递过程；

S4:选取有功传递过程和无功传递过程的输入输出基本矢量，根据所定组合规则组合出有功和无功传递过程的全部组合；

S5:分析计算每一组合的最大无功控制能力，选用其中具有最大无功控制能力的组合对矩阵变换器进行调制，实现矩阵变换器的最大无功控制能力。

进一步的，所述S1中，将矩阵变换器参考输入电流i_i ^*和输出电流i_o分别分解成有功分量和无功分量的具体方法包括：

根据矩阵变换器输入侧和输出侧的电压矢量，在输入侧以输入电压矢量u_i定向，分解时将参考输入电流i_i ^*的有功分量i_id ^*与u_i的方向重合；在输出侧以参考输出电压矢量u_o ^*定向，分解时将输出电流i_o的有功分量i_od与u_o ^*的方向重合。

进一步的，所述S2中，实现有功传递过程的方法具体包括：

经过S1的电流分解，参考输入有功电流i_id ^*与输入电压u_i的方向重合，输出有功电流i_od与参考输出电压u_o ^*的方向重合，i_od合成i_id ^*就和u_i合成u_o ^*自然融合在一起，故用输入电压u_i合成参考输出电压u_o ^*即可实现输出有功电流i_od合成参考输入有功电流i_id ^*，实现有功传递过程。

进一步的，所述S3中，实现无功传递过程的方法具体包括：

S3.1：经过S1的电流分解，输出电流i_o被分解成有功分量i_od和无功分量i_oq，故无功传递过程相应被分为“输出有功合成输入无功”和“输出无功合成输入无功”两个子过程，先采用“有功合成无功”的合成思路，用输出电流有功分量i_od合成参考输入无功电流i_iq ^*；

S3.2：再采用“无功合成无功”的合成思路，用输出无功电流i_oq合成参考输入无功电流i_iq ^*，由“输出有功合成输入无功”和“输出无功合成输入无功”这两个子合成过程共同实现输出电流i_o合成参考输入无功电流i_iq ^*，实现无功传递过程。

进一步的，所述S4中，获得有功和无功传递过程的全部组合的方法具体包括：

S4.1：根据下述基本矢量选取方法，选取有功传递过程和无功传递过程的输入基本矢量和输出基本矢量；

基本矢量选取方法是：有功和无功传递过程的输入基本矢量和输出基本矢量不仅可由两个最邻近的基本矢量合成，也可由一个最邻近基本矢量和一个次邻近基本矢量合成，故有三种选择基本矢量的方法；

S4.2：根据下述组合规则，获得S2和S3所述三个子控制过程的所有N个可能组合；

设定的组合规则是：每一控制过程的基本矢量选择要么可以合成最大的输出电压或输入无功电流，要么可以通过脉冲融合减少总的占空比；无功传递过程的“输出有功合成输入无功”和“输出无功合成输入无功”两个子过程的输入级矢量应相同，有功传递过程和无功传递过程的“输出有功合成输入无功”子过程的输出级矢量应相同。

进一步的，所述S5中，实现矩阵变换器的最大无功控制能力的方法具体包括：

S5.1：根据S4得到的所有N个组合，计算第n个组合可产生的最大输入无功电流i_iqmaxn，即该组合的最大无功控制能力，其中1≤n≤N；

设S2和S3所述三个子控制过程的调制比分别为m_ddn、m_qdn和m_qqn，

根据矩阵变换器输入不短路、输出不断路的本质约束条件，上述三个控制过程的调制比需要满足约束关系：

f_mn(m_ddn,m_qdn,m_qqn)≤1

根据矩阵变换器的矢量合成原理，输入无功电流i_iqn应满足关系：

根据矩阵变换器的调制比m_qdn和m_qqn的表达式：

由上述关系得矩阵变换器第n个组合产生的最大输入无功电流i_iqmaxn：

i_iqmaxn＝f_qn(λ_un,i_odn,i_oqn)

其中电压利用率λ_un正比于调制比m_ddn；

S5.2：对所有N个组合采取S5.1所述分析，进行实时比较即可得到具有最大无功控制能力的组合，其最大无功控制能力为：

S5.3：将S5.2得到的具有最大无功控制能力的组合作用于矩阵变换器，采用所提有功和无功分别合成的新型空间矢量合成方法对矩阵变换器进行调制，实现矩阵变换器最大无功控制能力。

本发明的有益效果：

本发明实现方法在不改变电路拓扑结构、不增加硬件成本的前提下，通过改进矩阵变换器控制算法以充分利用其输出电流合成输入无功功率，从而实现矩阵变换器的最大无功控制能力，有利于突破矩阵变换器无功控制瓶颈，促进矩阵变换器在各领域的发展与应用。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明基于矩阵变换器的负载系统示意图；

图2是本发明不同调制算法和输出功率因数下矩阵变换器输入无功控制能力与电压利用率的关系图；

图3是本发明矩阵变换器经典SVM算法工作原理图；

图4是本发明矩阵变换器输入输出侧电流分解示意图；

图5是本发明基于矩阵变换器有功和无功分别合成的新型空间矢量合成方法原理图；

图6是本发明新型空间矢量合成方法的非零基本矢量选择方法示意图；

图7是本发明矢量合成方法三个子控制过程的可能组合图表(表1)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法，实现方法包括以下步骤：

S1:在矩阵变换器输入侧和输出侧均以电压矢量定向，对应将矩阵变换器参考输入电流i_i ^*和输出电流i_o分别分解成有功分量和无功分量，具体方法为：

根据矩阵变换器输入侧和输出侧的电压矢量，在输入侧以输入电压矢量u_i定向，分解时将参考输入电流i_i ^*的有功分量i_id ^*与u_i的方向重合；在输出侧以参考输出电压矢量u_o ^*定向，分解时将输出电流i_o的有功分量i_od与u_o ^*的方向重合；

S2:根据S1所述电压矢量定向方式，用输入电压u_i合成参考输出电压u_o ^*，亦代表输出有功电流i_od合成参考输入有功电流i_id ^*，实现有功传递过程，具体方法为：

经过S1的电流分解，输入有功电流i_id ^*与输入电压u_i的方向重合，输出有功电流i_od与参考输出电压u_o ^*的方向重合，i_od合成i_id ^*就和u_i合成u_o ^*自然融合在一起，故用输入电压u_i合成参考输出电压u_o ^*即可实现输出有功电流i_od合成参考输入有功电流i_id ^*，实现有功传递过程；

S3:根据S1得到的输出电流有功分量i_od和无功分量i_oq，用有功分量i_od和无功分量i_oq分别合成参考输入无功电流i_iq ^*，实现无功传递过程,具体方法包括：

S3.1：经过S1的电流分解，参考输出电流i_o被分解成有功分量i_od和无功分量i_oq，故无功传递过程相应被分为“输出有功合成输入无功”和“输出无功合成输入无功”两个子过程，先采用“有功合成无功”的合成思路，用输出电流有功分量i_od合成参考输入无功电流i_iq ^*；

S3.2：再采用“无功合成无功”的合成思路，用输出无功电流i_oq合成参考输入无功电流i_iq ^*，由“输出有功合成输入无功”和“输出无功合成输入无功”这两个子合成过程共同实现输出电流i_o合成参考输入无功电流i_iq ^*，实现无功传递过程；

S4:选取有功传递过程和无功传递过程的输入输出基本矢量，根据所定组合规则组合出有功和无功传递过程的全部组合，具体方法包括：

S4.1：根据下述基本矢量选取方法，选取有功传递过程和无功传递过程的输入基本矢量和输出基本矢量；

基本矢量选取方法是：有功和无功传递过程的输入基本矢量和输出基本矢量不仅可由两个最邻近的基本矢量合成，也可由一个最邻近基本矢量和一个次邻近基本矢量合成，故有三种选择基本矢量的方法；

S4.2：根据下述组合规则，获得S2和S3所述三个子控制过程的所有N个可能组合；

设定的组合规则是：每一控制过程的基本矢量选择要么可以合成最大的输出电压或输入无功电流，要么可以通过脉冲融合减少总的占空比；无功传递过程的“输出有功合成输入无功”和“输出无功合成输入无功”两个子过程的输入级矢量应相同，有功传递过程和无功传递过程的“输出有功合成输入无功”子过程的输出级矢量应相同。

S5:分析计算每一组合的最大无功控制能力，选用其中具有最大无功控制能力的组合对矩阵变换器进行调制，实现矩阵变换器的最大无功控制能力，具体方法包括：

S5.1：根据S4得到的所有N个组合，计算第n(1≤n≤N)个组合可产生的最大输入无功电流i_iqmaxn，即该组合的最大无功控制能力；

设S2和S3所述三个子控制过程的调制比分别为m_ddn、m_qdn和m_qqn，

根据矩阵变换器输入不短路、输出不断路的本质约束条件，上述三个控制过程的调制比需要满足约束关系：

f_mn(m_ddn,m_qdn,m_qqn)≤1

根据矩阵变换器的矢量合成原理，输入无功电流i_iqn应满足关系：

根据矩阵变换器的调制比m_qdn和m_qqn的表达式：

由上述关系得矩阵变换器第n个组合产生的最大输入无功电流i_iqmaxn：

i_iqmaxn＝f_qn(λ_un,i_odn,i_oqn)

其中电压利用率λ_un正比于调制比m_ddn；

S5.2：对所有N个组合采取S5.1所述分析，进行实时比较即可得到具有最大无功控制能力的组合，其最大无功控制能力为：

S5.3：将S5.2得到的具有最大无功控制能力的组合作用于矩阵变换器，采用所提有功和无功分别合成的新型空间矢量合成方法对矩阵变换器进行调制，实现矩阵变换器最大无功控制能力。

针对本发明提出的矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法中的各个步骤，结合图4、图5和图6，对该方法进行具体说明：

根据图4所示的电流分解方法，在输入侧设定矩阵变换器的输入电压矢量u_i为参考方向，将矩阵变换器参考输入电流i_i ^*分解成有功分量i_id ^*和无功分量i_iq ^*，其中i_id ^*方向与u_i方向重合，i_iq ^*方向与u_i方向垂直；在输出侧设定矩阵变换器的参考输出电压矢量u_o ^*为参考方向，将矩阵变换器输出电流i_o分解成有功分量i_od和无功分量i_oq，其中i_od方向与u_o ^*方向重合，i_oq方向与u_o ^*方向垂直。

经过电流分解，参考输入电流有功分量i_id ^*与输入电压u_i方向重合，输出电流有功分量i_od与参考输出电压u_o ^*方向重合，根据矩阵变换器“输入电压合成输出电压”与“输出电流合成输入电流(含无功分量)”这两个对等的控制过程，i_od合成i_id ^*和u_i合成u_o ^*自然融合，故采用图5(a)所示方法，即用输入电压u_i合成参考输出电压u_o ^*，间接实现输出有功电流i_od合成参考输入有功电流i_id ^*，实现有功传递过程。

经过电流分解，输出电流i_o被分解成有功分量i_od和无功分量i_oq，采用输出电流主动参与输入无功控制的思路，采取“输出有功合成输入无功”和“输出无功合成输入无功”两个子合成过程合成输入无功电流。先采取图5(b)所示的“输出有功合成输入无功”的子合成过程，用输出电流有功分量i_od合成参考输入无功电流i_iq ^*；再采取图5(c)所示的“输出无功合成输入无功”的子合成过程，用输出电流无功分量i_oq合成参考输入无功电流i_iq ^*，实现无功传递过程。

根据图6所示的非零基本矢量选择方法，分别选取图5所示三个子控制过程的非零基本矢量。

从减少可能的组合数量出发，由下列2个组合原则组合出三个子控制过程的全部25种组合，如表1所示。

1)每一控制过程的基本矢量选择要么可以合成最大的输出电压或输入无功电流，要么可以通过脉冲融合减少总的占空比；

2)无功传递过程的“输出有功合成输入无功”和“输出无功合成输入无功”两个子过程的输入级矢量应相同，有功传递过程和无功传递过程的“输出有功合成输入无功”子过程的输出级矢量应相同。

设第1种组合中三个子控制过程调制比分别为m_dd1、m_qd1和m_qq1，根据矩阵变换器的本质约束条件和矢量合成原理，结合矩阵变换器的调制比m_qd1和m_qq1的表达式，即式(1)、式(2)和式(3)，

f_m1(m_dd1,m_qd1,m_qq1)≤1 (1)

计算出矩阵变换器第1种组合产生的最大输入无功电流i_iqmax1：

i_iqmax1＝f_q1(λ_u1,i_od1,i_oq1) (4)

式(4)中电压利用率λ_u1正比于调制比m_dd1，

计算并分析比较所有25种组合，得到其中具有最大无功控制能力的组合，其最大无功控制能力为：

将所得具有最大无功控制能力的组合作用于矩阵变换器，采用图5所示的有功和无功分别合成的新型空间矢量合成方法对矩阵变换器进行调制，最终实现矩阵变换器最大无功控制能力。

本发明所述矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法无需改变电路拓扑结构，不增加硬件成本，仅仅只需改进矩阵变换器的控制算法即可实现其的最大无功控制能力，有利于突破矩阵变换器的无功控制瓶颈，促进矩阵变换器在各领域的发展与应用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

S1:在矩阵变换器输入侧和输出侧均以电压矢量定向，对应将矩阵变换器参考输入电流i_i ^*和输出电流i_o分别分解成有功分量和无功分量；

S2:根据S1所述电压矢量定向方式，用输入电压u_i合成参考输出电压u_o ^*，亦代表输出有功电流i_od合成参考输入有功电流i_id ^*，实现有功传递过程；

S3:根据S1得到的输出电流有功分量i_od和无功分量i_oq，用有功分量i_od和无功分量i_oq分别合成参考输入无功电流i_iq ^*，实现无功传递过程；

S4:选取有功传递过程和无功传递过程的输入输出基本矢量，根据所定组合规则组合出有功和无功传递过程的全部组合；

S5:分析计算每一组合的最大无功控制能力，选用其中具有最大无功控制能力的组合对矩阵变换器进行调制，实现矩阵变换器的最大无功控制能力。

2.根据权利要求1所述的一种矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法,其特征在于，所述S1中，将矩阵变换器参考输入电流i_i ^*和输出电流i_o分别分解成有功分量和无功分量的具体方法包括：

根据矩阵变换器输入侧和输出侧的电压矢量，在输入侧以输入电压矢量u_i定向，分解时将参考输入电流i_i ^*的有功分量i_id ^*与u_i的方向重合；在输出侧以参考输出电压矢量u_o ^*定向，分解时将输出电流i_o的有功分量i_od与u_o ^*的方向重合。

3.根据权利要求1所述的一种矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法,其特征在于，所述S2中，实现有功传递过程的方法具体包括：

经过S1的电流分解，参考输入有功电流i_id ^*与输入电压u_i的方向重合，输出有功电流i_od与参考输出电压u_o ^*的方向重合，i_od合成i_id ^*就和u_i合成u_o ^*自然融合在一起，故用输入电压u_i合成参考输出电压u_o ^*即可实现输出有功电流i_od合成参考输入有功电流i_id ^*，实现有功传递过程。

4.根据权利要求1所述的一种矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法,其特征在于，所述S3中，实现无功传递过程的方法具体包括：

S3.1：经过S1的电流分解，输出电流i_o被分解成有功分量i_od和无功分量i_oq，故无功传递过程相应被分为“输出有功合成输入无功”和“输出无功合成输入无功”两个子过程，先采用“有功合成无功”的合成思路，用输出电流有功分量i_od合成参考输入无功电流i_iq ^*；

S3.2：再采用“无功合成无功”的合成思路，用输出无功电流i_oq合成参考输入无功电流i_iq ^*，由“输出有功合成输入无功”和“输出无功合成输入无功”这两个子合成过程共同实现输出电流i_o合成参考输入无功电流i_iq ^*，实现无功传递过程。

5.根据权利要求1所述的一种矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法,其特征在于，所述S4中，获得有功和无功传递过程的全部组合的方法具体包括：

S4.1：根据下述基本矢量选取方法，选取有功传递过程和无功传递过程的输入基本矢量和输出基本矢量；

基本矢量选取方法是：有功和无功传递过程的输入基本矢量和输出基本矢量不仅可由两个最邻近的基本矢量合成，也可由一个最邻近基本矢量和一个次邻近基本矢量合成，故有三种选择基本矢量的方法；

S4.2：根据下述组合规则，获得S2和S3所述三个子控制过程的所有N个可能组合；

设定的组合规则是：每一控制过程的基本矢量选择要么可以合成最大的输出电压或输入无功电流，要么可以通过脉冲融合减少总的占空比；无功传递过程的“输出有功合成输入无功”和“输出无功合成输入无功”两个子过程的输入级矢量应相同，有功传递过程和无功传递过程的“输出有功合成输入无功”子过程的输出级矢量应相同。

6.根据权利要求1所述的一种矩阵变换器的最大无功控制能力实现方法,其特征在于，所述S5中，实现矩阵变换器的最大无功控制能力的方法具体包括：

S5.1：根据S4得到的所有N个组合，计算第n个组合可产生的最大输入无功电流i_iqmaxn，即该组合的最大无功控制能力，其中1≤n≤N；

设S2和S3所述三个子控制过程的调制比分别为m_ddn、m_qdn和m_qqn，

根据矩阵变换器输入不短路、输出不断路的本质约束条件，上述三个控制过程的调制比需要满足约束关系：

f_mn(m_ddn,m_qdn,m_qqn)≤1

根据矩阵变换器的矢量合成原理，输入无功电流i_iqn应满足关系：

根据矩阵变换器的调制比m_qdn和m_qqn的表达式：

由上述关系得矩阵变换器第n个组合产生的最大输入无功电流i_iqmaxn：

i_iqmaxn＝f_qn(λ_un,i_odn,i_oqn)

其中电压利用率λ_un正比于调制比m_ddn；

S5.2：对所有N个组合采取S5.1所述分析，进行实时比较即可得到具有最大无功控制能力的组合，其最大无功控制能力为：

S5.3：将S5.2得到的具有最大无功控制能力的组合作用于矩阵变换器，采用所提有功和无功分别合成的新型空间矢量合成方法对矩阵变换器进行调制，实现矩阵变换器最大无功控制能力。

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