CN113258793B - 一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率变换器技术领域，尤其是一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法，现提出如下方案，其包括通过建立矩阵变换器在不同运行状态下的拟合系数形成离线查找表，根据离线查找表计算出满足矩阵变换器输入无功功率需求的参考环流和各个变换器的参考输入无功电流，对矩阵变换器的实际输出电流进行分解产生实际环流，对实际环流进行闭环控制，根据差模电压计算出各变换器的参考输出电压，根据参考输入无功电流和参考输出电压对各变换器进行调制，控制各变换器的开/关状态。本发明通过在并联矩阵变换器中产生环流以改造各变换器的输出电流，从而使各变换器获得理想的输入无功电流，解决矩阵变换器无法持续实现无功补偿的问题。

Description

一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法

技术领域

本发明涉及功率变换器领域，尤其是一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法。

背景技术

矩阵变换器作为一种高功率密度直接AC-AC功率变换器，可以实现交流电幅值、相位、频率等参数的直接变换，与传统交-直-交变换器或双PWM变换器相比，矩阵变换器没有中间直流储能环节，能以十分紧凑的电路结构获得优异的调速性能，有利于大幅度提升整个系统的功率密度，一般来说，在中大功率应用场合，使用矩阵变换器的系统功率密度可以达到使用传统交-直-交变换器或双PWM变换器的系统功率密度的1.5倍以上。

为了满足实际的工作需求，矩阵变换器正常运行时需要在其输入侧安装滤波电容，滤波电容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，导致电源功率因数严重恶化，为防止电源功率因数恶化，需要通过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，在一些情况下，矩阵变换器会无法持续实现无功补偿。

为此，本发明提出了一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法。

本方法包括离线计算和在线控制两个部分，根据并联矩阵变换器的运行范围，取数据点构成并联矩阵变换器的所有运行状态，由优化算法求解出所有运行状态的最优环流dq分量i_hd和i_hq，以及各变换器输入无功电流I_iqx和I_iqy，采用函数拟合方法得到输入无功电流I_iq和i_hd、i_hq、I_iqx、I_iqy的数学关系，保存所有运行状态下的拟合系数形成离线查找表；根据并联矩阵变换器的实际运行情况得到其参考输入无功电流i_iq ^*、调制比λ_u、输出电流dq分量i_md和i_mq，由离线查找表计算出并联矩阵变换器需控制的参考输入无功电流i_iqx ^*和i_iqy ^*，由电压计算得到并联矩阵变换器需控制的参考输出电压u_ox ^*和u_oy ^*，最终对并联矩阵变换器进行调制，实现在线控制。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种矩阵变换器的环流和无功控制方法，包括计算出满足矩阵变换器输入无功功率需求的参考环流和各个变换器的参考输入无功电流，对矩阵变换器的实际输出电流进行分解产生实际环流，对实际环流进行闭环控制，根据实际环流与参考环流间的差模电压计算出各变换器的参考输出电压，根据所述参考输入无功电流和参考输出电压对各变换器进行调制，控制各变换器的开/关状态。

在一些实施例中，所述方法还包括：构建矩阵变换器的不同运行状态，计算出每个运行状态下环流的d轴分量和q轴分量以及每个变换器的输入无功电流，采用函数拟合方法获得总输入无功电流分别与d轴分量、q轴分量以及每个变换器的输入无功电流的关系，保存所有运行状态下的拟合系数，形成离线查找表，根据离线查找表计算所述参考环流和各个变换器的参考输入无功电流。

在一些实施例中，所述参考环流和各个变换器的参考输入无功电流的计算方式包括：对矩阵变换器的实际输出电流进行分解产生共模分量，根据共模分量的d轴分量和q轴分量以及满足矩阵变换器输入无功功率需求的参考输入无功电流查找离线查找表，计算出参考环流和各个变换器的参考输入无功电流。

在一些实施例中，所述运行状态的构建方法包括如下：

在满足矩阵变换器输入无功功率需求下，设定调制比λ_u的范围[λ_umin,λ_umax]，等距取多个数据点；

设定矩阵变换器的输出电流的d轴分量I_md的范围[I_mdmin,I_mdmax]，等距取多个数据点；

设定矩阵变换器的输出电流q轴分量I_mq的范围[I_mqmin,I_mqmax]，并等距取多个数据点；

根据所述数据点，按照I_mq，I_md，λ_u的顺序构建出每个运行状态为{λ_u,I_md,I_mq}。

在一些实施例中，所述参考输入无功电流的计算方法包括：

计算输入侧交流电源无功功率，根据给定的输入侧交流电源无功功率参考值Q^*，对瞬时无功功率Q进行闭环控制产生参考输入无功电流。

在一些实施例中，所述共模分量和实际环流的计算方法如下：

分别测量矩阵变换器的实际输出电流i_ox和i_oy，并由

得出共模分量和实际环流，所述i_m为共模分量，所述i_h为实际环流。

在一些实施例中，所述调制比λ_u的获得方法包括：对共模分量i_m采用闭环控制产生共模电压参考值u_m ^*，测量矩阵变换器的输入电压u_i，根据

计算出调制比。

在一些实施例中，所述参考输出电压u_ox ^*和u_oy ^*的计算方法如下：

本发明的有益效果：

1、本发明通过产生环流改造输出电流，使矩阵变换器产生期望输入无功功率，提升矩阵变换器输入无功控制能力，从而持续实现无功补偿；

2、本发明通过离线拟合计算得到离线查找表，使得在通过并联矩阵变换器提升无功控制能力时能够更加快速地计算环流和所需的其它参数，利于后续通过控制算法快速实现矩阵变换器输入无功控制能力的提升，同时离线查找表也能为矩阵变换器在其他相关方面的应用提供参考。

本发明通过在并联矩阵变换器中产生环流以改造各变换器的输出电流，从而使各变换器获得理想的输入无功功率，实现矩阵变换器输入无功控制能力的提高，最终使矩阵变换器能够持续实现无功补偿，可使矩阵变换器输入端产生足够的无功功率，解决矩阵变换器无法持续实现无功补偿的问题，促进了矩阵变换器的发展与应用。

附图说明

图1是基于矩阵变换器的负载调速系统示意图；

图2是不同调制算法和输出功率因数cos(Φ_o)下矩阵变换器的输入无功控制能力λ_q与电压利用率λ_u的关系；

图3是本发明所提出的并联矩阵变换器系统的示意图；

图4是本发明所提离线拟合流程示意图；

图5是本发明所提并联矩阵变换器闭环在线控制示意图；

图6是本发明具体实施方式中计算瞬时无功功率Q的原理图；

图7是本发明具体实施方式中实现并联矩阵变换器空间矢量调制的示意图。

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。

根据矩阵变换器的输入无功控制模型可知，其输入无功功率由输出电流合成，矩阵变换器输出电流足够时，就可以产生足够的输入无功功率；而当矩阵变换器输出电流不足以合成输入无功功率时，就会出现矩阵变换器无法持续的实现无功补偿的情况，由上述的分析可知，矩阵变换器无法持续实现无功补偿的根本原因在于自身的输出电流不足，无法产生足够的输入无功功率，因而只要设法使矩阵变换器获得足够的输出电流，就可以使矩阵变换器持续的实现无功补偿。

在根据例如图3所示的并联矩阵变换器系统中，本发明的方法在交流供电系统中使矩阵变换器持续实现无功补偿，同时实现系统的高功率密度，提高整个系统的运行性能，促进矩阵变换器的发展与应用。

一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法，包括离线计算和在线控制两部分；

如图4所示，离线计算包括以下步骤：

步骤1，根据并联矩阵变换器输入无功范围，设定输入无功电流I_iq的运行范围[I_iqmin,I_iqmax]，并等距取S个数据点I_iq1、I_iq2、……、I_iqS；

步骤2，根据并联矩阵变换器的输出电压范围，设定调制比λ_u的取值范围[λ_umin,λ_umax]，并等距取I个数据点λ_u1、λ_u2、……、λ_uI；

步骤3，根据并联矩阵变换器的输出电流d轴分量的范围，设定输出电流d轴分量I_md的范围[I_mdmin,I_mdmax]，并等距取K个数据点I_md1、I_md2、……、I_mdK；

步骤4，根据并联矩阵变换器的输出电流q轴分量的范围，设定输出电流q轴分量I_mq的范围[I_mqmin,I_mqmax]，并等距取L个数据点I_mq1、I_mq2、……、I_mqL；

步骤5，根据步骤2、步骤3和步骤4得到的所有数据点，构成J个不同的并联矩阵变换器运行状态；

所述根据等距取点得到由所有数据点构成J个不同的矩阵变换器的运行状态的方法包括以下步骤：

按照I_mq，I_md，λ_u的顺序给矩阵变换器的不同运行状态进行编号，可设矩阵变换器的第j个运行状态为{λ_u,I_md,I_mq}_j，其中1≤j≤J，它表示并联矩阵变换器所有J个运行状态中的任意一个，根据λ_u，I_md，I_mq各自数据点的数量，可形成I×K×L个运行状态，即J＝I×K×L。

步骤6，在第j个运行状态下，采用优化算法求解出所有S个数据点中的最优环流i_hj的dq分量i_hdj和i_hqj，以及每个变换器的输入无功电流I_iqxj和I_iqyj；

S6.1：对于步骤5设定的矩阵变换器的第j个运行状态(1≤j≤J)，根据下式计算注入一定环流下并联矩阵变换器总的最大无功控制能力：

其中，i_md和i_mq为变换器输出电流i_m的dq分量，i_hd和i_hq为环流i_h的dq分量，λ_u为调制比，F_q1和F_q2是不同矢量组合下的分段函数，F_qt表示并联矩阵变换器的最大无功控制能力；

S6.2：通过优化算法，根据下式求解出在输入无功电流范围内所有数据点中的最优环流i_hj的dq分量i_hdj和i_hqj：

s.t.F_qt≥I_iq

其中，i_hm表示环流的幅值；

S6.3：根据下式计算每个变换器各自的输入无功电流I_iqxj和I_iqyj：

步骤7，采用函数拟合的方法，求解出I_iq和i_hdj、I_iq和i_hqj、I_iq和I_iqxj、I_iq和I_iqyj的数学关系，保存全部运行状态下的拟合系数，形成离线查找表；

通过离线拟合计算得到离线查找表，使得在通过并联矩阵变换器提升无功控制能力时能够更加快速地计算环流和所需的其它参数，利于后续通过控制算法快速实现矩阵变换器输入无功控制能力的提升，同时离线查找表也能为矩阵变换器在其他相关方面的应用提供参考。

求解离线查找表的方法包括以下步骤：

S7.1：根据步骤6得到的数据，结合输入无功电流I_iq的值，采用数据拟合方法解求解出I_iq和i_hdj、I_iq和i_hqj、I_iq和I_iqxj、I_iq和I_iqyj的数学关系，保存并联矩阵变换器在第j个运行状态下的拟合系数；

S7.2：重复步骤6，保存并联矩阵变换器在全部J个运行状态下的拟合系数，按规律列表，形成离线查找表，用于在线控制。

如图5所示，在线控制包括以下步骤：

步骤8，根据并联矩阵变换器的实际输入无功功率需求，计算并联矩阵变换器的参考输入无功电流i_iq ^*；

计算并联矩阵变换器的参考输入无功电流i_iq ^*的方法包括以下步骤：

S8.1：计算输入侧交流电源无功功率Q；

S8.2：根据给定的输入侧交流电源无功功率参考值Q^*，对瞬时无功功率Q进行闭环控制产生参考输入无功电流i_iq ^*。

步骤9，根据并联矩阵变换器各变换器的输出电流i_ox和i_oy，进行电流分解，产生共模分量i_m和差模分量i_h；

计算共模分量i_m和差模分量i_h的方法包括以下步骤：

S9.1：分别测量并联矩阵变换器的输出电流i_ox和i_oy；

S9.2：由下式计算共模分量i_m和差模分量i_h：

其中差模分量i_h即为环流。

步骤10，根据得到的共模分量i_m，采用闭环控制产生共模电压参考值u_m ^*，计算出并联矩阵变换器的调制比λ_u；

计算并联矩阵变换器的调制比λ_u的方法包括以下步骤：

S10.1：对步骤9电流分解得到的共模分量i_m采用闭环控制，产生共模电压参考值u_m ^*；

S10.2：测量并联矩阵变换器的输入电压u_i；

S10.3：由下式计算出并联矩阵变换器调制比λ_u：

步骤11，根据得到的共模分量i_m，计算出并联矩阵变换器负载电流i_m的d轴分量i_md和q轴分量i_mq；

计算并联矩阵变换器负载输出电流的共模分量i_m的dq分量i_md和i_mq的方法包括以下步骤：

根据负载输出电压电流的功率因数角θ，按下式计算出并联矩阵变换器输出电流i_m的dq分量i_md和i_mq：

步骤12，根据步骤8-11所得到的数据，查找步骤7得到的离线查找表，计算出参考环流i_h ^*，以及并联矩阵变换器各变换器参考输入无功电流i_iqx ^*和i_iqy ^*；

步骤13，根据得到的i_h和i_h ^*，进行闭环控制得到差模电压参考值u_h ^*，结合u_m ^*计算各变换器的参考输出电压u_ox ^*和u_oy ^*；

计算参考输出电压u_ox ^*和u_oy ^*的方法包括以下步骤：

S13.1：对步骤9得到的i_h和步骤12得到的i_h ^*进行闭环控制，得到环流控制所需的差模电压参考值u_h ^*；

S13.2：结合S10.1得到的u_m ^*，由下式出计算参考输出电压u_ox ^*和u_oy ^*：

步骤14，根据步骤12得到的i_iqx ^*和i_iqy ^*，步骤13得到的u_ox ^*和u_oy ^*，采用空间矢量算法对各矩阵变换器进行调制，产生各变换器的开关状态，以获得理想的输入无功电流；

采用空间矢量调制算法对各矩阵变换器进行调制的方法包括以下步骤：

S14.1：根据步骤12得到的参考输入无功电流i_iqx ^*和i_iqy ^*，结合步骤13得的参考输出电压u_ox ^*和u_oy ^*，确定输入电流矢量和输出电压矢量所处的扇区；

S14.2：计算出电流矢量和电压矢量在每一个扇区内的位置角；

S14.3：根据占空比计算出每个基本矢量的作用时间；

S14.4：按照矢量作用顺序依次控制开关动作，实现对并联矩阵变换器的空间矢量调制，以获得理想的输入无功电流，提高矩阵变换器无功控制能力。

针对本发明提出的并联矩阵变换器的环流和无功控制方法中的各个步骤，结合图4、图5、图6和图7，对该方法进行具体说明：

在一个实施例中，例如，假设并联矩阵变换器的输入无功范围为[1A，5A]，在其范围内等距取5(S＝5)个数据点，即I_iq1＝1A，I_iq2＝2A，I_iq3＝3A，I_iq4＝4A，I_iq5＝5A；假设并联矩阵变换器的输出电压范围为[1V，3V]，输入电压为1V，则电压调制比的范围为[1，3]，在电压调制比的范围内等距取3(I＝3)个数据点，即λ_u1＝1，λ_u2＝2，λ_u3＝3；假设并联矩阵变换器输出电流i_m的d轴分量i_md的范围为[1A，3A]，在其范围内等距取3(K＝3)个数据点，即I_md1＝1A，I_md2＝2A，I_md3＝3A；假设并联矩阵变换器输出电流i_m的q轴分量i_mq的范围为[1A，3A]，在其范围内等距取3(L＝3)个数据点，即I_mq1＝1A，I_mq1＝1A，I_mq3＝3A。

按照先I_mq，再I_md，最后λ_u的顺序给矩阵变换器的所有运行状态进行编号，编号如下所示：

{(λ₁,I_md1,I_mq1)＝(1,1,1)}₁，{(λ₁,I_md1,I_mq2)＝(1,1,2)}₂，{(λ₁,I_md1,I_mq3)＝(1,1,3)}₃，{(λ₁,I_md2,I_mq1)＝(1,2,1)}₄，{(λ₁,I_md2,I_mq2)＝(1,2,2)}₅，{(λ₁,I_md2,I_mq3)＝(1,2,3)}₆，{(λ₁,I_md3,I_mq1)＝(1,3,1)}₇，{(λ₁,I_md3,I_mq2)＝(1,3,2)}₈，{(λ₁,I_md3,I_mq3)＝(1,3,3)}₉，{(λ₂,I_md1,I_mq1)＝(2,1,1)}₁₀，……，{(λ₂,I_md3,I_mq3)＝(2,3,3)}₁₈，{(λ₃,I_md1,I_mq1)＝(3,1,1)}₁₉，……，{(λ₃,I_md3,I_mq3)＝(3,3,3)}₂₇。

对于矩阵变换器而言，其输入无功控制数学模型会受到调制算法的影响，不同的调制算法会有不同的输入无功控制模型。本发明采用的空间矢量调制算法，根据对应的最大输入无功控制能力的计算模型：i_iqmax＝F_q(λ_u,i_md,i_mq)，利用式(1)计算注入一定环流下并联矩阵变换器总的最大无功控制能力：

根据优化算法，由式(2)求解出运行状态1，即{(λ₁,I_md1,I_mq1)＝(1,1,1)}₁下,对应于输入无功电流范围内5个数据点中的最优环流i_h1的dq分量i_hd1和i_hq1：

根据式(3)计算并联矩阵变换器每个变换器的输入无功电流I_iqx1和I_iqy1：

根据式(2)和式(3)的计算结果，结合对应的输入无功电流I_iq，用数据拟合方法求解出I_iq和i_hd1、I_iq和i_hq1、I_iq和I_iqx1、I_iq和I_iqy1的数学关系，保存矩阵变换器在运行状态1下的拟合系数，重复上述步骤，保存矩阵变换器在所有27个运行状态下的拟合系数，按规律列成离线查找表，用于在线控制。

设输入电压为u_a、u_b、u_c，电流为i_a、i_b、i_c，根据图6所示方法，利用式(4)将三相输入电压和电流转换到两相静止坐标系上：

如图6所示，根据式(5)计算输入电源的瞬时功率：

根据给定的输入侧交流电源无功功率参考值Q^*，由瞬时无功功率Q的闭环控制产生参考输入无功电流i_iq ^*。

测量并联矩阵变换器的输出电流i_ox和i_oy，根据式(6)计算出共模分量i_m和差模分量i_h：

对共模分量i_m采用闭环控制产生共模电压参考值u_m ^*，测量并联矩阵变换器的输入电压u_i，由式(7)计算出并联矩阵变换器调制比λ_u：

测量负载输出电压电流功率因数角θ，由式(8)计算并联矩阵变换器负载输出电流i_m的dq分量i_md和i_mq：

查找已得到的离线查找表，计算出并联矩阵变换器的参考环流i_h ^*，以及各个变换器的参考输入无功电流i_iqx ^*和i_iqy ^*。

对差模分量i_h进行闭环控制产生环流控制所需的差模电压参考值u_h ^*，根据式(9)计算出参考输出电压u_ox ^*和u_oy ^*：

根据计算出的参考输入无功电流i_iqx ^*和i_iqy ^*，以及式(9)计算得到的u_ox ^*和u_oy ^*，按照图7所示，由空间矢量调制算法对并联矩阵变换器的各矩阵变换器进行调制，通过在并联矩阵变换器中产生环流以改造各变换器的输出电流，从而使各变换器获得理想的输入无功功率，实现矩阵变换器输入无功控制能力的提高，最终使矩阵变换器能够持续实现无功补偿。

以上所述，仅为本发明的部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法，其特征在于，包括：

计算出满足矩阵变换器输入无功功率需求的参考环流和各个变换器的参考输入无功电流，对矩阵变换器的实际输出电流进行分解产生实际环流，对实际环流进行闭环控制，根据实际环流与参考环流间的差模电压计算出各变换器的参考输出电压，根据所述参考输入无功电流和参考输出电压对各变换器进行调制，控制各变换器的开/关状态；

构建矩阵变换器的不同运行状态，计算出每个运行状态下环流的d轴分量和q轴分量以及每个变换器的输入无功电流，采用函数拟合方法获得总输入无功电流分别与d轴分量、q轴分量以及每个变换器的输入无功电流的关系，保存所有运行状态下的拟合系数，形成离线查找表，根据离线查找表计算所述参考环流和各个变换器的参考输入无功电流。

2.根据权利要求1所述的一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法，其特征在于，所述参考环流和各个变换器的参考输入无功电流的计算方式包括：对矩阵变换器的实际输出电流进行分解产生共模分量，根据共模分量的d轴分量和q轴分量以及满足矩阵变换器输入无功功率需求的参考输入无功电流查找离线查找表，计算出参考环流和各个变换器的参考输入无功电流。

3.根据权利要求2所述的一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法，其特征在于，所述运行状态的构建方法包括如下：

在满足矩阵变换器输入无功功率需求下，设定调制比λ_u的范围[λ_umin,λ_umax]，等距取多个数据点；

设定矩阵变换器的输出电流的d轴分量I_md的范围[I_mdmin,I_mdmax]，等距取多个数据点；

设定矩阵变换器的输出电流q轴分量I_mq的范围[I_mqmin,I_mqmax]，并等距取多个数据点；

根据所述数据点，按照I_mq，I_md，λ_u的顺序构建出每个运行状态为{λ_u,I_md,I_mq}。

4.根据权利要求3所述的一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法，其特征在于，所述参考输入无功电流的计算方法包括：

计算输入侧交流电源无功功率，根据给定的输入侧交流电源无功功率参考值Q^*，对瞬时无功功率Q进行闭环控制产生参考输入无功电流。

5.根据权利要求4所述的一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法，其特征在于，所述共模分量和实际环流的计算方法如下：

分别测量矩阵变换器的实际输出电流i_ox和i_oy，并由

得出共模分量和实际环流，所述i_m为共模分量，所述i_h为实际环流。

6.根据权利要求5所述的一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法，其特征在于，所述调制比λ_u的获得方法包括：对共模分量i_m采用闭环控制产生共模电压参考值u_m ^*，测量矩阵变换器的输入电压u_i，根据

计算出调制比。

7.根据权利要求6所述的一种并联矩阵变换器的环流和无功控制方法，其特征在于，所述参考输出电压u_ox ^*和u_oy ^*的计算方法如下：

u_h ^*为差模电压参考值。

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