CN115800797A - 一种双向ac-dc矩阵变换器控制方法及系统 - Google Patents

一种双向ac-dc矩阵变换器控制方法及系统 Download PDF

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CN115800797A CN202211478894.6A CN202211478894A CN115800797A CN 115800797 A CN115800797 A CN 115800797A CN 202211478894 A CN202211478894 A CN 202211478894A CN 115800797 A CN115800797 A CN 115800797A
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李优新
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Abstract

本发明公开了一种双向AC‑DC矩阵变换器控制方法及系统，该方法包括：基于12扇区电流空间矢量调制策略，对双向AC‑DC矩阵变换器的输入信号进行调制处理，得到双向AC‑DC矩阵变换器的开关状态分布；通过网侧电压前馈控制策略对双向AC‑DC矩阵变换器进行控制处理，得到双向AC‑DC矩阵变换器的移相控制量关系式；对双向AC‑DC矩阵变换器的移相控制量关系式进行求解，得到双向AC‑DC矩阵变换器输出电流的限幅条件。该模块包括：调制模块、控制模块和求解模块。通过使用本发明，能够实现双向AC‑DC矩阵变换器网侧功率因数可调节并进一步提高直流侧输出电压的动态响应。本发明作为一种双向AC‑DC矩阵变换器控制方法及系统，可广泛应用于电力转换技术领域。

Description

一种双向AC-DC矩阵变换器控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电力转换技术领域，尤其涉及一种双向AC-DC矩阵变换器控制方法及系统。
背景技术
双向隔离型AC-DC矩阵变换器具有网侧功率因数可控、电能双向传输、功率密度高、电器隔离等特点，现有的双向隔离型AC-DC矩阵变换器的传统方案是采用非隔离三相AC-DC变换器与隔离型DC-DC变换器的两级式拓扑方案，其中，其特点是在两级之间需要解耦电容，而双向隔离型AC-DC矩阵变换器的调制策略主要是双线电压调制和电流空间矢量调制策略。双线电压调制策略是利用任意瞬间的两个线电压合成主电路的输出电压，这种调制策略抗干扰性较好，理论上输入电流与输入电压相位一致，可实现单位功率因数，但该调制策略中功率因数无法调节，当电网与变换器之间加入滤波电路，使得输入电压电流相位存在偏差，导致网侧功率因数下降，无法通过调节变换器的功率因数实现网侧单位功率因数。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种双向AC-DC矩阵变换器控制方法及系统，能够实现双向AC-DC矩阵变换器网侧功率因数可调节，并进一步提高直流侧输出电压的动态响应。
本发明所采用的第一技术方案是：一种双向AC-D℃矩阵变换器控制方法，包括以下步骤：
基于12扇区电流空间矢量调制策略，对双向AC-DC矩阵变换器的输入信号进行调制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布；
根据双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布，通过网侧电压前馈控制策略对双向AC-DC矩阵变换器进行控制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式；
根据双向AC-DC矩阵变换器移相控制量的有解条件对双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式进行求解，得到双向AC-DC矩阵变换器输出电流的限幅条件。
进一步，所述基于12扇区电流空间矢量调制策略，对双向AC-DC矩阵变换器的输入信号进行调制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布，其具体包括：
获取输入数据，所述输入数据包括双向AC-DC矩阵变换器的输入电压、双向AC-DC矩阵变换器输入电压与输入电流之间的位移角；
通过电流空间矢量调制策略对输入数据进行调制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的输入电流矢量；
对双向AC-DC矩阵变换器的输入电流矢量进行坐标转换处理，获取极坐标下双向AC-DC矩阵变换器的输入电压矢量与输入电流矢量；
根据极坐标下双向AC-DC矩阵变换器的输入电压矢量与输入电流矢量获取双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布。
进一步，基于输入电流矢量极坐标转换，所述极坐标下双向AC-DC矩阵变换器的输入电压矢量与输入电流矢量的表达式如下所示：
Figure BDA0003959218260000021
Figure BDA0003959218260000022
上式中，ui表示双向AC-DC矩阵变换器的输入电压矢量，ii表示双向AC-DC矩阵变换器的输入电流矢量，Ui表示输入的电压幅值，Ii表示输入的电流幅值，uia、uib和uic表示双向AC-DC矩阵变换器的输入端三相电压，ia、ib和ic表示双向AC-DC矩阵变换器的输入电流矢量。
进一步，所述基于双向AC-DC矩阵变换器输入电压与输入电流之间的位移角，其计算过程如下所示：
通过锁相环获取双向AC-DC矩阵变换器的网侧电压相角与网侧电流相角；
对网侧电压相角与网侧电流相角进行作差处理，得到网侧瞬时功率因数角；
给定网侧瞬时功率因数角的正弦函数值和瞬时功率角；
通过PI调节器对网侧瞬时功率因数角的正弦函数值和瞬时功率角进行作差处理，得到双向AC-DC矩阵变换器输入电压与输入电流之间的位移角。
进一步，所述双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布，其具体包括：
对极坐标下双向AC-DC矩阵变换器的输入电流矢量进行分区处理，得到各个扇区电流矢量；
根据输入数据信号占空比对各个扇区电流矢量进行调制，得到电流矢量夹角；
对极坐标下双向AC-DC矩阵变换器的输入电压矢量进行移相处理，得到各个扇区的开关驱动信号；
结合各个扇区的开关驱动信号与电流矢量夹角，输出双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布。
进一步，对于各扇区的电流矢量分区处理方法，以一、二扇区为例，位于这两扇区内的电流矢量的表达式如下所示：
ii *＝dαIab+dβIac+doIaa
上式中，ii *表示各个扇区电流矢量，Iab表示第一扇区的电流矢量，Iac表示第二扇区电流矢量，Iaa表示电流零矢量，dα表示第一占空比，dβ表示第二占空比，do表示零矢量占空比。
进一步，所述双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布，通过网侧电压前馈控制策略对双向AC-DC矩阵变换器进行控制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式，其具体包括：
根据双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布，对双向AC-DC矩阵变换器各个扇区的线电压进行拟合处理，得到电感瞬时电流；
对电感瞬时电流进行积分处理，得到三相输入电流；
将极坐标下双向AC-DC矩阵变换器的输入电流矢量代入三相输入电流进行求解，得到双向AC-DC矩阵变换器的输入电量矢量幅值；
基于双向AC-DC矩阵变换器的功率传输关系，对双向AC-DC矩阵变换器的输入电量矢量幅值进行分析，得到双向AC-DC矩阵变换器的平均输出电流；
结合极坐标下双向AC-DC矩阵变换器的输入电压矢量、输入电流矢量和双向AC-DC矩阵变换器的输入电量矢量幅值，得到双向AC-DC矩阵变换器的平均输出电流；
根据双向AC-DC矩阵变换器的平均输出电流，得到双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式。
进一步，所述双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式，具体包括整流时移相控制量和逆变时移相控制量，其关系式具体如下所示：
Figure BDA0003959218260000031
Figure BDA0003959218260000032
上式中，Φ表示双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量，Ts表示一个开关周期，L表示电感，idc表示双向AC-DC矩阵变换器的平均输出电流，Us表示双向AC-DC矩阵变换器的输入电压，
Figure BDA0003959218260000033
表示双向AC-DC矩阵变换器输入电压与输入电流之间的位移角。
进一步，根据双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量包括整流时移相控制量和逆变时移相控制关系式，所述整流时与逆变时的双向AC-DC矩阵变换器输出电流的限幅条件的表达式分别如下所示：
Figure BDA0003959218260000041
Figure BDA0003959218260000042
上式中，idc表示双向AC-DC矩阵变换器的平均输出电流，Ts表示一个开关周期，Us表示双向AC-DC矩阵变换器的输入电压。
本发明所采用的第二技术方案是：一种双向AC-DC矩阵变换器控制系统，包括：
调制模块，基于12扇区电流空间矢量调制策略，对双向AC-DC矩阵变换器的输入信号进行调制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布；
控制模块，用于根据双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布，通过网侧电压前馈控制策略对双向AC-DC矩阵变换器进行控制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式；
求解模块，用于根据双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量的有解条件对双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式进行求解，得到双向AC-DC矩阵变换器输出电流的限幅条件。
本发明方法及系统的有益效果是：本发明使用的调制策略是基于电流空间矢量调制并将输入的电流进行分区处理，推导出移相控制量与直流侧输出电流与网侧电压的关系，在现有电流空间矢量调制和单重移相协同控制的基础上提出了一种网侧电压前馈的网侧电压前馈控制策略，直流电压侧采用网侧电压前馈的控制，使得在网侧功率因数可调的同时，直流侧输出电压有更好的动态响应。
附图说明
图1是本发明一种双向AC-DC矩阵变换器控制方法的步骤流程图；
图2是本发明一种双向AC-DC矩阵变换器控制系统的结构框图；
图3是传统传统两级式双向隔离型AC-DC矩阵变换器的拓扑结构示意图；
图4是传统单级式双向隔离型AC-DC矩阵变换器的拓扑结构示意图；
图5是本发明双向AC-DC矩阵变换器的拓扑结构示意图；
图6是本发明双向AC-DC矩阵变换器的扇区划分示意图；
图7是本发明双向AC-DC矩阵变换器电流矢量合成示意图；
图8是本发明双向AC-DC矩阵变换器在整流模式下原副边电压及电感电流波形输出示意图；
图9是本发明双向AC-DC矩阵变换器的第一扇区各开关管驱动信号的示意图；
图10是本发明在整流模式下改进型双向AC-DC矩阵变换器控制的框架示意图；
图11是本发明在逆变模式下改进型双向AC-DC矩阵变换器控制的框架示意图；
图12是本发明在整流模式下基于改进型控制下输出电压动态响应的示意图；
图13是本发明在整流模式下基于改进型控制下对应网侧A相输入电压与电流的示意图；
图14是在整流模式下通过传统方法即传统电压闭环控制下输出电压动态响应的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
双向隔离型AC-DC矩阵变换器的传统方案是采用非隔离三相AC-DC变换器与隔离型DC-DC变换器的两级式拓扑方案，如图3所示，其特点是在两级之间需要解耦电容。双向隔离型AC-DC矩阵变换器的现有拓扑方案如图4所示，与传统方案相比，其消除了两级间的解耦电容和DC-DC变换器，使得功率密度更高，但该调制策略中功率因数无法调节。
参照图1，本发明提供了一种双向AC-DC矩阵变换器控制方法，该方法包括以下步骤：
本发明提出了一种双向AC-DC变换器网侧电压前馈控制策略，其中双向AC-DC变换器拓扑结构示意图如图5所示，主要由三相交流电源、网侧LC滤波器、矩阵变化电路、高频变压器、H桥电路、输出直流侧构成；其中网侧LC滤波器用于滤除高频开关动作产生的高频电流谐波，防止注入电网造成干扰，矩阵变换电路是由12个MOSFET管以共源极连接的形式构成的6组双向开关管(Sap、Sbp、Scp、San、Sbn、Scn)组成实现三相工频交流到单相高频交流的转换，H桥电路电路由4个MOSFET管(S1、S2、S3、S4)组成，实现单相高频交流到直流的转换。
S1、基于12扇区电流空间矢量调制策略，对双向AC-DC矩阵变换器的输入信号进行调制处理；
具体地，由于矩阵变换器的输入侧为三相交流电压源，故禁止发生短路现象，而矩阵变换器的输出侧接变压器的一侧，其电流不能突然中断，故禁止发生开路现象，因此在同一时刻，同一桥臂上的功率开关管禁止同时导通，考虑这些约束，矩阵变换器9种有效开关状态如表1所示；
表1基本矢量开关模式
Figure BDA0003959218260000051
Figure BDA0003959218260000061
本发明采用电流空间矢量调制策略，设矩阵变换器输入的三相电压的如下所示：
Figure BDA0003959218260000062
上式中，uia、uib和uic表示双向矩阵变换器的输入电压，Ui表示网侧输入相电压幅值，ωi表示网侧输入电压角频率；
若已知矩阵变换器输入电压与输入电流之间的位移角
Figure BDA0003959218260000063
在任意一个PWM周期内，采用电流空间矢量调制得到的矩阵变换器输入电流矢量如下所示：
Figure BDA0003959218260000064
上式中，ia、ib和ic表示经电流空间矢量调制后得到的矩阵变换器的三相输入电流矢量，Ii表示输入相电流幅值，
Figure BDA0003959218260000065
表示矩阵变换器输入电压与输入电流之间的位移角；
结合矩阵变换器输入的三相电压与矩阵变换器输入电流矢量可得极坐标系下参考输入电压ui和参考输入电流ii空间矢量形式分别表示为：
Figure BDA0003959218260000066
Figure BDA0003959218260000067
上式中，Ui表示输入相电压幅值，Ii表示输入相电流幅值，αi表示网侧电压相位角，βi表示参考输入电流ii的相位角，ui表示极坐标系下参考输入电压，ii表示极坐标系下参考输入电流；
进一步，根据网侧电压相位角和参考输入电流ii的相位角的关系，可知在一个开关周期内，可以通过控制βi进而控制所需输入电流矢量ii来实现功率因数PF的调节，其中，所述网侧电压相位角和参考输入电流ii的相位角的关系如下所示：
Figure BDA0003959218260000071
在极坐标系下，根据电流矢量可将空间分为12个扇区如图6所示，这样划分的好处是使得在每一扇区内都用最大和次大的线电压来拟合成，从而提高了电压的利用率，各扇区在极坐标系下的角度如表2所示；
表2扇区与参考电流矢量角度关系
扇区 角度(°) 扇区 角度(°)
1 330～360 7 150～180
2 0～30 8 180～210
3 30～60 9 210～240
4 60～90 10 240～270
5 90～120 11 270～300
6 120～150 12 300～330
扇区1、扇区2都可以由电流矢量Iab、Iac以及零矢量来合成，以扇区1为例，如图7所示，即ii *可以表示为：
ii *＝dαIab+dβIac+doIaa
上式中，ii *表示各个扇区电流矢量，Iab表示第一扇区的电流矢量，Iac表示第二扇区电流矢量，Iaa表示电流零矢量，dα表示第一占空比，dβ表示第二占空比，do表示零矢量占空比；
进一步占空比满足占空比条件式，其表示如下：
Figure BDA0003959218260000072
上式中，m表示电流调制系数，且
Figure BDA0003959218260000073
θi表示参考电流矢量ii *和扇区n逆时针方向上第一个有效矢量的夹角，如下所示：
Figure BDA0003959218260000074
上式中，
Figure BDA0003959218260000081
n表示扇区信号；
为防止高频变压器磁饱和，变压器两侧电压需要满足伏秒平衡，即要求在每个开关周期内的up、us的平均值为零，故采用如图8所示的调制方式(以整流模式为例)，类似于DAB，变压器两边电压可以看成两个正负对称的方波，在原边up的两个对称方波上施加等比例的移相角可以实现功率大小和功率方向的控制，定义
Figure BDA0003959218260000082
为移相角、
Figure BDA0003959218260000083
为移相比、在第一个对称方波的移相作用时间
Figure BDA0003959218260000084
在第二个对称的方波的移相作用时间为
Figure BDA0003959218260000085
在整流模式下移相角的范围为
Figure BDA0003959218260000086
则移相比的的范围为0≤δ≤1，在逆变模式下移相角的范围为
Figure BDA0003959218260000087
则移相比的的范围为-1≤δ≤0，所以一个开关周期Ts可以分为就9段，每个时间节点如下所示：
Figure BDA0003959218260000088
从而可以得到第一扇区各开关管的驱动信号，其中sap～scn为矩阵变换器六个双向开关管的驱动信号，s1～s4是H桥变换器中开关管的驱动信号，如图9所示，其中，图9中分析是当参考电流矢量ii *位于第一扇区时矩阵变换器开关驱动信号关系，根据电流空间矢量调制原理可知，当电流参考矢量ii *位于其他扇区时，驱动信号X1、Y1、Z1、X2、Y2和Z2与第一扇区具有相同的形式，只是作用于不同的开关，表3为不同扇区下矩阵变换电路的驱动信号，而H桥变换器的驱动信号与扇区无关；
表3不同扇区下矩阵变换电路各开关的驱动信号
Figure BDA0003959218260000089
Figure BDA0003959218260000091
S2、通过网侧电压前馈控制策略对双向AC-DC矩阵变换器进行控制处理；
具体地，本发明的改进的控制策略框图如图10和图11所示，具体步骤为：网侧通过锁相环分别得到网侧电压和网侧电流的相角θus、θis，两者作差得到网侧瞬时功率因数角，给定的功率因数角θref的正弦函数值和瞬时功率角作差经过PI调节器得到空间矢量调制所需要的相角，即
Figure BDA0003959218260000092
直流电压侧采用网侧电压前馈的控制，具体步骤为：给定的输出电压值和对输出电压进行采样得到的值作差，得到直流电流指令值idc *，根据输出电流与网侧电压的关系，引入网侧电压前馈控制，进而计算得到相应的移相比Φ，最终实现直流侧的恒压，输出电流与移相比和网侧电压的关系式在本节将详细推导；
对矩阵变换器的传输功率进行分析，假设在理想情况下传输效率为100％，即假设输入和输出的有功功率相等，由图8可知电感电流的表达式可由下式表示：
Figure BDA0003959218260000101
根据前面调制原理十二扇区的划分，可知每个扇区都由最大和次大的线电压来拟合输出，式中，表示一个扇区中线电压最大的，如第一扇区为，表示一个扇区中线电压为次大的，如第一扇区为一个开关周期电感电流的初始值，L为高频变压器上的功率电感；
图8中的电感电流是由三相输入电流合成，不同的时间段里，对电感上的瞬时电流值进行积分可得一个周期内三相输入电流表达式如下所示：
Figure BDA0003959218260000102
进一步，联立占空比条件式、时间节点表达式、电感电流的表达式和一个周期内三相输入电流表达式，解方程并化简得一个周期内三相输入电流表达式如下所示：
Figure BDA0003959218260000103
将一个周期内三相输入电流表达式代入参考输入电流ii空间矢量形式可得到矩阵变换电路输入侧电流电流矢量幅值为：
Figure BDA0003959218260000111
假设功率转换过程中的损耗为零时，则一个开关周期Ts内的平均输出电流为：
Figure BDA0003959218260000112
由极坐标系下参考输入电压的表达式、极坐标系下参考输入电流的表达式、矩阵变换电路输入侧电流电流矢量幅值的表达式可得网侧有功功率Pi和无功功率Qi为：
Figure BDA0003959218260000113
由一个开关周期Ts内的平均输出电流的表达式可知H桥变换器输出功率为矩阵变换器输入和输出端功率平衡，可知矩阵变换器输入和输出端功率平衡，其表达式为：
Figure BDA0003959218260000114
根据一个开关周期Ts内的平均输出电流的表达式可得到移相控制量Φ在整流时的关系为：
Figure BDA0003959218260000115
其中
Figure BDA0003959218260000116
且移相控制量有解的条件为：
Figure BDA0003959218260000117
解得输出电流idc的限幅条件为：
Figure BDA0003959218260000118
同理可推出移相控制量在逆变时的关系为：
Figure BDA0003959218260000119
其中
Figure BDA00039592182600001110
且移相控制量有解的条件为：
Figure BDA00039592182600001111
解得输出电流idc的限幅条件为：
Figure BDA00039592182600001112
限幅条件在控制实现中保证所求的移相控制量有解。
参照图2，一种双向AC-DC矩阵变换器控制系统，包括：
调制模块，基于12扇区电流空间矢量调制策略，对双向AC-DC矩阵变换器的输入信号进行调制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布；
控制模块，用于根据双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布，通过网侧电压前馈控制策略对双向AC-DC矩阵变换器进行控制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式；
求解模块，用于根据双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量的有解条件对双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式进行求解，得到双向AC-DC矩阵变换器输出电流的限幅条件。
本发明的仿真模拟实验如下所示：
为了验证本发明提出的网侧电压前馈控制策略在现有电流空间调制和单重移相协同控制基础上能进一步改善直流侧输出电压的动态响应，在Matlab的Simulink平台搭建了两个仿真模型对比，其中输出侧负载用可变电流源模拟负载的变化，具体仿真模型的输入输出指标为：输入三相交流电压为220V、50Hz，恒压输出DC600V，最大功率为25kw；图12是本发明提出的网侧电压前馈控制策略在整流模式负载端在满载时、50％负载以及25％负载时输出电压的动态特性，图13是对应的网侧A相的输入电压、输入电流波形图，在负载变化时，网侧通过控制功率因数角仍能使得功率因数接近1，图14是相同参数下直流侧用传统的电压闭环环控制下的输出电压动态特性，经过比较，本发明提出的控制策略在负载变化时恢复到恒压状态约为0.025秒，而在传统的电压闭环控制策略在负载变化时恢复到恒压状态约为0.05秒，故验证了本发明方法的可行性和优良效果。
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种双向AC-DC矩阵变换器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于12扇区电流空间矢量调制策略，对双向AC-DC矩阵变换器的输入信号进行调制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布；
根据双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布，通过网侧电压前馈控制策略对双向AC-DC矩阵变换器进行控制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式；
根据双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量的有解条件对双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式进行求解，得到双向AC-DC矩阵变换器输出电流的限幅条件。
2.根据权利要求1所述一种双向AC-D℃矩阵变换器控制方法，其特征在于，所述基于12扇区电流空间矢量调制策略，对双向AC-DC矩阵变换器的输入信号进行调制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布，其具体包括：
获取输入数据，所述输入数据包括双向AC-DC矩阵变换器的输入电压、双向AC-DC矩阵变换器输入电压与输入电流之间的位移角；
通过电流空间矢量调制策略对输入数据进行调制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的输入电流矢量；
对双向AC-DC矩阵变换器的输入电流矢量进行坐标转换处理，获取极坐标下双向AC-DC矩阵变换器的输入电压矢量与输入电流矢量；
根据极坐标下双向AC-DC矩阵变换器的输入电压矢量与输入电流矢量获取双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布。
3.根据权利要求2所述一种双向AC-DC矩阵变换器控制方法，其特征在于，基于输入电流矢量极坐标转换，所述极坐标下双向AC-DC矩阵变换器的输入电压矢量与输入电流矢量的表达式如下所示：
Figure FDA0003959218250000011
Figure FDA0003959218250000012
上式中，ui表示双向AC-DC矩阵变换器的输入电压矢量，ii表示双向AC-DC矩阵变换器的输入电流矢量，Ui表示输入的电压幅值，Ii表示输入的电流幅值，uia、uib和uic表示双向AC-DC矩阵变换器的输入端三相电压，ia、ib和ic表示双向AC-DC矩阵变换器的输入电流矢量。
4.根据权利要求2所述一种双向AC-DC矩阵变换器控制方法，其特征在于，所述基于双向AC-DC矩阵变换器输入电压与输入电流之间的位移角，其计算过程如下所示：
通过锁相环获取双向AC-DC矩阵变换器的网侧电压相角与网侧电流相角；
对网侧电压相角与网侧电流相角进行作差处理，得到网侧瞬时功率因数角；
给定网侧瞬时功率因数角的正弦函数值和瞬时功率角；
通过PI调节器对网侧瞬时功率因数角的正弦函数值和瞬时功率角进行作差处理，得到双向AC-DC矩阵变换器输入电压与输入电流之间的位移角。
5.根据权利要求2所述一种双向AC-DC矩阵变换器控制方法，其特征在于，所述双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布，其具体包括：
对极坐标下双向AC-D℃矩阵变换器的输入电流矢量进行分区处理，得到各个扇区电流矢量；
根据输入数据信号占空比对各个扇区电流矢量进行调制，得到电流矢量夹角；
对极坐标下双向AC-DC矩阵变换器的输入电压矢量进行移相处理，得到各个扇区的开关驱动信号；
结合各个扇区的开关驱动信号与电流矢量夹角，输出双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布。
6.根据权利要求5所述一种双向AC-DC矩阵变换器控制方法，其特征在于，对于各扇区的电流矢量分区处理方法，以一、二扇区为例，位于这两扇区内的电流矢量的表达式如下所示：
ii *＝dαIab+dβIac+doIaa
上式中，ii *表示各个扇区电流矢量，Iab表示第一扇区的电流矢量，Iac表示第二扇区电流矢量，Iaa表示电流零矢量，dα表示第一占空比，dβ表示第二占空比，do表示零矢量占空比。
7.根据权利要求1所述一种双向AC-DC矩阵变换器控制方法，其特征在于，所述双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布，通过网侧电压前馈控制策略对双向AC-DC矩阵变换器进行控制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式，其具体包括：
根据双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布，对双向AC-DC矩阵变换器各个扇区的线电压进行拟合处理，得到电感瞬时电流；
对电感瞬时电流进行积分处理，得到三相输入电流；
将极坐标下双向AC-DC矩阵变换器的输入电流矢量代入三相输入电流进行求解，得到双向AC-DC矩阵变换器的输入电量矢量幅值；
基于双向AC-DC矩阵变换器的功率传输关系，对双向AC-DC矩阵变换器的输入电量矢量幅值进行分析，得到双向AC-DC矩阵变换器的平均输出电流；
结合极坐标下双向AC-DC矩阵变换器的输入电压矢量、输入电流矢量和双向AC-DC矩阵变换器的输入电量矢量幅值，得到双向AC-DC矩阵变换器的平均输出电流；
根据双向AC-DC矩阵变换器的平均输出电流，得到双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式。
8.根据权利要求7所述一种双向AC-DC矩阵变换器控制方法，其特征在于，所述双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式，具体包括整流时移相控制量和逆变时移相控制量，其关系式具体如下所示：
Figure FDA0003959218250000031
Figure FDA0003959218250000032
上式中，Φ表示双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量，Ts表示一个开关周期，L表示电感，idc表示双向AC-DC矩阵变换器的平均输出电流，Us表示双向AC-DC矩阵变换器的输入电压，
Figure FDA0003959218250000033
表示双向AC-DC矩阵变换器输入电压与输入电流之间的位移角。
9.根据权利要求8所述一种双向AC-DC矩阵变换器控制方法，其特征在于，根据双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量包括整流时移相控制量和逆变时移相控制关系式，所述整流时与逆变时的双向AC-DC矩阵变换器输出电流的限幅条件的表达式分别如下所示：
Figure FDA0003959218250000034
Figure FDA0003959218250000035
上式中，idc表示双向AC-DC矩阵变换器的平均输出电流，Ts表示一个开关周期，Us表示双向AC-DC矩阵变换器的输入电压。
10.一种双向AC-DC矩阵变换器控制系统，其特征在于，包括以下模块：
调制模块，基于12扇区电流空间矢量调制策略，对双向AC-DC矩阵变换器的输入信号进行调制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布；
控制模块，用于根据双向AC-DC矩阵变换器的开关状态分布，通过网侧电压前馈控制策略对双向AC-DC矩阵变换器进行控制处理，得到双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式；
求解模块，用于根据双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量的有解条件对双向AC-DC矩阵变换器的移相控制量关系式进行求解，得到双向AC-DC矩阵变换器输出电流的限幅条件。
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