一種適用于矩陣變換器的改進(jìn)型不對(duì)稱調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種適用于矩陣變換器的改進(jìn)型不對(duì)稱調(diào)制方法，特別是涉及一種能 夠克服矩陣變換器傳統(tǒng)不對(duì)稱調(diào)制方法引起的輸入電流諧波缺點(diǎn)的改進(jìn)型不對(duì)稱調(diào)制方 法，屬于電力電子技術(shù)和控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，矩陣變換器（matrixconverter，MC)或由其發(fā)展而來(lái)的雙級(jí)式矩陣變換 器（twostagematrixconverter，TSMC)，獲得了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛而持續(xù)的關(guān)注和研宄，具 有結(jié)構(gòu)緊湊、開(kāi)關(guān)損耗低、功率密度高等顯著優(yōu)點(diǎn)。
[0003] MC和TSMC的調(diào)制策略一直是相關(guān)研宄領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，現(xiàn)有的調(diào)制策略包括 Alesina-Venturini調(diào)制法、雙空間矢量調(diào)制法、雙線電壓合成法和載波調(diào)制法等。這些調(diào) 制方法的共同本質(zhì)是，通過(guò)功率器件的通斷控制，將連續(xù)的輸入電壓轉(zhuǎn)換為一系列斷續(xù)的 電壓脈沖以合成期望的輸出電壓，同時(shí)將連續(xù)的輸出電流轉(zhuǎn)換為一系列斷續(xù)的電流脈沖以 合成期望的輸入電流。特別地，這些調(diào)制過(guò)程一般都具有周期性，控制器按照一定的周期檢 測(cè)相關(guān)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，并根據(jù)一定的數(shù)學(xué)公式或控制方法計(jì)算當(dāng)前周期內(nèi)每個(gè)開(kāi) 關(guān)管的占空比和開(kāi)關(guān)切換時(shí)刻。根據(jù)調(diào)制周期內(nèi)，輸出電壓和輸入電流脈沖波形關(guān)于調(diào)制 周期中線的對(duì)稱性，可將調(diào)制方式分為對(duì)稱調(diào)制和不對(duì)稱調(diào)制。這種對(duì)稱性只與脈沖的分 布形式相關(guān)，而與調(diào)制策略無(wú)關(guān)。
[0004] 在相同的采樣調(diào)制頻率下，對(duì)稱調(diào)制的開(kāi)關(guān)次數(shù)是不對(duì)稱調(diào)制的兩倍；同時(shí)其脈 沖分段數(shù)較多，分布較散，相比于不對(duì)稱調(diào)制的脈沖集中分布形式，產(chǎn)生窄脈沖的概率更 大，對(duì)窄脈沖的丟棄或擴(kuò)大等處理，也會(huì)引起畸變，降低波形質(zhì)量。而傳統(tǒng)不對(duì)稱調(diào)制的問(wèn) 題在于由于脈沖波形的位置在每個(gè)調(diào)制周期內(nèi)連續(xù)變化，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的輸出電壓和輸入電 流波形與期望值不符，產(chǎn)生一定程度的諧波和畸變，對(duì)于這一點(diǎn)，由秦顯慧、周波、魏佳丹等 在電氣和電子工程師協(xié)會(huì)-工業(yè)電子學(xué)報(bào)上發(fā)表的《雙級(jí)矩陣變換器在不對(duì)稱調(diào)制下的畸 變分析和占空比校正算法》，提出了一種"脈沖重心"的概念和相關(guān)理論，對(duì)矩陣變換器的相 關(guān)波形因脈沖重心的波動(dòng)而產(chǎn)生畸變的機(jī)理作了詳細(xì)的闡述，并提出了一種占空比校正算 法以改善輸出電壓和輸入電流波形，但該算法過(guò)于復(fù)雜，且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性較強(qiáng)。因此， 找到一種新的改進(jìn)方法，使其既能夠發(fā)揮不對(duì)稱調(diào)制的開(kāi)關(guān)次數(shù)少和窄脈沖少等優(yōu)點(diǎn)，又 能夠盡量降低輸入和輸出側(cè)的諧波畸變程度，對(duì)MC或TSMC的應(yīng)用推廣，具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種適用于矩陣變換器的改進(jìn)型不對(duì)稱調(diào)制 方法，通過(guò)調(diào)整扇區(qū)劃分規(guī)則、修正整流級(jí)輸入電流空間矢量占空比和跨周期式的脈沖分 配方式，抑制了輸入電流的諧波畸變程度，改善了輸入電流的波形質(zhì)量。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種適用于矩陣變換器的改進(jìn)型不對(duì)稱調(diào)制方法，包括對(duì)整流級(jí)和逆變級(jí)的空間 矢量調(diào)制，對(duì)整流級(jí)的空間矢量調(diào)制，采用移位90°的等腰三角形載波，且該等腰三角形載 波的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)調(diào)制周期八的1/4和3/4處，調(diào)制波為4(1 +忒-之），其值 2 在載波的最低點(diǎn)更新，將調(diào)制波與等腰三角形載波交截產(chǎn)生的PWM信號(hào)作為整流級(jí)的脈寬 調(diào)制信號(hào)，切換輪流參與調(diào)制的兩個(gè)空間矢量1和12，將空間矢量1和12的脈沖重心e:和 e2固定為
[0008] 對(duì)逆變級(jí)的空間矢量調(diào)制，采用分別移位90°和270°的單邊鋸齒載波，其 中90 °單邊據(jù)齒載波與調(diào)制波^~[丨+ 4 (6'2 +戈)]、^丨.1 + 4 (52 -4)]和^'[1 -4⑷4)] 交截產(chǎn)生PWM信號(hào)，形成U2-IJPU兩個(gè)脈沖；270 °單邊鋸齒載波與調(diào)制波 |[1 +之⑷+&)]、+[1 +A⑷-反)]和i[l-之⑷+4)]交截產(chǎn)生PWM信號(hào)，形成仏_12和 U2_I2兩個(gè)脈沖；
[0009] 其中，今、大分別為整流級(jí)參與調(diào)制的兩個(gè)空間矢量Ip12對(duì)應(yīng)的占空比，S^ S2分別為逆變級(jí)參與調(diào)制的兩個(gè)空間矢量UpUJ#應(yīng)的占空比。
[0010] 優(yōu)選的，在單個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，所述整流級(jí)參與調(diào)制的兩個(gè)空間矢量Ip12脈沖的上 升沿和下降沿，以及逆變級(jí)參與調(diào)制的兩個(gè)空間矢量UpUjt沖的上升沿和下降沿時(shí)刻分 別如下： t 1
11
[0017] 優(yōu)選的，所述整流級(jí)參與調(diào)制的兩個(gè)空間矢量Ip12對(duì)應(yīng)的占空比4、之的計(jì)算 公式為：
[0018]
[0019] 其中，m,為整流級(jí)的調(diào)制比，r為與扇區(qū)號(hào)有關(guān)的符號(hào)函數(shù)，九為扇區(qū)劃分規(guī)則 下的扇區(qū)角，win為輸入電壓角頻率。
[0020] 優(yōu)選的，所述扇區(qū)劃分規(guī)則如下：
[0021] L H
OH
[0022] 其中，表不劃分的扇區(qū)號(hào)，0in為輸入電壓電角度，且-31〈 0 in〈Ji。
[0023] 優(yōu)選的，所述與扇區(qū)號(hào)有關(guān)的符號(hào)函數(shù)r的取值為
[0024] 優(yōu)選的，所述扇區(qū)劃分規(guī)則下的扇區(qū)角I的取值為：
[0025] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0026] 本發(fā)明適用于矩陣變換器的改進(jìn)型不對(duì)稱調(diào)制方法，既保持了不對(duì)稱調(diào)制的開(kāi)關(guān) 次數(shù)少和窄脈沖少等優(yōu)點(diǎn)，又能夠盡量降低輸入電流的諧波畸變程度，具有重要的實(shí)用價(jià) 值。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0028] 圖2是傳統(tǒng)方法下逆變級(jí)空間矢量扇區(qū)劃分示意圖。
[0029] 圖3是傳統(tǒng)方法下整流級(jí)空間矢量扇區(qū)劃分示意圖。
[0030] 圖4是傳統(tǒng)方法下整流級(jí)占空比隨矢量角變化的示意圖。
[0031] 圖5是傳統(tǒng)方法下單個(gè)周期內(nèi)整流級(jí)和逆變級(jí)的空間矢量典型分布示意圖。
[0032] 圖6是傳統(tǒng)方法下整流級(jí)空間矢量在調(diào)制周期內(nèi)的分布位置隨扇區(qū)角變化示意 圖。
[0033] 圖7是本發(fā)明方法下整流級(jí)空間矢量扇區(qū)劃分示意圖。
[0034] 圖8是本發(fā)明方法下整流級(jí)占空比隨矢量角變化的示意圖。
[0035] 圖9是本發(fā)明方法下單個(gè)周期內(nèi)整流級(jí)和逆變級(jí)的空間矢量典型分布示意圖。
[0036] 圖10是本發(fā)明方法下整流級(jí)空間矢量在調(diào)制周期內(nèi)的分布位置隨扇區(qū)角變化示 意圖。
[0037] 圖11是本發(fā)明方法所采用的調(diào)制載波示意圖。
[0038] 圖12是傳統(tǒng)方法下矩陣變換器輸入電流波形圖。
[0039] 圖13是本發(fā)明方法下矩陣變換器輸入電流波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參 考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0041] 雙級(jí)式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，而單級(jí)式矩陣變換器也可以虛擬化為 該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，整流級(jí)為雙向開(kāi)關(guān)，逆變級(jí)為單向開(kāi)關(guān)，輸入端接至三相正弦交流電源， 并接入LC濾波器以濾除高頻諧波，輸出側(cè)接入RL負(fù)載。
[0042] 矩陣變換器的作用在于通過(guò)所有器件的開(kāi)關(guān)調(diào)制，將輸入三相電壓轉(zhuǎn)換為指定頻 率和幅值的三相輸出電壓為負(fù)載供電，同時(shí)將負(fù)載電流轉(zhuǎn)換為三相輸入電流。設(shè)三相輸入 電壓和期望三相輸出電壓分別為Uin和U其幅值分別為uim和uM，電角頻率分別為《 in和 ?。，如下：
[0043]
[0044] 其中0o=wot+史。-2g7r，h和g為整數(shù)，并使得9 &和9。處于 [-31，31 )范圍內(nèi)。
[0045] (一）傳統(tǒng)的雙空間矢量調(diào)制方法
[0046] -般地，三相輸入電流的給定值與輸入電壓保持相位相同，而輸入電流的幅值Iim 是由負(fù)載電流決定，如下：
[0047]
[0048] 通過(guò)坐標(biāo)變換，可轉(zhuǎn)換為在平面內(nèi)以角速度《。旋轉(zhuǎn)的空間矢量。逆變級(jí)6個(gè) 開(kāi)關(guān)管的通斷狀態(tài)可用元素全為0或1的3X2矩陣表示，全部有效開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合共有8種， 分別為：
[0049]
[0050] 其中，UVII和UVIII為零矢量，而U:~UVI為靜止空間矢量。六個(gè)非零靜止空間矢量 將平面分為6個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)號(hào)用隊(duì)（=I，II~VI)表示，如圖2所示。處于不同扇區(qū)時(shí)， 需選擇不同的靜止空間矢量，將被選中的兩個(gè)靜止空間矢量記為仏和U2。隊(duì)、仏和U2的判 斷方法如下：
[0051]
[0052] -個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，UJPU2各自分為兩段脈沖，其總占空比記為SS2，其計(jì)算 公式為：
[0053]
[0054] 其中，nii為逆變級(jí)調(diào)制比；扇區(qū)角
[0055]同樣地，通過(guò)坐標(biāo)變換，Iin#可轉(zhuǎn)換為在平面內(nèi)以角速度《in旋轉(zhuǎn)的空間矢量。整 流級(jí)6個(gè)開(kāi)關(guān)管的通斷狀態(tài)可用元素全為0或1的2X3矩陣表示，全部有效開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合 共有9種，分別為：

[0057] 其中，IVII、IVIII和I1)(為零矢量，而I 1"為靜止空間矢量，將空間矢量平面分為 6個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)號(hào)用隊(duì)（=I，II~VI)表示，如圖3所示。Iin#處于不同扇區(qū)時(shí)，需選擇不同 的靜止空間矢量，將被選中的兩個(gè)靜止空間矢量記為1和I2。隊(duì)、IJP12的判斷方法如下：
[0059] -個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，：^和I2的占空比記為〇 1和〇 2，其計(jì)算公式為：
[0060]
>，
[0061] 其中，n〇J整流級(jí)調(diào)制比；扇區(qū)角
[0062]輸入電流空間矢量角度0 &在[-31，區(qū)間連續(xù)變化時(shí)，0 1和0 2的取值變化 如圖4所示。而在某個(gè)不特定的調(diào)制周期內(nèi)，整流級(jí)和逆變級(jí)的空間矢量分布如圖5所示。 其中整流級(jí)在輸出