矩阵变换器按电压型换流策略控制换流的方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，特别是涉及一种用于矩阵变换器的按电压型换流策略控制换流的方法。

背景技术

矩阵变换器是一种具有优良的输入输出特性的新型交-交直接变换器。它无需大容量的贮能元件；可使输入电流正弦，输入功率因数理论上可达±1并可自由调节，且与负载的功率因数无关；输出电压的频率和幅值可调，输出频率可高于或低于输入频率。特别是其功率可双向流动，具有四象限运行能力。

图1是典型的三相矩阵变换器拓扑结构图。三相矩阵变换器1由九个双向开关2按3×3开关矩阵形式构成，通过控制九个双向开关2可以使输出相A、B、C与任意一个输入相a、b、c直接连接。双向开关2一般选用两个绝缘栅极双极晶体管(IGBT)通过“共发射极”或“共集电极”方式组成。

图3表示矩阵变换器的输出相A通过三组双向功率开关与输入三相a、b、c相连，其中每组双向功率开关由两个IGBT通过“共发射极”组成。如果两个IGBT同时开通，可使电流向两个方向流动。

根据输入电流和输出电压的双空间矢量间接调制策略(space vectorindirect modulation strategy)，可以将矩阵变换器等效成虚拟的交-直-交变换器，其中的直流环节是虚拟的，然后分别利用空间矢量调制技术实现虚拟整流和虚拟逆变，最后将两者综合，得到所需的调制函数矩阵，实现一次变换。在矩阵变换过程中需要将输入相电压划分为6个区间，即ISECTOR(输入电压区间)，如图2(a)所示。将输出线电压划分为6个区间，即VSECTOR(输出电压区间)，如图2(b)所示。

当矩阵变换器的输出相从一个输入相切换到另一输入相时，为了保证在换流过程中输入相不短路以及输出相不开路，必须严格规定双向开关的换流步骤和时间。许多文献提出了各种换流策略，但基本上都是基于输出电流方向或输入相电压大小来决定换流策略的。不管采用电流型换流策略还是电压型换流策略，都存在需要精确检测出输出电流方向或输入相电压相对大小的缺陷。因此，双向开关安全、可靠、快速的换流策略是矩阵变换器实用化的关键技术之一。

Jochen Mahlein等人在2002年公开发表的论文“Matrix ConverterCommutation Strategies With and Without Explicit Input VoltagesSign Measurement”(一种不依赖对输入电压精确测量的矩阵变换器换流策略)中针对空间矢量间接调制策略提出了一种基于电压型换流策略的换序法。该方法通过对空间矢量间接调制策略在每个调制周期内五种开关状态的次序进行调整，在每个电压区间ISECTOR内，选择绝对值最大的输入相做零矢量(三个输出相A、B、C同时接到某个相同的输入相a、b或c上，输出线电压为零，这种开关状态称之为零矢量)，并把零矢量插入到电压值较接近且会发生换流的两输入相之间，成功避开了在电压值接近的两输入相之间发生直接换流，克服了电压型换流策略需精确检测输入电压的缺陷。基于换序法而调整五种开关状态次序的状态组合如表-1。

表-1

表-1中T₁、T₂、T₀、T₃和T₄表示空间矢量间接调制策略在每个调整周期内五种开关状态，三个一组的字母表示某一种开关状态的具体组合。第一个字母表示与矩阵变换器的输出相A连接的输入相；第二个字母表示与矩阵变换器的输出相B连接的输入相；第三个字母表示与矩阵变换器的输出相C连接的输入相。例如，开关状态abb表示：矩阵变换器的输出相A与输入相a连接，输出相B和输出相C与输入相b连接。T₀表示零矢量开关状态，共有三种零矢量：aaa、bbb和ccc，因为输出三相都连接到相同的输入相，三相输出线电压都为零。从表-1中可知，每个输入电压区间ISECTOR的零矢量T₀选择的输入相都是此区间内绝对值最大的输入相。例如ISECTOR＝1时，绝对值最大的输入相是a相，零矢量T₀的开关状态为aaa，其它区间选择零矢量的原则也是如此。如果载波采用三角波，那么在一个载波周期内，选择开关状态的次序是：T₁→T₂→T₀→T₃→T₄→T₄→T₃→T₀→T₂→T₁，周而复始，图5(a)表示ISECOTRxVSECTOR＝1x1在连续两个周期内的换流状态，从图2(a)所知：ISECTOR＝1时，电压值较接近的两相是b相和c相，从图5(a)可知，b相和c相不会发生直接换流，中间插入了零矢量aaa，b相和c相只能直接和a相发生换流。这样就成功避免了电压值接近的输入相之间发生直接换流的可能。由于只调整开关状态的次序，矩阵变换器的输入电流和输出电压的平均值在一个载波周期内保持不变。

但是，基于表-1的控制策略存在以下缺点：(1)为了避免电压值比较接近的两相之间发生换流，在两者之间插入了零矢量T₀，零矢量T₀选择的是电压值最大的输入相，导致输出相的共模电压最大；(2)在每个ISECTOR里，总是有某输出相一直连接到电压值最大的输入相。虽然总的开关次数减小，但是每个开关的开关频率是变化的，在开关频率低时，导致电机的电磁噪声较大。(3)由于零矢量T₀的插入，直接换流的输入相之间的电压差比较大，导致输出线电压的阶跃值总是最大，造成电机线圈输入端之间及矩阵变换器的双向开关之间的微浪涌冲击电压最大。(4)在开关状态T₁和T₄时易出现小脉冲，小脉冲易引起换流出错。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种矩阵变换器按电压型换流策略控制换流的方法，能够降低输出相的共模电压，避免小脉冲可能导致的输入电压短路，减小电机的电磁噪声。

为解决上述技术问题，本发明的矩阵变换器按电压型换流策略控制换流的方法是：在每个输入电压区间内，实时选择不同的零矢量及其对应的持续时间；当直接换流的两输入相的幅值比较接近时，选择零矢量T₀₂，持续时间为t_d，否则不需选择零矢量T₀₂；其中，t_d为双向开关的死区时间，零矢量T₀₂为三相输出直接连接到绝对值最大的输入相(与表-1中零矢量T₀状态相同)。

本发明根据输入电压的检测值，选择最佳的零矢量组合及其持续时间，不仅避免了电压值接近的两输入相发生直接换流，降低了检测输入相的精度要求，避免了小脉冲的电压输出及可能导致的输入电压短路，尽可能的降低了共模电压的幅值，并且降低了电机的电磁噪声。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是典型的三相矩阵变换器拓扑结构图；

图2是电压区间划分图，其中，图2(a)是输入相电压的区间划分图，图2(b)是输出线电压的区间划分图；

图3是输出相A通过功率开关与输入三相a、b、c的连接图；

图4是选择零矢量T₀₁、T₀₂或T₀₃的区域划分图；

图5是表示载波为三角波的开关状态变化图。