CN106208766A - 基于电压切换指令的矩阵变换器解结耦svm调制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电压切换指令的矩阵变换器解结耦SVM调制方法，利用解结耦思想，分解双向可控开关电路为单向可控开关电路，故可将矩阵变换器解耦成正负两组普通的电压型变换器。采用电压型6扇区空间矢量方法，将得到的SVM信号与电压正负切换指令信号进行适当的结耦逻辑合成，得到可以对矩阵变换器双向开关进行灵活、独立的控制。使得三相电压型非隔离矩阵整流器通过简单的控制逻辑，不仅实现交流输入，直流输出的基础功能，并且可以使矩阵变换器具备正、负两种直流输出电压的功能。本发明具有控制方法简单、可实现矩阵整流器正、两种直流输出电压极性，对负载适应能力强、提高直流电压利用率，降低开关频率能量双向流动、结构紧凑效率高等优点。

Description

基于电压切换指令的矩阵变换器解结耦SVM调制方法

技术领域

本发明涉及电力电子功率变换器调制控制领域，尤其是一种基于电压正负切换指令信号的矩阵变换器解结耦SVM调制方法。

背景技术

整流器是一种把交流电能转换成直流电能的拓扑装置。电压型非隔离矩阵整流器是由交流三相-三相的变换器演化而来，在被称为万能变换器的矩阵变换器基础上演变而来的电压型非隔离矩阵整流器，相比传统电压型PWM整流器而言具有明显优势，比如更广的变压范围、可输出正负极性电压，对负载的适应性更强、以及能量双向流动、结构紧凑效率高等。

然而，对于矩阵变换器开关数目较多，且双向开关为背靠背的连接方式的特点，大多数控制策略相对复杂且大多采用的是对双向开关的统一控制，大大降低了对矩阵变换器控制的灵活性，很少实现电压型非隔离矩阵整流器的可多极性的直流输出。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够使三相电压型非隔离矩阵整流器双向开关的控制更加简单灵活、实现正负两种直流输出电压能力、提高直流电压利用率、降低开关频率的基于电压切换指令的矩阵变换器解结耦SVM调制方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述矩阵变换器为电压型非隔离矩阵整流器，由输入交流信号，输入滤波器，矩阵变换器，输出滤波器 及负载组成；输入交流信号为三相电网电动势u_a，u_b，u_c；输入滤波器为滤波电感L_a，L_b，L_c；矩阵变换器由S_ap1、S_ap3、S_ap5，S_an4、S_an6、S_an2，S_ap4、S_ap6、S_ap2，S_an1、S_an3、S_an5共12个开关管通过背靠背的方式连接而成；输出侧的电容滤波器C和负载R构成；

本发明所述调制方法步骤如下：

步骤1，将矩阵变换器的双向可控开关电路分解为单向可控开关电路；

步骤2，将矩阵变换器解耦成为正、负两组三相电压型变换器；

步骤3，通过电压型6扇区划分的SVM调制方法获得SVM1～SVM6的6路空间矢量驱动信号，6路空间矢量驱动信号与电压正指令信号V_P、电压负指令信号V_N通过解结耦逻辑合成得到控制矩阵变换器12个可控开关所需的12路驱动脉冲信号，实现矩阵变换器的正、负极性的直流输出。

进一步的，步骤2中，正组三相电压型变换器由输入侧的三相电网电动势、输入电感滤波器、可控开关管S_ap1、S_ap3、S_ap5、可控开关管S_ap4、S_ap6、S_ap2及输出电容滤波器C和负载R组成；负组三相电压型变换器由三相电网电动势、输入电感滤波器、可控开关管S_an1、S_an3、S_an5、可控开关管S_an4、S_an6、S_an2及输出电容滤波器C和负载R组成。

进一步的，步骤3中，通过空间电压矢量将空间划分成6个空间区域，即6扇区电压矢量划分；SVM调制通过扇区的划分、扇区判断、矢量作用时间的计算、矢量合成顺序选择最终得到每相上下互补以及三相各差120°的驱动信号SVM1～SVM6；6路空间矢量驱动信号与电压正指令信号V_P、电压负指令信号 V_N通过解结耦逻辑合成得到控制矩阵变换器12个可控开关所需的12路驱动脉冲信号，实现矩阵变换器的正、负极性的直流输出；

当AC-DC矩阵变换器需要输出正直流电压时，此时控制变换器开关管正组工作即正组的三相整流器(Sapk，k＝1,3,5,4,6,2)正常工作，此时负组三相整流器的开关管全部为开通状态；正负切换信号Vp为高电平，Vn为低电平；同理，当AC-DC矩阵变换器需要输出负直流电压时，此时控制变换器开关管负组工作即负组三相逆变器(Sank，k＝1,3,5,4,6,2)正常工作，正组整流器的开关管全部为开通状态；同理，如果要实现输出负直流电压时则正负切换信号V_P为低电平V_N为高电平，调制原理与输出正电压时相同。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：调制方法简单易行，降低了矩阵变换器双向开关控制的复杂度，使电压型非隔离矩阵整流器具备正、负两种直流输出电压的能力，对负载适应能力强，并提高直流电压利用率，降低开关频率。

附图说明

图1为本发明三相电压型非隔离AC-DC矩阵整流器电路拓扑图。

图2为本发明方法的系统原理框图。

图3为基于电压正负切换指令信号的解结耦SVM调制方法的工作原理波形图。

图4为非隔离矩阵整流器基于电压正负切换指令信号的解结耦SVM调制方法下的电路解耦原理图。

图5为基于电压正负切换指令信号的解结耦SVM调制方法逻辑处理电路。

图6为基于电压正负切换指令信号的解结耦SVM调制方法的逻辑合成图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

三相电压型非隔离矩阵整流器电路拓扑图如图1所示：

图1中，三相电网电动势u_a，u_b，u_c分别与输入滤波电感L_a，L_b，L_c相连，输入滤波电感L_a，L_b，L_c分别与可控开关管S_ap1、S_an4、S_ap4、S_an1背靠背组成的A相桥臂，可控开关管S_ap3、S_an6、S_ap6、S_an3背靠背组成的B相桥臂，可控开关管S_ap5、S_an2、S_ap2、S_an5背靠背组成的C相桥臂的中点相连。可控开关管S_ap1、S_ap3、S_ap5的集电极相连，可控开关管S_an1、S_an3、S_an5的集电极相连，之后二者各相连的集电极与分别输出滤波电容C及负载R的两端相连，其中，输出滤波电容C与负载R并行连接。

本发明调制方法原理如图2所示：

图2中1部分为电压型SVM驱动信号发生环节；2部分为基于电压正负切换指令信号的解结耦SVM调制的逻辑处理部分，在此部分中，通过合适的逻辑使得6路SVM驱动信号形成12路满足矩阵变换器12开关管的驱动信号，并所要求的功能；3部分为矩阵变换器经过结耦逻辑形成了正组三相整流器和负组三相整流器。

电压型解结耦思想的解耦拓扑如图3所示：

对于本发明所述的电压型解结耦，包含“解耦”和“结耦”两部分工作。其一，解耦工作是针对电路特征和物理连接的分析，分解双向可控开关电路为单向可 控开关电路，故可将矩阵整流器解耦成正负两组普通的电压型整流器。其二，结耦工作则侧重于逻辑变换和控制实现，其核心控制思路为：正组整流器工作时负组整流器的功率管全部处于开通状态，同理，负组整流器工作时正组整流器的功率管全部开通，根据交流输入电压极性和工频调制信号的极性选择开关管通断。

图4为6扇区电压型空间矢量划分图：

SVM调制通过扇区的划分、扇区判断、矢量作用时间的选择、矢量合成顺序选择等过程来获得SVM驱动信号。在空间中，6个非零矢量和两个零矢量共同将其分成6个扇区，将合成矢量U^*分解到(α,β)坐标轴上，可以得到U_α，U_β。定义A,B,C，则如果U_β>0，则A＝1，否则A＝0。则B＝1，否则B＝0。则C＝1，否则C＝0。令N＝4C+2B+A，根据A的不同取值来进行扇区的判断。之后在每个扇区中进行有效矢量作用时间的计算及开关顺序合成，最终得到每相上下互补以及三相各差120°的驱动信号SVM1-SVM6。

图5为基于电压正负切换指令信号的解结耦SVM调制方法的调制原理图：

将SVM的6路驱动信号SVM1-6与正负切换指令信号V_P、V_N通过合适的结耦逻辑合成，其中V_P正指令信号，V_N负指令信号，当AC-DC矩阵变换器需要输出正直流电压时，此时控制变换器开关管正组工作即正组的三相整流器(Sapk，k＝1,3,5,4,6,2)进行矢量调制工作，此时负组三相整流器的开关管全部为开通状态。正负切换信号V_P为高电平，V_N为低电平。同理，当AC-DC矩阵变换器需要输出负直流电压时，此时控制变换器开关管负组工作即负组三相整流 器(Sank，k＝1,3,5,4,6,2)进行矢量调制工作，正组整流器的开关管全部为开通状态，此时正负切换信号V_P为低电平V_N为高电平，调制原理与输出正电压时相同。以使得三相电压型非隔离矩阵整流器具备实现正、负两种直流输出电压的能力。

图6为基于电压正负切换指令信号的解结耦SVM调制方法的逻辑合成图：

以A相桥臂为例，当要求输出正直流电压时，与S_ap1、S_an1对应的驱动信号为SVM₊，S_ap4、S_an4对应的驱动信号为SVM-。控制正组整流器开关管S_ap1、S_ap4驱动信号通过SVM₊和SVM_-与负指令进行与逻辑得到，控制负组整流器开关管S_an1、S_an4的驱动信号通过SVM₊和SVM_-与正指令进行与逻辑得到。B相和C相桥臂的合成逻辑与A相类似。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于电压切换指令的矩阵变换器解结耦SVM调制方法，电压型非隔离矩阵整流器由输入交流信号，输入滤波器，矩阵变换器，输出滤波器及负载组成；输入交流信号为三相电网电动势u_a，u_b，u_c；输入滤波器为滤波电感L_a，L_b，L_c；矩阵变换器由S_ap1、S_ap3、S_ap5，S_an4、S_an6、S_an2，S_ap4、S_ap6、S_ap2，S_an1、S_an3、S_an5共12个开关管通过背靠背的方式连接而成；输出侧的电容滤波器C和负载R构成，其特征在于，所述调制方法步骤如下：

步骤1，将矩阵变换器的双向可控开关电路分解为单向可控开关电路；

步骤2，将矩阵变换器解耦成为正、负两组三相电压型变换器；

步骤3，通过电压型6扇区划分的SVM调制方法获得SVM1～SVM6的6路空间矢量驱动信号，6路空间矢量驱动信号与电压正指令信号V_P、电压负指令信号V_N通过解结耦逻辑合成得到控制矩阵变换器12个可控开关所需的12路驱动脉冲信号，实现矩阵变换器的正、负极性的直流输出。

2.根据权利要求1所述的基于电压切换指令的矩阵变换器解结耦SVM调制方法，其特征在于：步骤2中，正组三相电压型变换器由输入侧的三相电网电动势、输入电感滤波器、可控开关管S_ap1、S_ap3、S_ap5、可控开关管S_ap4、S_ap6、S_ap2及输出电容滤波器C和负载R组成；负组三相电压型变换器由三相电网电动势、输入电感滤波器、可控开关管S_an1、S_an3、S_an5、可控开关管S_an4、S_an6、S_an2及输出电容滤波器C和负载R组成。

3.根据权利要求1所述的基于电压切换指令的矩阵变换器解结耦SVM调制方法，其特征在于：步骤3中，通过空间电压矢量将空间划分成6个空间区域，即6扇区电压矢量划分；SVM调制通过扇区的划分、扇区判断、矢量作用时间的计算、矢量合成顺序选择最终得到每相上下互补以及三相各差120°的驱动信号SVM1～SVM6；6路空间矢量驱动信号与电压正指令信号V_P、电压负指令信号V_N通过解结耦逻辑合成得到控制矩阵变换器12个可控开关所需的12路驱动脉冲信号，实现矩阵变换器的正、负极性的直流输出；

当AC-DC矩阵变换器需要输出正直流电压时，此时控制变换器开关管正组工作即正组的三相整流器(Sapk，k＝1,3,5,4,6,2)正常工作，此时负组三相整流器的开关管全部为开通状态；正负切换信号Vp为高电平，Vn为低电平；同理，当AC-DC矩阵变换器需要输出负直流电压时，此时控制变换器开关管负组工作即负组三相逆变器(Sank，k＝1,3,5,4,6,2)正常工作，正组整流器的开关管全部为开通状态；同理，如果要实现输出负直流电压时则正负切换信号V_P为低电平V_N为高电平，调制原理与输出正电压时相同。