輸入電壓不平衡時(shí)矩陣變換器的運(yùn)行控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種輸入電壓不平衡時(shí)矩陣變換器的運(yùn)行控制方法，屬于矩陣變換器 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 矩陣式變換器是一種新型交-交變換器，具有體積小、重量輕和工作壽命長(zhǎng)的特 點(diǎn)，被當(dāng)作目前大量應(yīng)用的背靠背變換器的替代拓?fù)渲?，在?guó)內(nèi)外被廣泛研宄。矩陣變換 器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相電源電壓通過(guò)LC濾波器接到矩陣變換器的輸入側(cè)。矩陣變 換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為雙級(jí)矩陣變換器，也可為傳統(tǒng)的單級(jí)矩陣變換器。矩陣變換器的輸出側(cè) 負(fù)載可為無(wú)源負(fù)載、電機(jī)負(fù)載或其它電壓源型負(fù)載?？刂破鞑杉噍斎腚妷汉腿噍敵?電流，通過(guò)控制策略和調(diào)制算法的運(yùn)算，產(chǎn)生變換器各功率開(kāi)關(guān)所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0003] 在圖1所示的矩陣變換器系統(tǒng)中，負(fù)載一般為三相平衡負(fù)載，輸出電壓和電流一 般為三相正弦平衡的交流電，此時(shí)負(fù)載吸收的有功功率保持為常值。而矩陣變換器的電源 一般為公用電網(wǎng)，受電力系統(tǒng)中其它不對(duì)稱負(fù)載的影響，輸入三相電壓一般不平衡。矩陣變 換器不包含儲(chǔ)能元件，在實(shí)際中常采用恒定功率控制策略，以抑制輸入電壓不平衡對(duì)輸出 性能的影響。
[0004] 在傳統(tǒng)的恒定功率控制策略中，輸入電流矢量的相角設(shè)定為輸入電壓矢量的相 角，從而使得輸入側(cè)功率因數(shù)始終保持為1。在這種控制方式下，輸入電流的a0分量iia 和iiP為：
[0005]
[0006] 其中為輸入側(cè)有功功率給定值，由負(fù)載決定；（?「為輸入側(cè)無(wú)功功率給定值，在 傳統(tǒng)控制方式下(?、=〇 ;uia和uiP為輸入電壓的a|3分量，不失一般性，可將它們的表達(dá)式 寫為：
[0007]
[0008] 其中A為uia的幅值；B為uiP的幅值i為輸入電壓角頻率；t為時(shí)間；屮為uia與uiP之間的相角差。在輸入電壓不平衡時(shí)，A辛B，9#〇。
[0009] 論文"矩陣變換器輸入電壓不平衡時(shí)輸入電流諧波含量的降低"，IEEE工業(yè)電子會(huì) 干丨J，卷：45,期：3,頁(yè)碼：401_410，1998年6月（Reductionoftheinputcurrentharmonic contentinmatrixconvertersunderinputoutputunbalance,IEEETrans.Ind. Electron.，vol. 45,no. 3,pp. 401 - 410,Jun. 1998)，已經(jīng)證明：在輸入電壓不平衡時(shí)，傳統(tǒng) 控制策略會(huì)導(dǎo)致輸入電流嚴(yán)重畸變，波形質(zhì)量較差。設(shè)《i= 300Jr、A= 1. 0pu、B= 0. 9pu、 Pi#=l.Opu和（?〔=〇. 〇pu(其中pu表示標(biāo)幺值），由式⑴產(chǎn)生的輸入電流iia和iiP波 形如圖2(a)所示，諧波分析結(jié)果分別如圖2(b)和圖2(c)所示。由圖可知，iia和iifi的波 形畸變嚴(yán)重，均包含了大量的3、5、7……等奇數(shù)次諧波。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明提出了一種輸入電壓不平衡時(shí)矩陣變換器的運(yùn)行控制方法，以在輸入電壓 不平衡時(shí)獲得正弦的輸入電流，提高輸入電流的波形質(zhì)量。
[0011] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：
[0012] 一種輸入電壓不平衡時(shí)矩陣變換器的運(yùn)行控制方法，包括如下步驟：
[0013] (1)采集三相輸入電壓uiA、uiB和uiC，通過(guò)下式所述的三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止 坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換（Clarke坐標(biāo)變換）計(jì)算出輸入電壓的a|3分量uia和uiP:
[0014]
[0015] (2)采用濾波器N(s)對(duì)uia的平方<、uiP的平方以及uia與uiP的乘積 uia ?Uifi分別進(jìn)行濾波處理，得到信號(hào)U^七和U3，即
[0016]
[0017]
[0018] u3=N(s)uiauiP
[0019] (3)根據(jù)步驟⑵得到的Ul、ianu3，通過(guò)下面三式計(jì)算出輸入電壓a分量uia的 幅值A(chǔ)、輸入電壓|3分量uiP的幅值B和uia與uiP之間的相角差的正弦值sincp:
[0023](4)根據(jù)步驟（1) 一（3)獲得的信號(hào)，計(jì)算出輸入無(wú)功功率給定值
[0024]
[0025] 其中，為輸入有功功率給定值；
[0026] (5)根據(jù)Pi'QilPuu與uifi，計(jì)算出用于調(diào)制算法實(shí)現(xiàn)的輸入電流a0分量iia 和iifi:
[0027]
[0028] (6)結(jié)合矩陣變換器的輸出側(cè)控制，根據(jù)iia和iifi實(shí)現(xiàn)矩陣變換器的空間矢量調(diào) 制算法，產(chǎn)生各功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0029] 所述步驟⑵所采用的濾波器N(s)的表達(dá)式為：
[0030]
[0031] 其中，s為微分算子；％為輸入電壓角頻率；《p為大于2?啲正數(shù)；為大于0 的實(shí)數(shù)。
[0032] 所述步驟（4)中的輸入有功功率給定值由下式計(jì)算出：
[0033] P；= 1.5(u0ai0a+u0Pi0f))
[0034] 其中，、。和Um為輸出電壓的a|3分量，i。。和i#為輸出電流的a|3分量，u_、 U#、1。。和i。3均由常見(jiàn)的輸出側(cè)開(kāi)環(huán)控制策略或者閉環(huán)控制策略產(chǎn)生。
[0035] 所述步驟（6)的具體實(shí)現(xiàn)步驟為：
[0036] (6-1)根據(jù)下面兩式分別計(jì)算出矩陣變換器的調(diào)制比m和輸入電流矢量相角
[0039]其中，Id。為直流母線電流；函數(shù)atan2(y,x)表示以坐標(biāo)原點(diǎn)為起點(diǎn)，指向點(diǎn)（X，y) 的射線在坐標(biāo)平面上與a軸正方向之間的角度；
[0040] (6-2)根據(jù)變換器的調(diào)制比m和輸入電流矢量相角0 n，結(jié)合輸出電壓矢量相角 0W，采用矩陣變換器常用的空間矢量調(diào)制算法，產(chǎn)生各功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0041] 所述步驟（6-1)中的直流母線電流Id。由下式計(jì)算出：
[0042]
[0043] 其中，、。和Um為輸出電壓的a|3分量，i。。和i#為輸出電流的a|3分量，u_、 U#、1。。和i。3均由常見(jiàn)的輸出側(cè)開(kāi)環(huán)控制策略或者閉環(huán)控制策略產(chǎn)生。
[0044] 所述步驟（6-2)中輸出電壓矢量相角0w由下式計(jì)算出：
[0045] 0 ou=atan2 (uof3,u〇a)
[0046] 其中，為輸出電壓的a |3分量。
[0047] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0048] 在輸入電壓不平衡時(shí)，本方法能夠顯著降低輸入電流中的諧波，獲得純正弦的三 相式波形，提高了波形質(zhì)量。而且本方法不影響輸出側(cè)電壓性能，也能夠獲得正弦平衡的三 相輸出電壓和電流。本方法僅需要一種濾波器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，容易實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0049] 圖1矩陣變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0050] 圖2傳統(tǒng)控制方式下，輸入電流的波形及頻譜分析：(a)iia和iifi的波形；(b)iia 的諧波分析結(jié)果；（c)iifi的諧波分析結(jié)果。
[0051] 圖3本發(fā)明控制方法的框圖。
[0052] 圖4本發(fā)明所采用的濾波器器N(s)的頻譜特性。
[0053] 圖5采用本發(fā)明控制方法獲得的輸入電流及頻譜分析：(a)iia和iifi的波形；(b) iia的諧波分析結(jié)果；（c)iifi的諧波分析結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0054] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0055] 設(shè)輸入電流為純正弦電流時(shí)，其a |3分量的表達(dá)式為：
[0056]
[0057] 其中，C為iia的幅值；q>l為iia與uia的相角差；D為iiP的幅值；屮2為iiP與 uia的相角差。此時(shí)，輸入側(cè)實(shí)際有功功率Pi為：
[0058]Pi= 1. 5(uiaiia+uiPiiP) (4)
[0059] 矩陣變換器不具有儲(chǔ)能元件，輸入側(cè)發(fā)出的有功功率和負(fù)載吸收的有功功率相 等。當(dāng)負(fù)載吸收的有功功率保持為常數(shù)P;時(shí)，輸入側(cè)實(shí)際有功功率Pi應(yīng)和P^相等，即：
[0060] Pi=Pi* (5)
[0061] 經(jīng)過(guò)一些繁瑣但并不困難的公式推導(dǎo)，由