一种超稀疏矩阵整流器控制方法及其装置与流程

本发明涉及领域，特别是涉及一种超稀疏矩阵整流器控制方法及其装置。

背景技术：

矩阵式整流器是一种由三相ac-ac矩阵式变换器演化而来的降压型ac-dc电力变换器，具有体积小、重量轻，能量能双向流动等优点，受到国内外专家学者的广泛关注。若不要求电力变换器具有能量双向流动能力，矩阵式整流器可大大减少开关器件，此时则演变为了超稀疏矩阵整流器。

超稀疏矩阵整流器作为一种新型的电力变换器，相对于传统的变换器，安全换流策略简单，且由于较少功率开关器件使得系统损耗小，具有较好的应用前景。

采用超稀疏矩阵整流器作为电力变换器进行整流时，为提高动态性能，可采用滑模控制策略控制超稀疏矩阵整流器的直流输出电压以及补偿网侧功率因数。然而由于传统的滑模控制函数中使用的是符号函数sgn，使得切换项只能在最大值和最小值之间相互切换，切换过大导致滑模控制中抖振剧烈，严重降低输入输出波形质量。

因此，如何提供一种抖振抑制效果好的超稀疏矩阵整流器控制方法及其装置是本领域技术人员目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超稀疏矩阵整流器控制方法及其装置，通过采用积分和双曲正切函数对滑模控制中的切换函数和控制函数进行优化，能够有效地抑制滑模抖振的现象。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种超稀疏矩阵整流器控制方法，包括：

通过传感器实时检测电网侧电压和电流以及所述超稀疏矩阵整流器的输出电压或输出电流；

令所述输出电压或输出电流与参考电压或参考电流作差处理，得到误差值e及误差变化率

依据所述误差值e及所述误差变化率设计得到输出滑模切换函数：

其中，滑模系数c1、c2取值范围分别为c1＞1/(2co)，c2＜1/(loco)；co和lo分别为输出滤波器电容和电感参数；

采用双曲正切函数设计输出滑模控制关系式，依据所述输出滑模控制关系式计算得到调制系数m，所述输出滑模控制关系式为：

m＝mref+tanh(s1)σ；输出滑模控制等效项vim为网侧电压幅值；σ为滑模控制切换项；

依据所述电网侧电压和电流计算无功功率参数q和电压相位移α；

依据所述无功功率参数设计得到功率因数滑模切换关系式：

为无功功率参数变化率，c3为正滑模系数；

采用双曲正切函数设计功率因数滑模控制关系式，依据所述功率因数滑模控制关系式计算得到补偿角度所述功率因数滑模控制关系式为：

δ为补偿角度抗扰量；功率滑模控制等效项ωi为网侧电压频率；rl为负载阻值；ci输入滤波器电容参数；

采用电流空间矢量调制，依据所述调制系数m、所述补偿角度和所述电压相位移α确定各种开关组合对应的矢量的作用时间，依据所述作用时间得到脉冲信号，驱动所述超稀疏矩阵整流器内相应双向开关导通。

优选地，所述无功功率参数具体为瞬时无功功率q；依据所述电网侧电压和电流计算所述瞬时无功功率q的过程为：

对所述电网侧电压和电流进行派克变换，得到所述瞬时无功功率q；q＝usqisd-usdisq。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种超稀疏矩阵整流器控制装置，包括：

检测模块，用于通过传感器实时检测电网侧电压和电流以及所述超稀疏矩阵整流器的输出电压或输出电流；

误差计算模块，用于令所述输出电压或输出电流与参考电压或参考电流作差处理，得到误差值e及误差变化率

调制系数计算模块，用于依据所述误差值e及所述误差变化率设计得到输出滑模切换函数：其中，滑模系数c1、c2取值范围分别为c1＞1/(2co)，c2＜1/(loco)；co和lo分别为输出滤波器电容和电感参数；采用双曲正切函数设计输出滑模控制关系式，依据所述输出滑模控制关系式计算得到调制系数m，所述输出滑模控制关系式为：m＝mref+tanh(s1)σ；输出滑模控制等效项vim为网侧电压幅值；σ为滑模控制切换项；

无功计算模块，用于依据所述电网侧电压和电流计算无功功率参数q和电压相位移α；

补偿角计算模块，用于依据所述无功功率参数设计得到功率因数滑模切换关系式：为无功功率参数变化率，c3为正滑模系数；采用双曲正切函数设计功率因数滑模控制关系式，依据所述功率因数滑模控制关系式计算得到补偿角度所述功率因数滑模控制关系式为：δ为补偿角度抗扰量；功率滑模控制等效项ωi为网侧电压频率；rl为负载阻值；ci输入滤波器电容参数；

空间矢量调制模块，用于采用电流空间矢量调制，依据所述调制系数m、所述补偿角度和所述电压相位移α确定各种开关组合对应的矢量的作用时间，依据所述作用时间得到脉冲信号，驱动所述超稀疏矩阵整流器内相应双向开关导通。

优选地，所述无功功率参数具体为瞬时无功功率q；所述无功计算模块具体包括：

无功功率计算单元，用于对所述电网侧电压和电流进行派克变换，得到所述瞬时无功功率q；q＝usqisd-usdisq；

相位移计算单元，用于对所述电网侧电压和电流进行克拉克变换，依据克拉克变换后的电压usα、usβ和电流isα、isβ计算电压和电流的正余弦值：

逆推得到

本发明提供了一种超稀疏矩阵整流器控制方法及其装置，在输入滑模切换函数内加入了对双曲正切函数求积分的项，并且采用非线性的双曲正切函数对传统滑模控制的滑模控制函数进行优化。可以理解的是，采用积分滑模控制，相对传统控制稳态性能更好，具有良好的稳态误差，而双曲正切函数为一种具有“小误差放大，大误差饱和”特点的非线性函数，在大的初始误差或者是控制输入受限时，双曲正切函数作为一种连续函数在滑模切换函数中代替线性函数能够有效抑制滑模抖振的情况出现，抖振抑制的效果好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为超稀疏矩阵整流器的结构示意图；

图2为本发明提供的一种超稀疏矩阵整流器控制方法的过程的流程图；

图3为本发明提供的一种扇区划分示意图；

图4为本发明提供的一种超稀疏矩阵整流器控制框图；

图5为本发明提供的一种超稀疏矩阵整流器控制装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种超稀疏矩阵整流器控制方法及其装置，通过采用积分和双曲正切函数对滑模控制中的切换函数和控制函数进行优化，能够有效地抑制滑模抖振的现象。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种超稀疏矩阵整流器控制方法，参见图1和图2所示，图1为超稀疏矩阵整流器的结构示意图；图2为本发明提供的一种超稀疏矩阵整流器控制方法的过程的流程图；该方法包括：

步骤s1：通过传感器实时检测电网侧电压和电流以及超稀疏矩阵整流器的输出电压或输出电流；

步骤s2：令输出电压或输出电流与参考电压或参考电流作差处理，得到误差值e及误差变化率

步骤s3：依据误差值e及误差变化率设计得到输出滑模切换函数：

其中，滑模系数c1、c2取值范围分别为c1＞1/(2co)，c2＜1/(loco)；co和lo分别为输出滤波器电容和电感参数；

可以理解的是，通过增加积分项，相对于传统的滑模切换函数，其控制稳态的性能更好，具有良好的稳态误差。

步骤s4：采用双曲正切函数设计输出滑模控制关系式，依据输出滑模控制关系式计算得到调制系数m，输出滑模控制关系式为：

m＝mref+tanh(s1)σ；输出滑模控制等效项vim为网侧电压幅值；σ为滑模控制切换项；σ∈[0.05,0.1]

步骤s5：依据电网侧电压和电流计算无功功率参数q和电压相位移α；

步骤s6：依据无功功率参数设计得到功率因数滑模切换关系式：

为无功功率参数变化率，c3为正滑模系数；

步骤s7：采用双曲正切函数设计功率因数滑模控制关系式，依据功率因数滑模控制关系式计算得到补偿角度功率因数滑模控制关系式为：

δ为补偿角度抗扰量；功率滑模控制等效项ωi为网侧电压频率；rl为负载阻值；ci输入滤波器电容参数；

步骤s8：采用电流空间矢量调制，依据调制系数m、补偿角度和电压相位移α确定各种开关组合对应的矢量的作用时间，依据作用时间得到脉冲信号，驱动超稀疏矩阵整流器内相应双向开关导通。

可以理解的是，双曲正切函数为一种具有“小误差放大，大误差饱和”特点的非线性函数，在大的初始误差或者是控制输入受限时，在滑模切换函数中采用双曲正切函数代替线性函数能够有效抑制积分饱和效应。

需要注意的是，步骤s2-步骤s4与步骤s5-步骤s7为并列的两条支路，这两部分没有先后顺序之分，可以同时进行。

另外，本发明中的超稀疏矩阵整流器的主电路包括3个igbt和12个二极管，相比矩阵整流器12个igbt和12个二极管，开关数量大大减少，系统损耗少。

在一种具体实施例中，无功功率参数具体为瞬时无功功率q；步骤s5中，依据电网侧电压和电流计算瞬时无功功率q的过程为：

步骤s501：对电网侧电压和电流进行派克变换，得到瞬时无功功率q；q＝usqisd-usdisq。

计算电压相位移α的过程具体为：

步骤s502：对电网侧电压和电流进行克拉克变换，依据克拉克变换后的电压usα、usβ和电流isα、isβ计算电压和电流的正余弦值；

之后进行反正弦变换，得到

其中，步骤s8中的过程具体为：

以输入相电压过零点划分扇区。扇区分布如图3所示，目标矢量iref由该扇区内两个相邻的有效矢量和一零矢量合成。参见表1所示，表1为超稀疏矩阵整流器的开关导通规律表，以第一扇区为例，开关sa常闭，开关sb闭合时对应有效矢量开关sc闭合时对应有效矢量只sa闭合时对应零矢量目标矢量分别由有效矢量和零矢量合成。则其对应的三个开关sa、sb和sc在一个周期ts内的导通时间可计算为：

tsa＝ts

tsb＝mdα＝mtssin(60°-θ)

tsc＝mdβ＝mtssinθ

其中，dα和dβ为两个有效矢量的占空比，且θ＝mod[(α-φi,60°)]。

依据该占空比，确定各种开关组合对应的矢量的作用时间，依据作用时间得到脉冲信号，驱动超稀疏矩阵整流器内相应双向开关导通。

表1超稀疏矩阵整流器的开关导通规律表

参见图4所示，图4为本发明提供的一种超稀疏矩阵整流器控制框图；其中，ipf补偿指的是网侧输入功率因数补偿，abc/dq为派克变换。输入检测电路用于通过传感器获取电网侧电压和电流，输出检测电路用于通过传感器获取超稀疏矩阵整流器的输出电压或输出电流。

本发明提供了一种超稀疏矩阵整流器控制方法，在输入滑模切换函数内加入了对双曲正切函数求积分的项，并且采用非线性的双曲正切函数对传统滑模控制的滑模控制函数进行优化。可以理解的是，采用积分滑模控制，相对传统控制稳态性能更好，具有良好的稳态误差，而双曲正切函数为一种具有“小误差放大，大误差饱和”特点的非线性函数，在大的初始误差或者是控制输入受限时，双曲正切函数作为一种连续函数在滑模切换函数中代替线性函数能够有效抑制滑模抖振的情况出现，抖振抑制的效果好。

本发明还提供了一种超稀疏矩阵整流器控制装置，参见图5所示，图5为本发明提供的一种超稀疏矩阵整流器控制装置的结构示意图。该装置包括：

检测模块1，用于通过传感器实时检测电网侧电压和电流以及超稀疏矩阵整流器的输出电压或输出电流；

误差计算模块2，用于令输出电压或输出电流与参考电压或参考电流作差处理，得到误差值e及误差变化率

调制系数计算模块3，用于依据误差值e及误差变化率设计得到输出滑模切换函数：其中，滑模系数c1、c2取值范围分别为c1＞1/(2co)，c2＜1/(loco)；co和lo分别为输出滤波器电容和电感参数；采用双曲正切函数设计输出滑模控制关系式，依据输出滑模控制关系式计算得到调制系数m，输出滑模控制关系式为：m＝mref+tanh(s1)σ；输出滑模控制等效项vim为网侧电压幅值；σ为滑模控制切换项；

无功计算模块4，用于依据电网侧电压和电流计算无功功率参数q和电压相位移α；

补偿角计算模块5，用于依据无功功率参数设计得到功率因数滑模切换关系式：为无功功率参数变化率，c3为正滑模系数；采用双曲正切函数设计功率因数滑模控制关系式，依据功率因数滑模控制关系式计算得到补偿角度功率因数滑模控制关系式为：δ为补偿角度抗扰量；功率滑模控制等效项ωi为网侧电压频率；rl为负载阻值；ci输入滤波器电容参数；

空间矢量调制模块6，用于采用电流空间矢量调制，依据调制系数m、补偿角度和电压相位移α确定各种开关组合对应的矢量的作用时间，依据作用时间得到脉冲信号，驱动超稀疏矩阵整流器内相应双向开关导通。

在一种具体实施例中，无功功率参数具体为瞬时无功功率q；无功计算模块4具体包括：

无功功率计算单元，用于对电网侧电压和电流进行派克变换，得到瞬时无功功率q；q＝usqisd-usdisq；

相位移计算单元，用于对电网侧电压和电流进行克拉克变换，依据克拉克变换后的电压usα、usβ和电流isα、isβ计算电压和电流的正余弦值：

逆推得到

本发明提供了一种超稀疏矩阵整流器控制装置，在输入滑模切换函数内加入了对双曲正切函数求积分的项，并且采用非线性的双曲正切函数对传统滑模控制的滑模控制函数进行优化。可以理解的是，采用积分滑模控制，相对传统控制稳态性能更好，具有良好的稳态误差，而双曲正切函数为一种具有“小误差放大，大误差饱和”特点的非线性函数，在大的初始误差或者是控制输入受限时，双曲正切函数作为一种连续函数在滑模切换函数中代替线性函数能够有效抑制滑模抖振的情况出现，抖振抑制的效果好。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。