一种隔离型AC-DC矩阵变换器优化电流应力控制方法

文档序号:31050758发布日期:2022-08-06 07:06阅读:192来源:国知局
一种隔离型AC-DC矩阵变换器优化电流应力控制方法
一种隔离型ac-dc矩阵变换器优化电流应力控制方法
技术领域
1.本发明涉及矩阵变换器控制领域,具体涉及一种隔离型ac-dc矩阵变换器优化电流应力控制方法。


背景技术:

2.单级双向隔离型三相ac/dc矩阵变换器是由非隔离型三相ac/dc变换器与隔离型dc/dc变换器组成的两级式拓扑的基础上衍生而来的一种新型变换器。具有体积小,重量小,输入功率因数可调,能量双向传输,高功率密度,无需中间储能环节等优点。在电动汽车v2g技术,新能源发电,电池储能,混合微电网等领域具有很好的应用研究价值。
3.隔离型三相ac/dc矩阵变换器主要由三相-单相矩阵变换器和h桥变换器组成。由于没有中间解耦电容,隔离型三相ac/dc矩阵变换器往往需要通过相移控制来实现能量的双向传输。传统的单相移控制有两个控制变量,即调制系数和相移比。由于控制方案一般只关注两个控制变量中的一个。一种是保持调制系数不变,控制相移角。另外一种固定相移角,控制调制系数。在轻载条件下,由于变压器一次侧二次侧电压不匹配,容易导致电流应力增大,增加电磁干扰和开关器件的导通损耗,降低变换器的效率。因此需要采取一定的措施优化隔离型三相ac-dc矩阵变换器的电流应力,提高变换器的传输效率。目前对于电流应力的研究主要就集中在双向全桥dc-dc变换器中,而在隔离型三相ac-dc矩阵变换器的研究很少涉及。


技术实现要素:

4.本发明的目的在于提供一种隔离型ac-dc矩阵变换器优化电流应力的控制方法。本发明提出了一种基于隔离型ac-dc矩阵变换器的电流空间矢量与双重相移控制的协调控制策略,该方法与传统的单相移控制方法相比,在变压器高压侧增加了一个内相移比,该方法在给定隔离型ac-dc矩阵变换器不同的电压调节比的情况下,给出了调制系数与内外移相比协调控制的参数组合,使用该参数组合时,可以明显降低隔离型ac-dc矩阵变换器在进行能量传输时产生的电流应力,提高变换器效率。
5.为了实现以上目的,具体的技术方案为:
6.本发明所述隔离型ac-dc矩阵变换器的拓扑由三相交流电源、输入lc滤波器、三相-单相矩阵变换器、高频变压器、h桥变换器、输出lc滤波器和负载依次相连构成。
7.三相-单相矩阵变换器是由6组双向开关管构成,其中每一组双向开关管是由两个共发射极的igbt构成,二极管作为续流通路。每一组双向开关管可以一个桥臂,上下两个双向开关管串联形成一个变换支路,在三相-单相矩阵变换器中共有3个变换支路。a相上桥臂由开关sap1和sap2组成,a相下桥臂由开关san1和san2组成;b相上桥臂由开关sbp1和sbp2组成,b相下桥臂由开关sbn1和sbn2组成;c相上桥臂由开关scp1和scp2组成,c相下桥臂由开关scn1和scn2组成。每条支路上下桥臂的中间点与输入lc滤波器相连,每条支路上桥臂的公共端与每条支路下桥臂的公共端分别接在高频变压器原边的两端。
8.h桥变换器是由4个igbt与反并联的二极管组成的双向开关构成,反并联的二极管起到了续流的作用;每个双向开关形成一个桥臂,两个桥臂串联形成一个变换支路,上桥臂s1与下桥臂s2组成一个变换支路,同理,上桥臂s3与下桥臂s4组成一个变换支路。每条支路的上下桥臂的中间点与变压器副边相连,此外,每条支路上桥臂的公共端与下桥臂的公共端分别接在输出lc滤波器的两侧,其后与电阻负载相连。
9.提供一种隔离型ac-dc矩阵变换器优化电流应力的控制方法,具体步骤包括:
10.步骤1)将隔离型ac-dc矩阵变换器在双重移相控制下的开关模态分为12个,由于电感电流的波形具有对称性,所以只需要分析前6个电感电流的开关模态。表达式如下
11.开关模态1的表达式如下:
[0012][0013]
开关模态2的表达式如下:
[0014][0015]
开关模态3的电感电流和开关模态2是相同的,故其电感电流表达式如(2)所示。
[0016]
开关模态4的表达式如下:
[0017][0018]
开关模态5的表达式如下:
[0019][0020]
开关模态6的表达式如下:
[0021][0022]
步骤2)根据矩阵变换器的相关知识可知,在一个开关周期内,对3-1mc输出的由相应占空比组成的两级线电压u
ab
和u
ac
用平均值电压u
p_average
进行等效处理,满足如下表达式。其中,um为线电压幅值,令所以平均值电压u
p_average
近似等于1.5um。
[0023][0024]
步骤3)根据式(6)可以得到电压调节比k。满足如下表达式。为了方便计算,1.5um用u1来代替。
[0025]
k=nu
dc
/1.5umꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0026]
步骤4)由于隔离型ac-dc矩阵变换器的开关模态可分为12个,并且电感电流的波形一个pwm周期内具有一定的对称性,所以在pwm周期内各个时刻的电感电流表达式存在相等或者相反的关系,具体的关系表达式如下:
[0027][0028]
步骤5)若不考虑隔离型ac-dc矩阵变换器的传输损耗,那么它在双重移相控制下的传输功率可表示为:
[0029][0030]
步骤6)根据dps控制下两级线电压u
ab
和u
ac
用平均值电压u
p_average
等效处理的波形示意图可以看出峰值电流i
p
近似等于i3,令i
p
=i3,并利用峰值电流和传输功率构建拉格朗日条件极值方程。方程表达式如下:
[0031]
e=i
p
+λ(p-p
*
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0032]
分别对式(11)的变量求偏导,并令其偏导等于零。
[0033][0034]
步骤7)根据式(12)计算可以得到:隔离型ac-dc矩阵变换器优化控制电流应力的相移比与调制系数的关系式,电压调节比,调制系数,内外相移比满足以下表达关系式:
[0035][0036]
本发明采用的调制策略具有如下优点:本发明针对隔离型ac-dc矩阵变换器在传统相移控制时产生大电流应力,故提出了一种基于隔离型ac-dc矩阵变换器的双重相移控制方法,使用该方法同样可以保证系统具有良好的输入输出性能。网侧单位功率因数运行,直流侧输出电压的超调小,响应速度快等。
[0037]
本发明采用的控制方法可以在给定变换器不同电压比以及调制系数的情况下,得到降低隔离型ac-dc矩阵变换器电流应力的参数组合,当内外相移比满足该参数组合时,可以降低变换器电流应力和提高变换器效率。
附图说明
[0038]
图1为本发明的隔离型ac-dc矩阵变换器拓扑结构图。
[0039]
图2为本发明实施例的隔离型ac-dc矩阵变换器在双重相移控制下工作原理图。
[0040]
图3为本发明实施例的隔离型ac-dc矩阵变换器在双重相移控制下两级线电压u
ab
和u
ac
用平均值电压u
p_average
等效处理的波形示意图。
[0041]
图4为本发明实施例的闭环控制策略框图
具体实施方式
[0042]
如图1所示,本实施例采用的是隔离型ac-dc矩阵变换器,它是由三相交流电源、输入lc滤波器、三相-单相矩阵变换器、传输电感、高频变压器、h桥变换器、输出lc滤波器、直流有源负载组成。三相-单相矩阵变换器的主要功能是将三相电网电压转换成正负交变的高频脉冲电压,h桥变换器是将高频脉冲电压转换成直流电压。高频变压器主要起电气隔离的作用。三相-单相矩阵变换器,h桥变换器和高频变压器均可以实现能量的双向流动。
[0043]
如图2所示,隔离型ac-dc矩阵变换器采用双重相移控制。所以在调制过程中存在两个相移比,分别是内相移比d2和外相移比d1。外相移比d1为三相-单相矩阵变换器侧与h桥侧的相移比。内相移比d2为三相-单相矩阵变换器侧的相移比。内相移比d2和外相移比d1相互协调降低变换器电流应力。
[0044]
如图3所示,隔离型ac-dc矩阵变换器采用双重相移控制优化电流应力,具体步骤包括:
[0045]
1)三相-单相的矩阵变换器采用双极性电流空间矢量策略,在高频变压器一次侧输出是由相应占空比构成的两级线电压,iamc的传输功率和电流应力计算复杂,为了解决这个问题,在一个开关周期内,对由相应占空比组成的两级线电压u
ab
和u
ac
用平均值电压u
p_average
进行等效处理。
[0046]
2)根据所提出的双重相移控制的原理,将隔离型ac-dc矩阵变换器的运行情况分为12个开关模态,确定每个模态下开关管的导通情况以及传输电感电流的表达式,结合传输电感电流在每个pwm周期中的对称性,得到在pwm周期中每个时刻电感电流的具体表达式。
[0047]
3)根据步骤1)和2)中的条件,在不考虑变换器传输损耗的情况下,推导出隔离型ac-dc矩阵变换器在双重相移控制的传输功率表达式。
[0048]
4)根据骤1)和2)推导的电感电流和传输功率的表达式,建立拉格朗日条件极值方程求偏导,令其偏导等于零。推导出电压比,调制系数,内外相移比相互协调的表达式,从该表达式中得到优化电流应力的参数组合。
[0049]
如图4所示,隔离型ac-dc矩阵变换器采用双重相移控制优化电流应力的闭环控制框图。具体步骤包括:直流侧通过切换控制得到直流电流指令值直流侧电流指令值与实际值i
dc
的偏差输入pi调节器得到svm调制所需的调制系数。网侧通过锁相环(pll)分别得到瞬时功率因数角,给定功率因数角θ
ref
的正弦函数值减去瞬时功率因数角的正弦函数值作为pi调节器的输入得到svm调制所需的相角。根据式(17)通过电压调节比k和调制系数m可以推导出内,外相移比d2,d1,的参数组合。然后通过svm调制变换器进行闭环控制。
[0050]
上述实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,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、替代、修饰、简化、组合,均应为等效的置换方式,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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