一种使用矩阵变换器的共模电压抑制调制方法

一种使用矩阵变换器的共模电压抑制调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力电子换流器的共模电压抑制领域，特别涉及一种使用矩阵变换器 的共模电压抑制调制方法。
【背景技术】
[0002] 三相矩阵变换器是通过可控的功率半导体双向开关阵列直接把三相输入连接到 三相负载，可以变压变频输出的强制换流的变换器。它由九个双向开关按3X3排列，三相 输入中的任意一相可与三相输出的任意一线相连，如图1所不。
[0003] 当矩阵变换器的各双向开关在数学上被理想为开关函数后，输入输出端的电压及 电流关系可表示为：
[0004]
[0005]
[0006] SKa+SKb+SKc= 1，K= {A,B，C}，
[0007] 其中V和v表不电压，I和i表不电流，大写的下标表不输出端，小写的下标表不输 入端，S表示开关函数，当对应的开关处于导通状态时其值为1，处于阻断状态时其值为0。
[0008] 电力电子换流设备在脉宽调制作用下，会在负载中性点与参考地之间产生共模电 压。三相-三相的矩阵变换器的调制方法本质上也是一种脉宽调制（PWM)，因此其输出也会 产生一序列阶梯状高频共模电压波形。共模电压的幅值及其变化率dv/dt过大时，将会击 穿电机轴承的油膜隔离，导致电机绕组损坏和轴承故障。
[0009] 为减少矩阵变换器的高频共模电压，学者推出了许多方法。一种直观的方案是，在 带载为开端绕组电机的双结构换流器中只采用定向开关状态所对应的旋转矢量。这些定向 开关状态对应的输出共模电压为零，因此可以将大幅度减少共模电压。但因为这一方案采 用了两套换流器，这需要更多的半导体，因此会大幅增加矩阵变换器的成本和控制复杂度。
[0010] 另一种减缓共模电压的不利影响的方案是通过软件编程的方式来修改调制策略， 尽量采用共模电压幅值低的开关状态。常用的优化方法有三种。1)从三个零矢量中选择对 应三相输入电压中瞬时值位于中间的一相，以减少零矢量对应的共模电压的幅值。但在该 方法中，零矢量被放置的位置要根据输入电压在扇区中所处的位置而决定。2)使用方向相 反的有效矢量来代替零矢量。这种方法使用了比传统空间矢量方法更多的有效矢量，因此 在一个开关周期内的开关次数增加，这增加了半导体器件的开关损耗。3)使用三个最邻近 参考矢量的有效矢量来减少零矢量。与第二种方法相比，这个方法不仅在一个开关周期内 使用了较多的开关状态，它还有另外一个限制，即只能应用在电压传输比高于0.667的场 合。
[0011] 在上述方法中，输出共模电压为零的定向开关状态均被忽略而没有使用。到目前 为止，定向开关状态仍未被充分研宄。有学者使用相位互差120度的三个定向开关状态来 减少共模电压。但该方法不能满足矩阵变换器每次仅换流一个输出相的安全工作要求。这 会造成半导体开关器件承受大电压应力，开关损耗大，输出波形的总谐波系数大。其他学者 尝试用预测控制方法将控制算法与调制算法整合在一块，建立包括共模电压在内的成本函 数，通过优化的方法在全部27种开关状态中选择使得成本函数最低的开关状态。但这一方 法也难以满足矩阵变换器每次仅换流一个输出相的安全工作要求，并且该方法的计算量比 较大，难以使用主流的数字处理器完成计算。

【发明内容】

[0012] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种使用矩阵变换器的共模 电压抑制调制方法。
[0013] 本发明的目的通过以下的技术方案实现：
[0014] -种使用矩阵变换器的共模电压抑制调制方法，包含以下顺序的步骤：
[0015] 对矩阵变换器的全部开关状态矩阵的空间矢量形式应用奇异值分解，并以此为基 础把矩阵变换器的全部开关状态划分为三类，然后利用矩阵变换器不同类别的开关状态间 的等效关系，在矩阵变换器的调制矩阵计算及开关次序中优先选择对应共模电压值小的开 关状态，并通过优化开关次序减少输出共模电压的变化率。
[0016] 所述的矩阵变换器不同类别的开关状态间的等效关系，具体为：
[0017] SabcSabb+SbbCSacc+SCbCSacbSabb+SbCbSacc+SCCb
[0018] ScabSCaa+SaabSCbb+Sbab' SbacSbCC+ScacSbaa+Saac ' _9] Sbca=Sbcc+Scca= Sbaa+SacaScba= Scaa+Saba= Scbb+Sbba
[0020] 其中，各开关状态描述开关矩阵中开关的通断，以三个输出相对应的输入相为下 标表示，共有27中开关状态，Sab。表示三个输出相ABC分别连接到输入相abc，其它依此类 推；等号表示等式两端的开关状态在合成输出电压及输入电流的效果上等价。
[0021] 一种使用矩阵变换器的共模电压抑制调制方法，具体包含以下顺序的步骤：
[0022] 步骤一、根据输出参考电压空间矢量及参考输入电流空间矢量所在的扇区，选择 与之相邻的四个旋转矢量和零矢量，并计算它们对应的开关状态矩阵的占空比；
[0023] 步骤二、根据输入电压与输出电压矢量所在的扇区，选择能将输入电压矢量旋转 变换到输出电压矢量所在扇区的定向开关状态；
[0024] 步骤三、根据矩阵变换器不同类别的开关状态间的等效关系，凑成根据步骤二所 选定的定向开关状态为目标，分解步骤一中所得的四个旋转开关状态矩阵中的一个；将原 先不在步骤一所得的四个旋转开关状态矩阵，而是通过分解得到的开关状态矩阵定义为互 补矩阵；
[0025] 步骤四、选定与步骤三中被分解的开关状态同行或同列，并且与互补矩阵不同行 且不同列的开关状态；
[0026] 步骤五、判定步骤三和步骤四中被分解的两个开关状态的占空比之和与零开关状 态的占空比的关系；若被分解的两个开关状态的占空比之和小于或等于零开关状态的占空 比，不使用定向开关状态，全部分解步骤三和步骤四所选定的两个开关状态，选择对应三相 输入电压值的绝对值最小的一相所对应的零开关状态参与调制与换流；若被分解的两个开 关状态的占空比之和大于零开关状态的占空比，零开关状态不再参与调制，将经过步骤三 和步骤四后所得到的开关状态按矩阵变换器不同类别的开关状态间的等效关系替换成定 向开关状态；余下的旋转开关状态与定向开关状态参与换流；
[0027] 步骤六、将步骤五确定的零开关状态或定向开关状态置于开关序列的中间，按照 每次仅换流一个输出相的原则安排开关次序。
[0028] 所述的步骤四，通过表格选定与步骤三中被分解的开关状态同行或同列，并且与 互补矩阵不同行且不同列的开关状态；所述表格具体通过以下方式制定：根据开关状态传 递函数的空间矢量形式奇异值分解结果中的对角阵的不同，将27种开关状态分成三种类 另IJ，包括零开关状态3个，旋转开关状态18个和定向开关状态矢量6个；将旋转开关状态矩 阵按其旋转的角度制成表格。
[0029] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0030] 1、本发明有效地降低了矩阵变换器输出共模电压的幅值。在现有技术中，减少共 模电压的调制算法仅使用了 3个零矢量及18个有效矢量。这些矢量对应本发明中的零开 关状态及旋转开关状态。但矩阵变换器的有效开关状态中，尚有6个定向开关状态在传统 的调制算法中没有被使用。本发明使用了矩阵变换器全部的有效开关状态，优先选择包括 对应输出共模电压为零的定向开关状态和对应输出共模电压为输入电压幅值的一半的零 开关状态。因为这两种开关状态对应的共模电压相对传统调制方法中使用的开关状态对应 的共模电压的幅值更低，这有效地降低了矩阵变换器输出共模电压的幅值。
[0031] 2、本发明有效地降低了矩阵变换器输出共模电压的有效值。本发明将定向开关状 态或零开关状态放置于开关次序的中间，这使得每次换流均避免从输入相电压的最大值相 切换到最小值相或相反。这降低了共模电压的变化率，从而降低了其有效值。
[0032] 3、与其他使用定向开关状态的调制方法相比，本发明的所需计算时间大大减少。 因为本发明利用旋转开关状态与定向开关状态的等效关系，与传统的空间矢量调制方法相 比，仅需少量的额外的判断及加减法计算。计算难度及所需的计算时间相对其他其他使用 定向开关状态的调制方法如预测控制方法大大减少。
[0033] 4、本发明的开关功率损耗比其他减少输出共模电压的调制方法低。在本发明中， 每个开关周期仅使用了 5个开关状态，相对其他使用两到三个有效矢量替代零矢量的调制 方法所需要的开关状态少。开关功率损耗除了与所需切换的电压电流有关系，主要地与开 关次数有关系。因此使用更少的开关状态能减少开关功率损耗。
【附图说明】
[0034] 图1为三相一三相矩阵变换器的基本结构框图；
[0035] 图2为旋转开关