具有容错拓扑结构的z源双级式矩阵变换器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了具有容错拓扑结构的Z源双级式矩阵变换器及其控制方法，属于矩 阵变换器控制的技术领域。
【背景技术】
[0002] 交流电力变换器是交流变频系统的核心，也是许多电气设备的最重要的组成部 分。随着电力电子技术的进步以及高性能半导体功率器件的出现，交流电力变换器也得到 了迅猛的发展。其中矩阵变换器作为一种新型的交流变换器，具有结构紧凑，体积较小，稳 定性好，使用寿命长的优点。而由矩阵变换器演变而来的双级式矩阵变换器不仅具有传统 矩阵变换器的优势，同时还克服了传统矩阵变换器换流复杂，需要箝位电路的缺点。
[0003] 此外，双级式矩阵变换器的实用化还需要解决电压传输比较低的问题。目前已经 有学者将Z源网络运用于双级式矩阵变换器，利用Z源网络以及直通环节升压来提高电压 传输比。同时，由于Z源网络的加入可以减小甚至消除死区时间，这就可以进一步改善输出 电流电压的波形质量。
[0004] 电力电子技术不断进步，功率电子器件迅猛发展，电力电子设备的容量和规模日 益增大，系统也日趋复杂。这样的大规模系统一旦出现故障，可能会造成巨大的经济损失， 甚至对相关人员的生命安全造成威胁。在此背景之下，容错技术迅速发展，为系统的可靠性 和安全性提供了解决方案。而双级式矩阵变换器采用三相交流电源输入，整体容量一般较 大，系统也较为复杂。因此，采用容错技术提高双级式矩阵变换器系统的可靠性，安全性与 容错运行能力具有重要意义。
[0005] 目前，已经有许多学者对双级式矩阵变换器的容错技术进行了研究，研究重点主 要集中在逆变级故障，而对于整流级故障，现有技术一般采取停机保护的处理方式。亟待提 出一种针对双级式矩阵变换器整流级故障的容错控制方法。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了具有容错拓扑结 构的Z源双级式矩阵变换器及其控制方法，提出一种整流级具有容错拓扑结构的双级式矩 阵变换器以及针对双级式矩阵变换器整流级故障的容错控制方法，解决了双级式矩阵变换 器整流级某一双向开关管断路故障后变换器无法继续运行的技术问题。
[0007] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0008] 具有容错拓扑结构的Z源双级式矩阵变换器，包括：LC滤波器、整流级、Z源网络、 逆变级，LC滤波器输入端接三相交流电源，LC滤波器输出端接整流级三相桥臂中点，Z源网 络输入端口接在整流级三相桥臂两端，Z源网络输出端口接在逆变级三相桥臂两端，
[0009] 整流级三相桥臂两端并联有替代整流级开路双向开关管工作的第四桥臂，第四桥 臂由两个带有反并二极管的单向开关管串联组成，第四桥臂的中点接三相交流电源的中性 点。
[0010] 所述Z源双级式矩阵变换器的控制方法，
[0011] 当所述Z源双级式矩阵变换器整流级中的双向开关管断路时：重新划分整流级空 间矢量扇区使得每个扇区包含唯一非零矢量以调整整流级容错控制策略；
[0012] 当整流级期望矢量位于故障扇区时：调整逆变级直通矢量占空比进而调整逆变级 控制策略。
[0013] 做为所述Z源双级式矩阵变换器控制方法的进一步优化方案，重新划分整流级空 间矢量扇区使得每个扇区包含唯一非零矢量以调整整流级容错控制策略，具体方法为：
[0014] 将变换器正常工作时调制整流级的不含零矢量的输入电流空间矢量调制策略转 换为不含零矢量的输入电压空间矢量调制策略；
[0015] 将电压空间矢量扇区逆时针旋转三十度得到重新划分后的整流级空间矢量扇 区；
[0016] 调整整流级期望矢量所属扇区中用于调制的矢量的占空比。
[0017] 进一步的，所述Z源双级式矩阵变换器控制方法中，当整流级期望矢量位于故障 扇区时：调整逆变级直通矢量占空比进而调整逆变级控制策略，具体方法为：
[0018] 依照非直通矢量时间作用内直流母线电压升高为该故障扇区内唯一非零矢量电 压值K倍的原则调整故障扇区直通矢量占空比，K为升压后故障扇区非直通矢量时间作用 内直流母线电压与该故障扇区内唯一非零矢量电压值的比率；
[0019] 对逆变级直轴电压和交轴电压进行折算，由逆变级直轴电压和交轴电压折算值、 非故障扇区内逆变级输入侧有效时间的电压平均值确定逆变级矢量调制的调制比；
[0020] 由逆变级矢量调制的调制比以及期望矢量与扇区内唯一非零矢量的夹角确定逆 变级调制矢量占空比。
[0021] 再进一步的，所述Z源双级式矩阵变换器控制方法中，对逆变级直轴电压和交轴 电压进行折算的表达式为：
[0023] 其中，Ud、Uq分别为直轴电压、交轴电压的给定值，?/?;、％分别为直轴电压、交轴 电压的折算值，R为折算系数，
，Β非故障扇区非直通矢量作用时间内逆变器输入侧 直流母线电压与不含直通矢量时逆变器输入侧直流母线电压的比率，
故障扇区内直通矢量占空比。
[0024] 再进一步的，所述Ζ源双级式矩阵变换器控制方法，非故障扇区内逆变级输入侧 有效时间的电压平均值Uavg为：
比为三相电源的线电压幅值。
[0025] 再进一步的，所述Z源双级式矩阵变换器控制方法，综合实际的运行条件和器件 的耐压值，妥善选取升压后故障扇区非直通矢量时间作用内直流母线电压与该故障扇区内 唯一非零矢量电压值的比率κ，K的取值为1至1. 6之间的实数。
[0026] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0027] (1)在整流级添加了由两个串联的带有反并二极管的单向开关管组成的第四桥 臂，当Ζ源双级式矩阵变换器的整流级某一双向开关管出现断路故障时，能够削弱Ζ源网络 输出端与输入端的电压尖峰，防止故障瞬间过高的电压尖峰损坏电路，同时，也为故障检测 提供了时间上的可能性；
[0028] (2)添加了第四桥臂拓宽了整流级可用矢量的范围，整流级某一双向开关管出现 断路故障时的容错控制策略，重新划分整流级矢量空间的扇区使得故障影响的扇区区间由 180度缩小为120度，减小了故障的影响范围，配合Ζ源网络改进逆变级控制策略对逆变级 输入侧直流母线电压进行补偿，实现了Ζ源双级式矩阵变换器的容错运行并提高了系统的 安全性和可靠性。
[0029] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0030] 图1为电路拓扑结构示意图；
[0031] 图2为整流级电流空间矢量调制示意图；
[0032] 图3为开关管驱动波形调制示意图；
[0033] 图4为容错策略下矢量空间扇区划分示意图；
[0034] 图5为系统带永磁电机负载时线电压、相电流与电机转速的仿真实验图。
【具体实施方式】
[0035] 下面详细描述本发明的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性 的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0036] 本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式"一"、"一 个"、"所述"和"该"也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措 辞"包括"是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加 一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称 元件被"连接"或"耦接"到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存 在中间元件。此外，这里使用的"连接"或"耦接"可以包括无线连接或耦接。这里使用的 措辞"和/或"包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0037] 本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术 语和科学术语）具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应 该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的 意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0038] 为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步 的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0039] 1、电路拓扑结构
[0040] 本发明电路拓扑结构示意图如图1所示，包括依次连接的三相交流供电电源、LC 滤波器、整流级、Z源网络、逆变级电路。整流级中，6个双向开关管组成的三个桥臂分别与 电源的A、B、C三相相连，另外两个带有反并二极管的单向开关管串联构成整流级的第四桥 臂，三相交流电源的中性点连接第四桥臂中点。逆变级由6个单向开关管组成3个普通的 三相桥臂。整流级与逆变级之间使用Z源网络进行连接，提高双级式矩阵变换器的电压传 输比。
[0041] 当Z源双级式矩阵变换器的整流级某一双向开关管出现断路故障时，能够削弱Z 源网络输出端与输入端的电压尖峰，防止故障瞬间过高的电压尖峰损坏电路，同时，也为故 障检测提供了时间上的可能性。
[0042] 2、控制策略
[0043]Z源双级式矩阵变换器在正常状态下运行时，不使用第四桥臂，采用常用的双空间 矢量调制。
[0044] 整流级采用不含零矢量的输入电流空间矢量调制，整流级的空间矢量调制如图2 所示，矢量空间均分为扇区I至扇区VI这6个扇区，存在6个非零电流矢量，分别为矢量L 至矢量16，位于每一个扇区的分界线上，每一个电流矢量代表矩阵整流器的一种开关状态， 矢量的第一、二、三位依次代表与A、B、C相连接的双向开关的状态。-1表不与该相相连靠 近直流母线N侧的双向开关开通，另一侧开关关断，即该相与直流母线P直通；0表示与该 相相连两组双向开关都关断；1表示与该相相连靠近直流母线P侧的双向开关开通，另一侧 开关关断，即该相与直流母线N直通。期望的电流空间