专利名称：一种拓宽双级式矩阵变换器功率因数角调节范围的方法
技术领域：
本发明涉及一种对矩阵变换器的功率因数角进行调节的方法，尤其涉及一种对双级式矩阵变换器功率因数角的调节范围进行拓宽的方法。
背景技术：
随着世界对环境问题和能源危机的日益重视，分布式发电技术正成为电力电子领域的研究热点。并网变换器是分布式发电系统的重要组成部分，它将风电、光电、燃气轮机或其他形式的分布式能源产生的电能变换为电网所需的形式。对于三相交流输入的供电系统，目前并网变换器通常采用交-直-交变换器，存在一些难以克服的缺点，譬如中间直流环节需要大容量的储能电容，增大了系统的体积重量，同时降低了系统的可靠性，不具备能量双向流动能力等。
矩阵变换器作为一种直接的AC-AC变换器，具有体积重量小、输入功率因数可调、无需直流储能电容、可以同时得到正弦的输入电流和输出电压等优点，可以满足分布式发电的要求，在分布式发电领域有广阔的应用前景。同时，在航空变频交流领域，矩阵变换器因其自身具有的双向功率流动能力，以及高可靠性，可将其用作将变频交流转为恒频交流的高效变频器。矩阵变换器的拓扑主要分为两种，一种是单级式结构，该结构采用传统的3X3开关拓扑结构，采用9个双向开关将输入与输出相连接；另一种是双级式结构，该结构分为物理上的整流级和逆变级，其中整流级采用6个双向开关将输入三相连接至直流侧母线，逆变级采用传统的三相桥式电路将直流母线与输出三相连接。双级式结构具有开关换流简单，可以实现整流级的ZCS等优点，并且在一定条件下可以减小开关数量，因此比单级式矩阵变换器具有更广阔的应用前景。双级式矩阵变换器若采用传统的双空间矢量控制方法，输入功率因数角调节范围有(-η/6，π/6)的约束，限制了它对输入无功功率的调节能力。将双级式矩阵变换器应用于分布式发电并网或者起动发电领域时，若功率由整流级传递至逆变级，即功率正向流动时，双级式矩阵变换器工作原理类似于buck，逆变级输出电压将低于整流级输入电压，此时双级式矩阵变换器起降压作用；若功率由逆变级传递至整流级，即功率反向流动时，双级式矩阵变换器工作原理类似于boost，整流级输出电压将高于逆变级输入电压，此时双级式矩阵变换器起升压作用。当双级式矩阵变换器并网发电时，当电机输出电压低于电网电压时，可将矩阵变换器工作于升压模式，即将电机接在逆变级，整流级通过电感连接至电网，此时功率由逆变级传递至整流级，并网提供的有功功率由逆变级的输入功率决定，并网提供的无功功率将由输入功率因数角以及输入有功功率共同决定。扩大输入功率因数角的调节范围，可以在同种输入有功功率的条件下扩大其提供无功功率的范围，从而提升其低电压穿越的能力。双级式矩阵变换器应用于起动发电领域时，若发电时发电机输出电压较低，可以将电机接在逆变级，负载接在整流级，从而起到升压的作用。但此时因整流级提供的无功功率受到约束，对负载的阻抗角会有额外的要求，即阻抗角限制在(-η/6，π/6)，若能扩大输入功率因数角的调节范围，可以解除对负载阻抗角的额外限制。因此采用一定的控制方法拓宽输入功率因数角的调节范围对双级式矩阵变换器的应用具有重大的意义。
发明内容
技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种用于拓宽双级式矩阵变换器功率因数角调节范围的方法，可以使双级式矩阵变换器输入功率因数角的调节范围从(-η/6，π/6)拓宽到(-π /2，31 /2) 。
技术方案为了解决上述的技术问题，本发明的拓宽双级式矩阵变换器功率因数角调节范围的方法包括下列步骤:步骤一:采样得到双级式矩阵变换器的三相输入电压值，同时在双级式矩阵变换器的整流级初步选取电流矢量，并根据需要生成的电压指令信号选取双级式矩阵变换器的逆变级的电压空间矢量；步骤二:根据步骤一得到的三相输入电压值和选取的电流矢量值，得到两个不同有效电流矢量作用期间直流母线的瞬时电压值；步骤三:判断步骤二所得直流母线瞬时电压值的正负，如果其值为正，则进行步骤四，如果其值为负，则进行步骤五；步骤四:维持各桥臂中开关管的原有的驱动信号，即采用步骤二中的电流空间矢量和电压空间矢量，综合得到各开关管的驱动信号；步骤五:在双级式矩阵变换器的一个调制期间内交换整流级和逆变级每个桥臂上下开关管的驱动信号，采用修正后的电流空间矢量和电压空间矢量，生成各开关管的驱动信号，所述的修正后的电流空间矢量和电压空间矢量为经过驱动信号交换代表的矢量，此交换过程即为双级式矩阵变换器每个桥臂上下开关管驱动信号交换的过程。本发明的技术方案具体原理如下:首先，在任意开关模态下，双级式矩阵变换器的等效开关函数可写为:
Γδ1 s I /、，、
ap an / ort\广广、S=S X5.= S1 S, X ρΑ ρΒ pC ={Α Β)χ =AC+ BD (I)
LJrec ιηνbp bnCtCtCt'-7χ
S S V ^ ηΒ ^nC J\ J
\ Κ cpCTl }其中和Sinv分别为双级式矩阵变换器整流级和逆变级对应的开关函数矩阵，矩阵中Sij为相应的开关管的开关函数，在整流级的开关函数矩阵中，下标i可有a、b、c三种取值，分别对应输入a、b、c三相；下标j有p、n两种取值，分别对应连接到直流侧的正端与负端。与此类似，在逆变级的开关函数矩阵中，i可有P、η两种取值；j有Α、B、C三种取值，分别对应输出A、B、C三相。例如，Sap即表示整流级中将输入a相连接至直流侧正端的开关管所对应的开关函数，Sn。即表示逆变级中将直流侧负端与输出C相连接的开关管所对应的开关函数。随后的矩阵中出现的A、B为将整流级开关函数矩阵进行分块后的简化表示，C、D为将逆变级开关函数矩阵进行分块后的简化表示。当采用传统的控制方法时，在输入功率因数角大于π /6或者小于-π /6时，直流母线将会出现正端电压低于负端的情况，该情况将导致逆变级开关管经过续流二极管发生直通，限制了双级式矩阵变换器的正常运行，因此需要寻找一种合适的方法拓宽双级式矩阵变换器功率因数角调节范围。从常用的整流级无零矢量的调制策略可以得知，在每个调制周期内，直流母线的瞬时电压值有两种不同的取值。在直流母线电压不同取值的情况下，如果采用下面的控制方法，可以保证双级式矩阵变换器在输入功率因数角为(-η/2，π/2)中任意角度的安全运行，从而可以拓宽双级式矩阵变换器功率因数角调节范围。首先，根据传统调制方法计算整流级和逆变级所采用空间矢量的占空比；然后可以根据预测得到的直流母线电压的符号值，对所采用的空间矢量进行修正:在计算得到的直流母线的瞬时电压值(Upn)大于零时，维持原有的各桥臂中开关管的驱动信号，即采用初次选择得到的空间矢量；计算得到的直流母线的瞬时电压值(Upn)小于等于零时，在调制期间交换整流级和逆变级每个桥臂上下开关管的驱动信号，即采用修正后的空间矢量。其原理可以通过下面的开关函数矩阵加以解释:
权利要求
1.一种拓宽双级式矩阵变换器功率因数角调节范围的方法，其特征在于，包括下列步骤: 步骤一:采样得到双级式矩阵变换器的三相输入电压值，同时在双级式矩阵变换器的整流级初步选取电流矢量，并根据需要生成的电压指令信号选取双级式矩阵变换器的逆变级的电压空间矢量； 步骤二:根据步骤一得到的三相输入电压值和选取的电流矢量值，得到两个不同有效电流矢量作用期间直流母线的瞬时电压值； 步骤三:判断步骤二所得直流母线瞬时电压值的正负，如果其值为正，则进行步骤四，如果其值为负，则进行步骤五； 步骤四:维持各桥臂中开关管的原有的驱动信号，即采用步骤二中的电流空间矢量和电压空间矢量，综合得到各开关管的驱动信号； 步骤五:在双级式矩阵变换器的一个调制期间内交换整流级和逆变级每个桥臂上下开关管的驱动信号，采用修正后的电流空间矢量和电压空间矢量，生成各开关管的驱动信号，所述的修正后的电流空间矢量 和电压空间矢量为经过驱动信号交换代表的矢量。
全文摘要
本发明公开了一种对双级式矩阵变换器功率因数角的调节范围进行拓宽的方法，其包括采样得到电流矢量和电压空间矢量值的步骤，得到两个不同有效电流矢量作用期间直流母线的瞬时电压值的步骤，判断所得直流母线瞬时电压值的正负的步骤，综合得到各开关管的驱动信号的步骤；采用修正后的电流空间矢量和电压空间矢量，生成各开关管的驱动信号的步骤。本发明的方法在双空间矢量调制方法的基础上，提出了一种拓宽输入功率因数角调节范围的控制方法。这种控制方法简单而有效，无需多余的硬件成本，并且方便硬件实现，对双级式矩阵变换器的研究工作具有较高的使用价值。
文档编号H02M1/42GK103236783SQ20131011211
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月2日 优先权日2013年4月2日
发明者黄海涛, 周波, 秦显慧, 刘晓宇, 雷家兴 申请人:南京航空航天大学