一种级联H桥型矩阵换流器的运行方法与流程

本发明涉及电力电子与换流器控制技术领域，具体涉及一种级联h桥型矩阵换流器的运行方法。

背景技术：

级联h桥型模块化多电平矩阵换流器(h-bridgemodularmultilevelconverter,hb-m3c)包含9个桥臂，每个桥臂由多个子模块级联组成。相较于传统矩阵换流器，hb-m3c具有较高的电压利用率、易于建造和安装模块化结构，并能够实现无功补偿，通过控制各个桥臂中每个子模块的投入和切除，可以分别在系统输入侧与输出侧调制产生正弦电压波形。但是由于hb-m3c结构的固有特性，调制后换流器两侧的电压矢量相互独立，空间矢量的数量会随着h桥级联数目的增加而呈指数增加，若采用查表的方式对其进行空间矢量调制则会难以实现hb-m3c的实时、灵活控制，因此需要提出一种快速确定hb-m3c开关函数矩阵的方法，以实现对hb-m3c的实时、灵活控制。

技术实现要素：

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种级联h桥型矩阵换流器的运行方法。

本发明的技术方案是：

所述运行方法包括采集系统输入侧和输出侧的三相电压、获取所述三相电压的空间矢量、构建所述矩阵换流器的开关函数矩阵、对所述开关函数矩阵译码得到矩阵换流器的驱动触发脉冲；所述构建矩阵换流器的开关函数矩阵包括下述步骤：

构建第t个开关周期中连接短路支路的矩阵换流器的开关函数矩阵，t≥1；

计算第t+1个开关周期中所述输入侧和输出侧的三相电压空间矢量的零矢量占空比；

比较所述输入侧和输出侧的零矢量占空比：选取零矢量占空比较大一侧的三相电压实时运行中瞬时值最大的一相的相编号作为所述较大一侧的单相电容控制的电容编号，选取零矢量占空比较小一侧的三相电压实时运行中瞬时值最大且其极性与所选取的较大一侧的最大瞬时值相反的一相的相编号作为所述较小一侧的单相电容控制的电容编号；

依据所述较大一侧和较小一侧的电容编号修改所述开关函数矩阵。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种级联h桥型矩阵换流器的运行方法，克服了hb-m3c包含大量级联功率子模块时开关表庞大难以实现对hb-m3c进行灵活、有效控制的技术缺陷，能够在不使用开关表的情况下快速计算开关函数矩阵；

2、本发明提供的一种级联h桥型矩阵换流器的运行方法，通过构建连接短路支路的矩阵换流器的开关函数矩阵，在此基础修改该开关函数矩阵可以使得快速计算出开关函数矩阵；

3、本发明提供的一种级联h桥型矩阵换流器的运行方法，通过比较系统输入侧和输出侧的零矢量占空比，进而确定输入侧与输出侧在单相电容控制时的电容编号，可以有效、准确地选择单相电容支路，从而在不使用开关表的情况下快速计算开关函数矩阵。

附图说明

图1：本发明实施例中一种级联h桥型矩阵换流器的运行方法流程图；

图2：本发明实施例中构建矩阵换流器的开关函数矩阵的方法流程图；

图3：本发明实施例中hb-m3c结构示意图；

图4：图3中功率子模块的结构示意图；

图5：本发明实施例中hb-m3c输入侧和输出侧三相电压矢量运行图；

图6：本发明实施例中空间电压矢量的相邻矢量示意图；

图7：本发明实施例中零矢量占空比较大一侧的三相电压实时运行示意图；

图8：本发明实施例中零矢量占空比较小一侧的三相电压实时运行示意图。

具体实施方式

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、完整地说明，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。

下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种级联h桥型矩阵换流器的运行方法进行说明。

图1为本发明实施例中一种级联h桥型矩阵换流器的运行方法流程图，如图所示，本实施例中级联h桥型矩阵换流器的运行方法包括下述步骤：

步骤s1：采集系统输入侧和输出侧的三相电压。

步骤s2：获取三相电压的空间矢量。本实施例中采用clarke变换法分别将输入侧的三相电压矢量和输出侧的三相电压矢量转换为两相静止坐标系下的空间矢量。

步骤s3：构建矩阵换流器的开关函数矩阵。

步骤s4：对开关函数矩阵译码得到矩阵换流器的驱动触发脉冲。

下面对步骤s3涉及的构建菊展换流器的开关函数矩阵的具体方法进行介绍：

图2为本发明实施例中一种级联h桥型矩阵换流器的运行方法中构建矩阵换流器的开关函数矩阵的方法流程图，如图所示，其包括下述步骤：

步骤s301：构建第t个开关周期中连接短路支路的矩阵换流器的开关函数矩阵，t≥1。

步骤s302：计算第t+1个开关周期中所述输入侧和输出侧的三相电压空间矢量的零矢量占空比。

步骤s303：比较输入侧和输出侧的零矢量占空比，确定矩阵换流器的单相电容控制的电容编号。

步骤s304：依据电容编号修改开关函数矩阵。

下面对构建矩阵换流器的开关函数矩阵方法的各个步骤进行详细说明：

1、步骤s301

本实施例中建第t个开关周期中连接短路支路的矩阵换流器的开关函数矩阵包括：确定开关函数矩阵包含的元素mij为：

其中，mij为开关函数矩阵中第i行第j列元素，和分别为元素mij的高位和低位；为系统输入侧三相电压空间矢量的第j个元素，为系统输出侧三相电压空间矢量的第i个元素，i＝1,2,3，j＝1,2,3。

2、步骤s302

(1)本实施例中计算第t+1个开关周期中输入侧三相电压空间矢量的零矢量占空比包括：

其中，和为输入侧三相电压空间矢量的两个相邻矢量的占空比。

相邻矢量占空比的计算公式为：

相邻矢量占空比的计算公式为：

其中，vⁱⁿ为输入侧三相电压空间矢量，θⁱⁿ为三相电压空间矢量vⁱⁿ的相位角，vcap为hb-m3c中功率子模块的电容电压。

(2)本实施例中计算第t+1个开关周期中输出侧三相电压空间矢量的零矢量占空比包括：

其中，和为输出侧三相电压空间矢量的两个相邻矢量的占空比。

相邻矢量占空比的计算公式为：

相邻矢量占空比的计算公式为：

其中，v^out为输出侧三相电压空间矢量，θ^out为三相电压空间矢量v^out的相位角，vcap为hb-m3c中功率子模块的电容电压。

3、步骤s303

本实施例中确定矩阵换流器的单相电容控制的电容编号包括：选取零矢量占空比较大一侧的三相电压实时运行中瞬时值最大的一相的相编号作为较大一侧的单相电容控制的电容编号，选取零矢量占空比较小一侧的三相电压实时运行中瞬时值最大且其极性与所选取的较大一侧的最大瞬时值相反的一相的相编号作为所述较小一侧的单相电容控制的电容编号。具体来说包括两个实施例：

第一实施例：

若第t+1个开关周期中输入侧的零矢量占空比大于输出侧的零矢量占空比，则将输入侧 的三相电压实时运行中瞬时值最大的一相的相编号作为输入侧单相电容控制的电容编号x1，将输出侧的三相电压实时运行中瞬时值最大且其极性与输入侧的最大瞬时值相反的一相的相编号作为输出侧单相电容控制的电容编号y1，得到矩阵换流器在单相电容控制时的单相电容支路为x1y1。

第二实施例：

若第t+1个开关周期中输出侧的零矢量占空比大于输入侧的零矢量占空比，则将输出侧的三相电压实时运行中瞬时值最大的一相的相编号作为输出侧单相电容控制的电容编号y2，将输入侧的三相电压实时运行中瞬时值最大且其极性与输出侧的最大瞬时值相反的一相的相编号作为输入侧单相电容控制的电容编号x2，得到所述矩阵换流器在单相电容控制时的单相电容支路为x2y2。

4、步骤s304

本实施例中修改开关函数矩阵包括：

(1)设定电容编号与开关函数矩阵中行和列的对应关系，依据对应关系确定开关函数矩阵中待修改元素的位置。

本实施例中设定电容编号与开关函数矩阵的对应关系可以是：将输入侧的电容编号与开关函数矩阵的列序号顺次对应，将输出侧的电容编号与开关函数矩阵的行序号顺次对应。一般定义开关函数矩阵的列表示输入侧的相序，行表示输出侧的相序。

(2)依据输入侧和输出侧的零矢量占空比的逻辑关系确定待修改元素的元素值，具体为：

若第t+1个开关周期中输入侧的零矢量占空比大于输出侧的零矢量占空比，则将待修改元素的高位置1、低位置0。

若第t+1个开关周期中输出侧的零矢量占空比大于输入侧的零矢量占空比，则将待修改元素的高位置0、低位置1。

图3为本发明实施例中hb-m3c结构示意图，下面结合图3对本发明提出的级联h桥型矩阵换流器的运行方法进行详细说明。如图3所示，本实施例中hb-m3c的每个桥臂由3个功率子模块级联组成，该功率子模块的结构如图4所示，包括功率开关器件q1、q2、q3和q4。针对该hb-m3c的运行步骤为：

1、采集hb-m3c输入侧和输出侧的三相电压，得到输入侧a、b、c三相电压矢量uabc 和输出侧a、b、c三相电压矢量uabc。

2、对采集到的三相电压矢量uabc和三相电压矢量uabc进行clarke变换得到输入侧空间电压矢量vⁱⁿ和输出侧空间电压矢量v^out。

图5为本发明实施例中hb-m3c输入侧和输出侧三相电压矢量运行图，电压矢量v1、v2、v3、v4、v5和v6对应的状态转移开关依次为[100]、[110]、[010]、[011]、[001]、[101]，如图所示，输入侧电压矢量为v2，输出侧电压矢量为v5。

3、构建开关函数矩阵

(1)确定开关函数矩阵的初始元素值

本实施例中设定在当前开关周期内某一时刻输入侧电压矢量为v2＝[110]，输出侧电压矢量为v5＝[001]。根据式(1)计算开关函数矩阵的各元素值。

输入侧：输出侧：

开关函数矩阵的第1行元素为：

开关函数矩阵的第2行元素为：

开关函数矩阵的第3行元素为：

可以得到本实施例中开关函数矩阵

(2)比较下一个开关周期中输入侧和输出侧三相电压空间矢量的零矢量占空比，本实施例中设定

(3)确定矩阵换流器的单相电容控制的电容编号

本实施例中设定图5中电压矢量v1与输入侧a相重合，所以电压矢量v2为输入侧c相的负最大值。如图所示可以确定输入侧电压矢量vⁱⁿ接近电压矢量v2了，也就是说接近c相负最大值，输出侧电压矢量v^out处于电压矢量v4和v5之间。

图7为本实施例中零矢量占空比较大一侧的三相电压实时运行示意图，即输出侧的三相电压实时运行示意图，可以确定此时处于区域2处，瞬时值最大的为c相且为负极性，则输出侧单相电容控制的电容编号为c。

图8为本实施例中零矢量占空比较小一侧的三相电压实时运行示意图，即输入侧的三相电压实时运行示意图，可以确定此时处于区域4～5之间，此时a相和c相电压的瞬时值均较大，但是c相电压为正极性，与前述分析得到输出侧c相极性相反，则输入侧单相电容控指的电容编号为c，最后得到矩阵换流器的单电容支路为cc。

(4)修改开关函数矩阵

本实施例中设定电容编号为：将输入侧的电容编号与开关函数矩阵的列序号顺次对应，将输出侧的电容编号与开关函数矩阵的行序号顺次对应，则可以得到本实施例中待修改元素的位置为第3行第3列元素，同时由于输出侧的零矢量占空比大于输入侧的零矢量占空比，则将待修改元素的高位置1、低位置0，即为01。

修改后的开关函数矩阵为

4、对开关函数译码得到矩阵换流器的驱动触发脉冲

本实施例中按照表1示出的译码规则对开关函数矩阵进行译码。

表1

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

本发明实施例中一种级联h桥型矩阵换流器的运行方法，克服了hb-m3c包含大量级联功率子模块时开关表庞大难以实现对hb-m3c进行灵活、有效控制的技术缺陷，能够在不使用开关表的情况下快速计算开关函数矩阵。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。