一种矩阵整流器的控制方法
【专利摘要】本发明属于电能变换技术领域，涉及一种矩阵整流器的控制方法；该方法通过检测网侧输入电压和电流，计算得到矩阵整流器的瞬时输入有功功率与无功功率，采用滑模控制，通过瞬时输入有功功率的参考值动态调节电流调制比，实时修改矩形整流器的瞬时输入有功功率，从而改善电流输出波形。
【专利说明】
-种矩阵整流器的控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及电能变换领域，具体属于一种应用于矩阵整流器的控制方法。
【背景技术】
[0002] 矩阵整流器是一种将交流电转化为直流电的电能变换装置，控制策略是指矩阵整 流器控制的基本要求，其控制策略的优劣直接影响到矩阵整流器的应用。控制策略主要包 括基于电网电压定向的矢量控制与基于虚拟磁链定向的矢量控制，而运两种都是基于电流 闭环的控制策略，实际上是通过dq坐标系中的相关电流的闭环控制来间接实现，由于是间 接实现，其控制较为繁琐。
【发明内容】
[0003] 本发明的提供了一种矩阵整流器的控制方法，与基于电流闭环控制策略不同，基 于功率环的控制策略不仅鲁棒性好，而且控制结构简单，能够控制输出电流波形。
[0004] 本发明提供一种矩阵整流器的控制方法，包括如下步骤：
[0005] (1)实时检测网侧S相电压与S相电流，对其进行park(派克)变换，采用瞬时功率 计算，得出矩阵整流器的瞬时输入有功功率Ps与瞬时输入无功功率Qs,且进行Clark(克拉 克)变换；
[0006] (2)采用滑模函数对矩阵整流器的瞬时输入有功功率Ps控制，通过滑模动态切换 电流调制比m的值控制瞬时输入有功功率Ps，从而控制输出电流波形。
[0007] 进一步的，在步骤(2)之中，所述滑模函数为S = Pref-Ps,式中Pref为目标瞬时输入 有功功率的参考值;当滑模函数S〉0时，电流调制比m从0滑模切换至1;当滑模函数S<0时，电 流调制比m从1滑模切换至0。
[000引本发明的一种矩阵整流器的控制方法进一步包括如下步骤：
[0009] (3)依据步骤间所得电流调制比m，选择补偿角度申，用于使矩阵整流器满足单位因 数运行；（4)由电流调制比m与补偿角度巧对占空比进行计算；
[0010] (5)通过上述所得开关矢量占空比，对矩阵整流器控制，用于使其在网侧高功率因 数运行且输出恒定。
[0011] 进一步的，在步骤(3)之中，补偿角度CP的值为
，《为电网电压角频率， 化为负载值，Ci为输入滤波器电容值。
[0012] 进一步的，在步骤(4)之中，其中，设定为目标电流矢量，设定由相邻的两个 电流矢量和r进行PWM矢量合成，/:的相位超前于;，目为4和某的夹角，且目E [0，60。]， 合成公式如下：
[0013]
[0014] 式中，Io为电流零矢量，Ts为一个PWM调节周期的时间，Ta (0)、Te (0)和To (0)分别为 一个PWM调节周期内4、;和4^个电流矢量的作用时间，其占空比表达式为：
[0015] da(白）=m sin(60。-白），
[0016] de(白）=m sin白，
[0017] do(目）= l-da(目）-de(白），
[001引上式中，da(0)、de(0)和d0(0)分别为4、;和4的占空比函数，
[0019] 其中
[0020] 为了取得功率的快速响应，本发明采用直接功率控制，与现有技术中的两种矢量 定向的间接控制不同，直接功率控制无需转化对应的电流变量来控制，而是将矩阵整流器 瞬时输入的有功功率和瞬时输入的无功功率直接闭环控制。与基于矢量定向的电流控制相 比，直接功率控制具有鲁棒性好、控制结构简单等多方面优势。
[0021] 进一步的，为了使矩阵整流器工作在网侧高功率因数，同时采用前馈补偿的滑模 控制。不仅无输出电压反馈，计算简单，且使用滑模控制具有快速响应、对矩阵整流器参数 变化及扰动不敏感、无需系统在线识别、物理实现简单等优点。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的一个实施例的矩阵整流器的控制方法的流程图；
[0023] 图2为本发明的一个实施例的矩阵整流器拓扑结构；
[0024] 图3为本发明的一个实施例的输入相电流空间矢量图与目标电流矢量合成图；
[0025] 图4为本发明的一个实施例的dq坐标变换原理图；
[0026] 图5为本发明的一个实施例的输入电流矢量相位补偿过程原理图。
[0027] 具体实施方法
[0028] 本发明采用的滑模控制方法，下面结合附图与实例对本发明进行进一步详解。
[0029] 实例中矩阵整流器的拓扑结构如图2所示，由5个部分构成:第I部分为网侧输入电 压(Ua、Ub、Uc)与网侧输入电流为(Ia、Ib、Ic);第II部分为输入滤波器(Ci、Li)，第III部分为由 6个双向开关组成的主电路(511、512、513、521、522、523);第1￥部分为输出滤波器(抗心）；第￥部 分为负载(化）。
[0030] 假设网侧输入电压为正序，矩阵整流器的相间不能短路且输出各相不能开路，那 么其拓扑中的双向开关组合共有9种，如表1所示：
[0031] 表1输入电压正相序时电流空间矢量
[0032]
[0033]
[0034] 如上表所示，前六种为有效矢量，后=种为零矢量。在一个PWM开关周期中，有效矢 量按照要求作用一段时间为输出提供电压，剩下的时间为零矢量作用时间，没有电压输出， 只提供负载续流。
[0035] 结合图3,矩阵整流器输入电流空间矢量由输入电流进行矢量合成，在复平面内W 电网电压频率《匀速转动，其目标电流矢量
也为输入电流空间矢量的 模）。图3中I~VI代表6个输入电流扇区，它按照相电压的过零点进行划分输入电压区间，并 进行电流矢量的选择。
[0036] 任意时刻输入电流空间矢量可由两个相邻的非零开关矢量和一个零开关矢量合 成而得到。如图3,假设在某一时刻需要合成的电流矢量为/；；；/，它由相邻的两个电流矢量合 成，其中相位超前的一个为;，相位滞后的一个为,心与4的夹角为目，且目e[0,60。]。 将和进行PWM合成，将能得到目标电流矢量。在实现对电流调节的同时，还要保证输 出直流不能断续。因此，在通过4和《合成的同时，还需加入一个零矢量4,输入电流矢量 的合成公式为：
[0037]
[003引式中Ts为一个PWM开关周期，Ta(目）、Te(目）与To(目）分别为一个PWM开关周期内 ;、;和/1^个电流矢量的作用时间，其占空比表达式为
[0039] da(目）=m sin(60。-白），
[0040] de(白）=m sin白，
[0041 ] do(0) = l-da(0)-dp(0)〇
[0042] 其中da(目）、de(目)和do(目)分别为和的占空比函数；
[0043]
0〇是由检测网侧电压矢量通过Clark(克拉克)变换后得到，本 方法采用前馈补偿控制，补偿角度为口，口为输入电流相对于输入电压的位移，是矩阵整 流器主电路功率因数角，其值大/J'
[0044] me [0，1]，其值由矩阵整流器通过滑模控制得到，采用基于功率环的滑模控制方 法，基于滑模的功率环设计如下：
[0045] 定义滑模函数S
[0046] S = P 巧广 Ps
[0047] 式中
为瞬时输入有功功率的参考值，
[004引
弓网侧瞬时输入有功功率。
[0049] 按滑模控制要求，控制输入的选择必须依据可达性条件，贝U
[0050] SS <0
[0化1 ]当矩阵整流器处于单位功率运行时：
[00对有
[0053 ]①当 S = Pa广Ps > 0 时，Pref > Ps，即 Vref > Vo，Vo-Vref < 0 [0054]此时m=l，即Usd>Uid，Usd_Uid>〇
[0化5] 所W
[0056 ]②当 S = P巧广Ps < 0 时，Pref < Ps，即 Vref < Vo，Vo-Vref > 0 [0化7]化；时 m = 0,即 Usd<Uid，Usd-Uid<0
[005引所
[0059] 为了使系统运动轨迹能到达滑模面，控制Pref必须满足下列约束条件：
[0060] S即（Pref-Ps) = S即（S)
[0061 ] 可令当Pref >Ps，即S〉0时，电流调制比从0滑模切换至1 ;当Pref <Ps，即S<0时，电流 调制比从1滑模切换至0,通过滑模动态切换电流调制比m的值控制瞬时输入有功功率，从而 控制输出电流波形。
[0062]矩阵整流器的控制电路按照计算得到的开关状态持续时间来安排双向开关的导 通和关断，从而实现对矩阵整流器网侧高功率因数运行的控制，且输出波形可控。
【主权项】
1. 一种矩阵整流器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 实时检测网侧三相电压与三相电流，对其进行park变换，采用瞬时功率计算，得出 矩阵整流器的瞬时输入有功功率Ps与瞬时输入无功功率Q s，且进行clark变换； (2) 采用滑模函数对矩阵整流器的瞬时输入有功功率Ps控制，通过滑模动态切换电流调 制比m的值控制瞬时输入有功功率P s，从而控制输出电流波形。2. 根据权利要求1所述的矩阵整流器的控制方法，其特征在于，在步骤(2)之中，所述滑 模函数为S = Prrf_Ps，式中Pm为目标瞬时输入有功功率的参考值；当滑模函数S>0时，电流 调制比m从0滑模切换至1;当滑模函数S〈0时，电流调制比m从1滑模切换至0。3. 根据权利要求1或2所述的矩阵整流器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤： (3) 依据步骤⑵所得电流调制比m，选择补偿角度Φ，用于使矩阵整流器满足单位因数运 行； (4) 依据电流调制比m与补偿角度φ对占空比进行计算； (5) 通过上述所得开关矢量占空比，对矩阵整流器控制，用于使其在网侧高功率因数运 行且输出恒定。4. 根据权利要求3所述的矩阵整流器的控制方法，其特征在于，在步骤(3)之中，补偿角，ω为电网电压角频率，此为负载值，Ci为输入滤波器电容值。5. 根据权利要求4所述的矩阵整流器的控制方法，其特征在于，在步骤(4)之中，其中， 设定4^为目标电流矢量，设定由相邻的两个电流矢量￡和/$进行PWM矢量合成的相 位超前于&，为￡和$的夹角，且0已[〇,6〇°]，合成公式如下：式中，/^为电流零矢量，Ts为一个PWM调节周期的时间，Τα(θ)、Τ?!(θ)和Τ〇(θ)分别为一个 PWM调节周期内$、$和$三个电流矢量的作用时间，其占空比表达式为： da(0)=m sin(60°-B)? ?β(θ) =m sinB? do(B) = l-da(0)-d^(0) ? 上式中，(^(9)、办(9)和(1()(9)分别为/^、/> ;和$的占空比函数，
【文档编号】H02M7/219GK105827124SQ201610298586
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】胡战虎, 王志平, 汪暾, 张立平, 吴宝健, 邹兵, 胡望
【申请人】广东省自动化研究所