[发明专利]交流输出电压升/降可调的双级矩阵变换器及其控制方法

权利要求书

1.一种交流输出电压升/降可调的双级矩阵变换器，包括依次连接的三相交流电源、电源侧滤波电感、电压型整流器、电流型逆变器、三相交流负载、直流负载侧滤波器，所述直流负载侧滤波器包括滤波电容和滤波电感，直流负载侧滤波器的滤波电容与电流型逆变器的输出端相连接；

其特征在于，还包括一个并联在电压型整流器和电流型逆变器之间的直流输出电路，所述直流输出电路包括：

连接到直流母线正端(P)的滤波电容C4，所述滤波电容C4的另一端连接二极管D13的阳极；

连接到直流母线正端(P)的滤波电感L7与直流负载(R_D)串联，所述直流负载(R_D)的另一端连接二极管D13的阳极；

所述二极管D13的阴极与全控型器件V13的集电极相连，所述全控型器件V13的发射极与直流母线负端相连。

2.根据权利要求1所述的一种交流输出电压升/降可调的双级矩阵变换器，其特征在于：所述电压型整流器为常规的三相全桥PWM整流器。

3.根据权利要求1或2所述的一种交流输出电压升/降可调的双级矩阵变换器，其特征在于：所述电流型逆变器由六个逆阻型开关组成，每个逆阻型开关由一个全控器件和一个二极管串联构成。

4.一种交流输出电压升/降可调的双级矩阵变换器的控制方法，其特征在于在每个开关周期内均进行如下步骤控制过程：

第1步：采集三相交流负载电压u_LA、u_LB、u_LC，采集直流负载(R_D)电压u_Lm2，采集三相交流电源电压u_SU、u_gV、u_gW，采集三相交流负载电流i_SU、i_SV、i_SW；根据采集到的数据，由式(1)计算出三相交流负载电压幅值u_Lm1；

$u_{Lm1}=\sqrt{\frac{2}{3}(u_{LA}^2+u_{LB}^2+u_{LC}^2)}---\left(1\right)$

第2步：设定三相交流负载电压幅值的参考值为u_Lm1^*，采用第一比例-积分调节器闭环控制交流电压幅值，产生电流型逆变器交流侧电流幅值给定值i_Im1^*，其表达式为：

$i_{\mathrm{Im}1}^{*}=(K_{p1}+\frac{K_{i1}}{s})(u_{Lm1}^{*}-u_{Lm1})---\left(2\right)$

其中，K_p1和K_i1分别为第一比例-积分调节器的比例环节和积分环节的增益，s为复频域算子；并且，依据同法，设定直流负载(R_D)电压幅值的参考值为u_Lm2^*，采用第二比例-积分调节器闭环控制直流负载电压幅值，产生流过二极管D13的电流的参考值i_Im2^*，i_Im2^*的表达式为：

$i_{Im2}^{*}=(K_{p2}+\frac{K_{i2}}{s})(u_{Lm2}^{*}-u_{Lm2})---\left(3\right)$

其中，K_p2和K_i2分别为第二比例-积分调节器的比例环节和积分环节的增益，s为复频域算子；流过二极管D13的电流同时代表了直流输出电路由变换器的直流母线上吸收的电流；

第3步：根据采集到的三相交流电源电压u_SU、u_SV、u_SW，计算出三相交流电源电压的幅值u_Sm：

$u_{Sm}=\sqrt{\frac{2}{3}(u_{SU}^2+u_{SV}^2+u_{SW}^2)}---\left(4\right)$

根据atan2(y,x)，计算出三相交流电源电压的相角；

${\mathrm{\θ}}_S=aran2\left(\frac{\sqrt{3}}{3}\right(u_{SV}-u_{SW}),\frac{2}{3}(u_{SU}-\frac{1}{2}{u}_{SV}-u_{SW}\left)\right)---\left(5\right)$

其中，函数atan2(y,x)表示在两相静止或者旋转坐标系下，坐标系原点与点(x,y)形成的射线与横轴正方向的夹角；

第4步：采集到的三相交流电源电流i_SU、i_SV、i_SW，根据abc/dq坐标变换计算出三相交流电源电流的d轴、q轴的分量：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{Sd}=\frac{2}{3}(i_{SU}-\frac{1}{2}{i}_{SV}-i_{SW}){\mathrm{cos\θ}}_S+\frac{\sqrt{3}}{3}(i_{SV}-i_{SW}){\mathrm{sin\θ}}_S\\ i_{Sq}=\frac{\sqrt{3}}{3}(i_{SV}-i_{SW}){\mathrm{cos\θ}}_S-\frac{2}{3}(i_{SU}-\frac{1}{2}{i}_{SV}-i_{SW}){\mathrm{sin\θ}}_S\end{array}\right.---\left(6\right)$

第5步：根据第1步和第3步计算出的变量，设定q轴电流参考值为0，根据功率守恒原则，计算三相交流电源电流d轴分量的参考值i_Sd^*：

$i_{Sd}^{*}=\frac{u_{Lm1}{i}_{Im1}^{*}+\frac{2}{3}{u}_{Lm2}{i}_{Im2}^{*}}{u_{Sm}}---\left(7\right)$

并计算出直流母线电压：

$u_{dc}=\frac{\frac{3}{2}{u}_{Lm1}^{*}{i}_{\mathrm{Im}1}^{*}+u_{Lm2}{i}_{Im2}^{*}}{i_{\mathrm{Im}1}^{*}+i_{\mathrm{Im}2}^{*}}---\left(8\right)$

第6步：根据空间矢量调制算法计算出电流型逆变器所需的电流调制比m_c和全控型器件V13的驱动信号占空比d_D：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_c=\frac{i_{Im1}^{*}}{i_{Im1}^{*}+i_{Im2}^{*}}\\ d_D=\frac{i_{Im2}^{*}}{i_{Im1}^{*}+i_{Im2}^{*}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

设定电流型逆变器电流空间矢量调制算法所需的相角信号θ_I：

${\mathrm{\θ}}_I=2{\mathrm{\πf}}_{L1}^{*}t---\left(10\right)$

其中，f_L1^*为期望的交流负载电压频率，t为时间变量；

第7步：采用第三比例-积分调节器控制三相交流电源电流的d轴分量，产生电压型整流器交流侧d轴电流给定值u_Rd^*，采用第四比例-积分调节器控制三相交流电源电流的q轴分量，产生电压型整流器交流侧q轴电流给定值u_Rq^*，u_Rd^*和u_Rq^*的计算式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{Rd}^{*}=(K_{p3}+\frac{K_{i3}}{s})(i_{Sd}^{*}-i_{Sd})\\ u_{Rq}^{*}=(K_{p4}+\frac{K_{i4}}{s})(i_{Sq}^{*}-i_{Sq})\end{array}\right.---\left(11\right)$

其中K_p3和K_i3分别为第三比例-积分调节器的比例环节和积分环节的增益，其中K_p4和K_i4分别为第四比例-积分调节器的比例环节和积分环节的增益，s为复频域算子；K_p3与K_p4相等，K_i3和K_i4相等；

第8步：根据前面产生的变量，计算出电压型整流器电压空间矢量调制算法所需的电压调制比m_v和相角信号θ_R，计算式为：

$m_v=\frac{\sqrt{3}\sqrt{{u_{Rd}^{*}}^2+{u_{Rq}^{*}}^2}}{u_{dc}}---\left(12\right)$

${\mathrm{\θ}}_R={\mathrm{\θ}}_S+atan2(u_{Rq}^{*},u_{Rd}^{*})---\left(13\right)$

第9步：在获得m_V、θ_R后，采用常用的电压空间矢量调制算法产生电压型整流器的所有开关的PWM驱动信号；根据m_C、θ_I采用常用的电流空间矢量调制算法产生电流型逆变器的所有开关的PWM驱动信号；根据d_D产生直流输出电路的全控器件的PWM驱动信号。