[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

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，

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。

所述Z源双级式矩阵变换器的控制方法，

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；

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。

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：

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；

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；

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。

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：

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；

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；

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。

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：