[发明专利]一种AC-DC串联谐振矩阵变换器的控制方法

摘要

本发明涉及矩阵变换器控制技术和高频交流链接技术，具体的说是涉及一种高压直流负载用AC-DC串联谐振矩阵变换器的控制方法。本发明的方法，提出了在高频电流半个周期内，采用激励电压先从高线电压切换到低线电压，然后再切换到0电压的控制策略，实现了3电压的瞬时合成，在实现等效激励电压调节的同时也使得每相输入线电流的平均值正比于相电压，只需较小滤波电感值即可实现高的功率因数和低谐波的电流。本发明的有益效果为，可以实现高效率，高功率因数和低谐波、低峰值电流的特点的稳压输出的AC-DC串联谐振矩阵变换器的控制。本发明尤其适用于AC-DC串联谐振矩阵变换器。

主权项

一种AC‑DC串联谐振矩阵变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：a.实时采集负载电压V₀和三相电压源的三相输入相电压u_a，u_b，u_c；b.根据实时采集到的三相输入相电压u_a，u_b，u_c的相对大小关系，将每个输入相电压周期划分为12个区间，每个区间内相电压的极性和大小确定，且保持单调变化，所述12个区间具体为：区间Ⅰ：u_a＞u_c＞u_b，U_P=u_a，U_M=u_c，U_N=u_b；区间Ⅱ：u_a＞u_b＞u_c，U_P=u_a，U_M=u_b，U_N=u_c；区间Ⅲ：u_a＞u_b＞u_c，U_P=u_c，U_M=u_b，U_N=u_a；区间Ⅳ：u_b＞u_a＞u_c，U_P=u_c，U_M=u_a，U_N=u_b；区间Ⅴ：u_b＞u_a＞u_c，U_P=u_b，U_M=u_a，U_N=u_c；区间Ⅵ：u_b＞u_c＞u_a，U_P=u_b，U_M=u_c，U_N=u_a；区间Ⅶ：u_b＞u_c＞u_a，U_P=u_a，U_M=u_b，U_N=u_c；区间Ⅷ：u_c＞u_b＞u_a，U_P=u_a，U_M=u_b，U_N=u_c；区间Ⅸ：u_c＞u_b＞u_a，U_P=u_c，U_M=u_b，U_N=u_a；区间Ⅹ：u_c＞u_a＞u_b，U_P=u_c，U_M=u_a，U_N=u_b；区间Ⅺ：u_c＞u_a＞u_b，U_P=u_b，U_M=u_a，U_N=u_c；区间Ⅻ：u_a＞u_c＞u_b，U_P=u_b，U_M=u_c，U_N=u_a；其中U_p幅值最大，U_M幅值最小；定义高线电压U_j=|U_P‑U_N|，低线电压U_k=|U_P‑U_M|；c.采用低线电压U_k、高线电压U_j以及0电压共同参与的组合方式完成激励，即采用6过程的工作模式，谐振电流正半周和负半周均进行2次换流且均包含3个工作过程，正负半周激励电压的极性相反，具体为：第1个工作过程采用高线电压U_j，第2个工作过程采用低线电压U_k，第3个工作过程采用0电压，第4个工作过程采用高线电压‑U_j，第5个工作过程采用低线电压‑U_k，第6个工作过程采用0电压；假设在1‑2工作过程中，从U_M相流出电荷量为Q₁,从U_N相流出电荷量为Q₂，在4‑5工作过程中，流出U_M相的电荷量为Q₃,流出U_N相的电荷量为Q₄，根据电荷量精确分配的调制策略，在一个谐振电流半周期内，使不同相流出或流入的电荷量之比等于各自的相电压绝对值之比，可得电荷分配比例：定义$K=\frac{Q_2}{Q_1+Q_2}=\frac{Q_4}{Q_3+Q_4},$则$K=\frac{K_1}{1+K_1};$d.根据谐振电容电压峰值uc_max和负载电压V₀，获取顺序接入的高线电压U_j、低线电压U_k和0电压中每个电压需要接入的时间以及三个电压的切换时间点,具体方法为：根据串联谐振变换器工作特性，以谐振电容电压为横轴、谐振电流i与特征阻抗Z的乘积值为纵轴构建平面直角坐标系，谐振电路特征阻抗其中Lr为谐振电感值，Cr为谐振电容值，假设谐振电流正半周的3个工作过程对应的轨迹为分别以O₁、O₂、O₃为圆心并分别以R₁、R₂、R₃为半径的相连接的圆弧，连接点为P₁和P₂，激励电压分别为高线电压U_j，低线电压U_k和0电压，定义O₁=U_j‑V₀，O₂=U_k‑V₀，O₃=‑V₀，在电流正半周期内，假设第1和第2工作过程对应的谐振电容电压变化量分别为Δuc₁和Δuc₂，Δuc₁和Δuc₂的比值与和这两过程对应的电荷量Q₁和Q₂的比值相等，电容电压峰值为uc_max，稳态工作时，谐振电容电压正最大值与负最大值相等，因而在电流为0的开始时刻对应谐振电容起始电压可定为‑uc_max，设连接点P₁和P₂分别对应的横坐标值为u₁和u₂，即u₁为第1过程结束后谐振电容电压，u₂为第2过程结束后谐振电容电压，通过公式：$\left\{\begin{array}{c}{R}_2^2-{(u_1-O_2)}^2=R_1^2-{(u_1-O_1)}^2\\ R_3^2-{(u_2-O_3)}^2=R_2^2-{(u_2-O_2)}^2\\ R_1=O_1+{\mathrm{uc}}_{\max }\\ R_3={\mathrm{uc}}_{\max }-O_3=R_1-O_1-O_3\end{array}\right.$前两项可得：$\left\{\begin{array}{c}{(u_1-O_2)}^2-{(u_1-O_1)}^2={R_2}^2-{R_1}^2\\ {(u_2-O_3)}^2-{(u_2-O_2)}^2={(R_1-O_1-O_3)}^2-{R_2}^2\end{array}\right.$简化后得：$u_1=[\frac{{R_2}^2-{R_1}^2}{O_1-O_2}+(O_1+O_2)]/2$$U_2=[\frac{{(R_1-O_1-O_3)}^2-{R_2}^2}{O_2-O_3}+(O_2+O_3)]/2$根据电荷分配约束条件：$K=\frac{Q_2}{Q_1+{\mathrm{\ΔQ}}_2}=\frac{{\mathrm{C\Δuc}}_2}{C({\mathrm{\Δuc}}_2+{\mathrm{\Δuc}}_1)}=\frac{u_2-u_1}{{\mathrm{uc}}_{\max }+u_2}$可得：$R_2=\sqrt{\frac{(O_2-O_3)({\mathrm{uc}}_{\max }^2+O_2^2+{2O}_1{\mathrm{uc}}_{\max })+2K(O_2-O_1)(O_2-O_3){\mathrm{uc}}_{\max }-(1-K)(O_2-O_1)({\mathrm{uc}}_{\max }^2+O_2^2-{2O}_3{\mathrm{uc}}_{\max })}{(O_1-O_3)+K(O_2-O_1)}}$根据uc_max、O₁、O₂、O₃和K值可得到u₁和u₂的值；$u_2=[\frac{{({\mathrm{uc}}_{\max }-O_3)}^2-{R_2}^2}{O_2-O_3}+(O_2+O_3)]/2$u₁＝(1‑K)u₂‑Kuc_max设第一工作过程轨迹对应的弧度为θ₁、第二工作过程轨迹对应的弧度为θ₂、第三工作过程轨迹对应的弧度为θ₃，其对应的表达式分别为：${\mathrm{\θ}}_1={\cos }^{-1}\left(\frac{O_1-u_1}{R_1}\right)$${\mathrm{\θ}}_2={\cos }^{-1}\left(\frac{u_1-O_2}{R_2}\right)-{\cos }^{-1}\left(\frac{u_2{-O}_2}{R_2}\right)$${\mathrm{\θ}}_3={\cos }^{-1}\left(\frac{u_2-O_3}{R_3}\right)$根据θ=ωt，可得：第一工作过程结束时刻t₁＝θ₁/ω，第二工作过程结束时刻t₂＝(θ₁+θ₂)/ω，第三工作过程结束时刻t₃＝(θ₁+θ₂+θ₃)/ω；其中ω为谐振角频率，可分别得到切换点时刻t₁、t₂和t₃；e.根据工作时刻电网相电压所处的区间以及需要输出的电流方向，并根据步骤c所述的工作过程，分配对应的功率开关的开关状态组合；f.根据步骤d所得的三个电压的切换时间点生成通用的时序控制信号，控制各工作过程之间的切换；g.根据步骤f的控制完成三相相间的选择和切换，判断工作是否结束，若是，则退出，若否，则回到步骤a。