CN103715913A

CN103715913A - 适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法

Info

Publication number: CN103715913A
Application number: CN201310739564.2A
Authority: CN
Inventors: 宋卫章; 贺瑾; 钟彦儒; 汪丽娟
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-12-25
Also published as: CN103715913B

Abstract

本发明适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法，整流级调制策略采用X型扇区划分方法，将一个周期分为6个扇区，再以每一扇区中幅值同极性两相电压相等处为界细分为2个扇区，共分为12扇区；判断调制生成的脉冲是否大于四步换流时间，如大于则为宽脉冲，否则为窄脉冲，宽脉冲处实施四步换流，窄脉冲处采用零电流换流；并提供一种依据整流级开关占空比调整逆变级调制波的零电流换流简易实现方法。本发明在确保***具有优良网侧性能和传动性能的同时，有效消除了由换流失效导致的过电流/过电压尖峰，实现了安全可靠换流，提高了***可靠性，为双级矩阵变换器的进一步工程应用奠定了基础。

Description

适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法

技术领域

本发明属电力电子技术领域，涉及一种适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法。

背景技术

随着微电子技术和电力电子技术的迅猛发展，各种电力电子变换器在国民经济建设中得到了越来越广泛的应用，这些电力变换器大多采用含储能电容的不可控二极管整流，这种变换器的成熟推广，在带来可观效益的同时也带来了谐波污染、功率因数低、直流滤波电容寿命短等负面影响。因此，开发“绿色”变换器成为众多专家和学者研究的重点。

“绿色”变换器应该具有以下特点：具有正弦的输入输出特性；输入功率因数可控；输出电压幅值、频率调节范围宽广；能量传输可逆、可实现四象限运行。

双级矩阵变换器拓扑为三相AC-DC-AC两级变换结构，如图1所示，在理想条件下具有以下特点：优良的输入输出性能、能量传输可逆；无中间直流环节电容器和电感，结构紧凑、体积小、效率高；在多驱动***中，直流侧可连接多个逆变级，降低***成本；无需三相桥式整流器作为箝位保护电路，成本低，可靠性高。由上述优良特性知双级矩阵变换器是一种“节能环保型绿色”电力电子变换器。

双级矩阵变换器虽然性能优越，但至今仍停留在理论研究和实验样机阶段，主要原因之一是双级矩阵变换器采用双向开关，工作时必须同时满足输入侧不能短路和输出侧不能开路两个约束条件，需特殊换流模式：现有的换流方式为四步换流及零电流换流两种。四步换流策略实现复杂，控制难，整流级调制策略在每个扇区与相邻扇区切换的区域，调制生成的PWM脉冲较窄，脉冲宽度小于最小换流时间，于是不能提供足够的时间完成四步换流，四步换流失效，窄脉冲处换流失败则会导致任两相直通，从而损坏功率开关，***可靠性不高，开关损耗大。零电流换流需整流级和逆变级同时协调，由于整流级是高频调制，整流级开关切换点全部利用零电流换流实现，即整流级开关在逆变级零矢量处切换，逆变级载波波峰或波谷对应零矢量，这就需要逆变级产生一个峰值时刻跟踪整流级开关切换点的动态变化三角载波，这给工程实现带来了困难，同时由于逆变级零矢量宽度有限，整流级宽脉冲处逆变级零矢量追踪覆盖存在较大困难，宽脉冲处零电流换流失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法，有效解决换流失效的问题，从而消除过电流/电压尖峰，提高***可靠性。

本发明的技术方案是，一种适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法，整流级调制策略采用X型扇区划分方法，将一个周期分为6个扇区，再以每一扇区中幅值同极性两相电压相等处为界细分为2个扇区，共分为12扇区；判断调制生成的脉冲是否大于四步换流时间，如大于则为宽脉冲，否则为窄脉冲，宽脉冲处实施四步换流，窄脉冲处采用零电流换流。

本发明的特点还在于：

宽脉冲处四步换流包括三种情况：高电压桥臂换流到低电压桥臂，低电压桥臂换流到高电压桥臂，高低电压界限模糊区域。

高电压桥臂换流到低电压桥臂：换流开始前高压一相上桥臂的两个开关均被提供导通驱动脉冲，中压一相上桥臂的两个开关均被提供截止电压；第一步，开通中压上桥臂能量正向流动的开关；第二步，关断高压上桥臂能量正向流动的开关；第三步，开通中压上桥臂能量回流的开关，第四步，关断高压上桥臂能量回流的开关。

低电压桥臂换流到高电压桥臂时：换流开始前中压一相上桥臂的两个开关均被提供导通驱动脉冲，高压一相上桥臂的两个开关均被提供截止电压；第一步，开通高压上桥臂能量回流的开关，第二步，关断中压上桥臂能量回流的开关；第三步，开通高压上桥臂能量正向流动的开关，第四步，关断中压上桥臂能量正向流动的开关。

对高低电压界限模糊区域，强制一相桥臂开通，另一相桥臂关断。

窄脉冲处零电流换流方法为：追踪整流级开关切换点；根据整流级开关切换点，改变逆变级载波波峰位置，生成两种规则载波；根据整流级开关切换点，将逆变级调制波分为两段；改变后的载波与调制波生成修正后的零矢量；整流级开关在零矢量处切换。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明提出了一种双级矩阵变换器依据宽窄脉冲选择不同换流方式的混合式换流方法，宽脉冲下采用四步换流策略，窄脉冲处采用零电流协调换流，在不增加硬件成本下，不同宽窄脉冲下采用不同的换流方法，有效解决了换流失效的问题，消除过电流/电压尖峰，提高了***可靠性。

2、本发明解决了窄脉冲太窄不能提供足够的时间完成四步换流，导致四步换流失效的问题，并消除了宽脉冲处逆变级零矢量作用时间有限不能完全追踪和覆盖整流级开关切换点，导致零点电流换流失效的难题。

3、本发明改变零电流换流实现的常规思路，改变逆变级信号波，使得逆变级载波变为规则的锯齿波，在不影响输出波形质量的前提下，有效解决了零电流协调换流较难工程实现的难题。

4、本发明在确保***具有优良网侧性能和传动性能的同时，实现了安全可靠换流，从而有效消除了换流失效导致的过电流/过电压尖峰，提高了***可靠性，为双级矩阵变换器进一步工程应用奠定了基础。

附图说明

图1是双级矩阵变换器拓扑结构图；

图2是本发明适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法的整流级X型6扇区划分图；

图3是本发明适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法的整流级扇区细分为12扇区图；

图4是本发明适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法的实现框图；

图5是本发明适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法的窄脉冲判断示意图；

图6是本发明适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法的12扇区下四步换流示意图（u_a>u_c）；

图7是本发明适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法的12扇区下四步换流示意图（u_a<u_c）；

图8是本发明高低电压界限模糊区示意图；

图9是本发明高低电压界限模糊区处理之后波形图；

图10是本发明适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法的窄脉冲示意图；

图11是本发明适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法的常规零电流换流示意图；

图12是本发明适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法的零电流换流简易实现示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作详细说明。

适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法，整流级调制策略采用X型扇区划分方法，将一个周期分为6个扇区（Ⅰ），再以每一扇区中幅值同极性两相电压相等处为界细分为2个扇区（Ⅱ），共分为12扇区；判断调制生成的脉冲是否大于四步换流时间，如大于则为宽脉冲，否则为窄脉冲（Ⅲ），宽脉冲处实施四步换流（Ⅳ），窄脉冲处采用零电流换流（Ⅴ），具体如图4所示。

以12扇区下第2扇区（a相上桥臂电压u_a大于c相上桥臂电压u_c）为例。

高电压桥臂换流到低电压桥臂时：

从a相上桥臂换流到c相上桥臂时，换流开始前S_a1、S_a2均被提供导通驱动脉冲，S_c1、S_c2均被提供截止电压。第一步，由于不能确定输出电流方向，不能关断S_a1、或S_a2，因为此时u_a>u_c，给S_c2发导通驱动脉冲不会引起电压源短路；第二步，由于S_a1、S_c2已被提供导通驱动电压，此时关断S_a2不会使感性负载电流断路，因此关断S_a2；第三步，给S_c1提供导通驱动电压，由于S_a2已关断，即使u_a>u_c也不会使电源短路；第四步，关断S_a1。

低电压桥臂换流到高电压桥臂时：

从c相上桥臂换回到a相上桥臂时，换流开始前S_c1、S_c2均被提供导通驱动脉冲，S_a1、S_a2均被提供截止电压。第一步，开通S_a1。由于不能确定输出电流方向，不能关断S_c1、或S_c2，因为此时u_a>u_c，故给S_a1发导通驱动脉冲不会引起电源短路；第二步，关断S_c1。由于S_a1、S_c2已被提供导通驱动电压，此时关断S_c1不会使感性负载电流断路；第三步，开通S_a2。由于S_c1已关断，即使u_a>u_c也不会使电源短路；第四步，关断S_c2。

其他扇区的情况可由第2扇区类推得到。

对高低电压界限模糊区域进行了特殊的控制处理，在该区域强制一相桥臂开通，另一相桥臂关断，以确保双级矩阵变换器的安全可靠工作。

窄脉冲处零电流换流方法为：追踪整流级开关切换点；根据整流级开关切换点，改变逆变级载波波峰位置；改变后的载波与调制波生成脉冲，生成修正后的零矢量；整流级开关在零矢量处切换，换流成功。

图1所示为双级矩阵变换器拓扑结构，由整流级和逆变级组成，整流级可视为电流型整流器，逆变级可视为电压型逆变器。

逆变级与传统逆变器一样，故采用性能优良的电压型空间矢量调制策略(SVPWM)。图2所示为整流级X型6扇区划分图，整流级采用无零矢量空间矢量调制策略，为了获得较高直流电压的同时确保优良的网侧性能，将一个周期中三相输入电压分成X型的6个扇区。每个扇区中，一相电压绝对值最大，另外两相电压极性相反，绝对值最大相对应开关处于恒导通状态；另两相的开关处于调制状态。各区间开关状态如表1所示。

表1

扇区	恒通	调制
			1	S_b3,S_b4	S_a1,S_a2,S_c1,S_c2
2	S_a1,S_a2	S_c3,S_c4,S_b3,S_b4
			3	S_c3,S_c4	S_a1,S_a2,S_b1,S_b2
4	S_b1,S_b2	S_a3,S_a4,S_c3,S_c4
			5	S_a3,S_a4	S_b1,S_b2,S_c1,S_c2
6	S_c1,S_c2	S_a3,S_a4,S_b3,S_b4

图3中将整流级扇区细分为12扇区图，一种双级矩阵变换器的混合式换流方法，整流级调制策略采用X型扇区划分方法，将一个周期分为6个扇区，再以每一扇区中幅值同极性两相电压相等处为界细分为2个扇区，共分为12扇区；图5提供了判断宽窄脉冲的方法：判断调制生成的脉冲是否大于四步换流时间，如大于则为宽脉冲，否则为窄脉冲，宽脉冲处实施四步换流，窄脉冲处采用零电流换流。

宽脉冲处四步换流包括三种情况：高电压桥臂换流到低电压桥臂，低电压桥臂换流到高电压桥臂（前两种属于典型的电压型四步换流），高低电压界限模糊区域。

图6（u_a>u_c）和图7（u_a<u_c）给出了在6扇区划分情况下，第1扇区为例的电压型四步换流的过程。该方法基于对每一扇区中电压极性相同的两相输入电压大小的检测，并以此实现四步换流。由于该方法只考虑电压大小的检测，故不用考虑运行状态。

u_a>u_c时：

从c相上桥臂换回到a相上桥臂时，换流开始前S_c1、S_c2均被提供导通驱动脉冲，S_a1、S_a2均被提供截止电压。第一步，由于不能确定输出电流方向，不能关断S_c1、或S_c2，因为此时u_a>u_c，故给S_a1发导通驱动脉冲不会引起电源短路；第二步，由于S_a1、S_c2已被提供导通驱动电压，此时关断S_c1不会使感性负载电流断路，因此关断S_c1；第三步，给S_a2提供导通驱动电压，由于S_c1已关断，即使u_a>u_c也不会使电源短路；第四步，关断S_c2。

u_a<u_c时：

从a相上桥臂换流到c相上桥臂时，换流开始前S_a1、S_a2均被提供导通驱动脉冲，S_c1、S_c2均被提供截止电压。第一步，由于不能确定输出电流方向，不能关断S_a1或S_a2，因为此时u_a<u_c，给S_c1发导通驱动脉冲不会引起电源短路；第二步，由于S_a2、S_c1已被提供导通驱动电压，此时关断S_a1不会使感性负载电流断路，因此关断S_a1；第三步，给S_c2提供导通驱动电压，由于S_a1已关断，即使u_a<u_c也不会使电源短路；第四步，关断S_a2。

从c相上桥臂换回到a相上桥臂时，换流开始前S_c1、S_c2均被提供导通驱动脉冲，S_a1、S_a2均被提供截止电压。第一步，由于不能确定输出电流方向，不能关断S_c1或S_c2，因为此时u_a<u_c，给S_a2发导通驱动脉冲不会引起电源短路；第二步，由于S_a2、S_c1已被提供导通驱动电压，此时关断S_c2不会使感性负载电流断路，因此关断S_c2；第三步，给S_a1提供导通驱动电压，由于S_c2已关断，即使u_a<u_c也不会使电源短路；第四步，关断S_c1。

其他扇区的情况可由此类推得到。

图8和图9分别为高低电压界限模糊区示意图和模糊区处理之后波形图，具体处理方式为在该区域强制一相桥臂开通，另一相桥臂关断，以确保双级矩阵变换器的安全可靠工作。

图10说明了窄脉冲出现的位置，在6扇区划分时，窄脉冲会出现在每个扇区的开始和结束处。在窄脉冲处，脉冲宽度小于四步换流时间，不能提供足够的时间完成四步换流，会导致任两相直通，从而损坏功率开关。零电流换流策略下逆变级零矢量作用时间相对较长，却很容易追踪和覆盖整流级窄脉冲，故零电流协调换流能较好解决窄脉冲换流问题。

图11描述了传统的窄脉冲处零电流换流方法为：追踪整流级开关切换点；根据整流级开关切换点，改变逆变级载波波峰位置；改变后的载波与调制波生成脉冲，生成修正后的零矢量；整流级开关在零矢量处切换，换流成功。零电流换流需要时刻追踪整流级窄脉冲开关切换点才能实现。逆变级载波波峰或波谷对应零矢量，利用逆变级载波峰值点时刻追踪整流级开关切换点，逆变级输出零电压矢量，迫使直流侧输出开路时，直流侧电流近似为零，整流级开关在零电流状态下切换从而实现窄脉冲零电流换流。

常规零电流换流中逆变级载波峰值点时刻追踪整流级开关切换点会导致三角载波为非规则波形，该三角波峰值点时刻变化，为一动态波形，非规则动态三角载波给工程实现带来了较大困难。本发明对现有技术进行改进，本发明双级矩阵变换器的混合式换流方法的的零电流换流实现方法如图12所示，逆变级载波峰值点随整流级开关占空比d₁大小变化，产生斜率为1/T_s和-1/T_s的规则锯齿载波（Ⅵ），将逆变级信号波由m_xp调整成d₁m_xp和（1-d₁）m_xp两段（Ⅶ），分别与上述规则锯齿载波（Ⅵ）比较，便可生成零矢量时刻追踪整流级开关切换点的逆变级开关信号（Ⅷ）。由于d₁m_xp+（1-d₁）m_xp=m_xp，逆变级的零矢量时刻在变化，但逆变级的有效矢量作用时间却始终不变，在确保不影响输出波形质量的前提下，能有效解决零电流协调换流较难实现的难题。

Claims

1.一种适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法，其特征在于，整流级调制策略采用X型扇区划分方法，将一个周期分为6个扇区，再以每一扇区中同极性两相电压幅值相等处为界细分为2个扇区，共分为12扇区；判断调制生成的脉冲是否大于四步换流时间，如大于则为宽脉冲，否则为窄脉冲，宽脉冲处实施四步换流，窄脉冲处采用零电流换流。

2.如权利要求1所述的适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法，其特征在于，宽脉冲处四步换流包括三种情况：高电压桥臂换流到低电压桥臂，低电压桥臂换流到高电压桥臂，高低电压界限模糊区域。

3.如权利要求2所述的适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法，其特征在于，高电压桥臂换流到低电压桥臂：换流开始前高压一相上桥臂的两个开关均被提供导通驱动脉冲，中压一相上桥臂的两个开关均被提供截止电压；第一步，开通中压上桥臂能量正向流动的开关；第二步，关断高压上桥臂能量正向流动的开关；第三步，开通中压上桥臂能量回流的开关，第四步，关断高压上桥臂能量回流的开关。

4.如权利要求2所述的适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法，其特征在于，低电压桥臂换流到高电压桥臂时：换流开始前中压一相上桥臂的两个开关均被提供导通驱动脉冲，高压一相上桥臂的两个开关均被提供截止电压；第一步，开通高压上桥臂能量回流的开关，第二步，关断中压上桥臂能量回流的开关；第三步，开通高压上桥臂能量正向流动的开关，第四步，关断低压上桥臂能量正向流动的开关。

5.如权利要求2所述的适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法，其特征在于，对高低电压界限模糊区域，强制一相桥臂开通，另一相桥臂关断。

6.如权利要求1所述的适用于双级矩阵变换器整流级的混合式换流方法，其特征在于，窄脉冲处零电流换流实现方法为：追踪整流级开关切换点；根据整流级开关切换点，改变逆变级载波波峰位置，生成规则锯齿载波；根据整流级开关切换点，将逆变级调制波分为两段；改变后的载波与调制波生成脉冲，生成修正后的零矢量；整流级开关在零矢量处切换从而实现零电流换流。