不平衡負載下五相六橋臂雙級矩陣變換器載波PWM控制策略制造技術

本發明專利技術公開了一種不平衡負載下五相六橋臂雙級矩陣變換器載波PWM控制策略，其特點是：對整流級和逆變級五相橋臂采用空間矢量調制策略求取各開關狀態的占空比，當控制負載中性點電壓為相應的零序電壓時，任意負載下均可使輸出負載電壓對稱，進而根據零序電壓求得逆變級中線，即N相橋臂的占空比；將整流級和逆變級六相橋臂的占空比與載波相結合，計算出兩級調制波；對整流級和逆變級采用同一個載波分別與兩級調制波相比較所產生兩級功率開關的驅動信號，對五相六橋臂雙級矩陣變換器進行控制，使負載中性點的電壓為相應的零序電壓，從而使得輸出負載電壓為五相正弦對稱電壓。具有科學合理，適用性強，效果佳，算法簡單等優點。

【技術實現步驟摘要】
不平衡負載下五相六橋臂雙級矩陣變換器載波PWM控制策略
本專利技術屬于電力電子功率變換器控制領域，是一種不平衡負載下五相六橋臂雙級矩陣變換器載波PWM控制策略，用于解決五相雙級矩陣變換器帶不平衡負載時輸出負載電壓不平衡的問題。
技術介紹
隨著電力電子變換器的快速發展，由多相(相數大于3)變換器供電的多相電機驅動系統，為實現大功率交流傳動提供了新的途徑，多相矩陣變換器也因此得到了廣泛的研究。與傳統的三相驅動系統相比，多相電機驅動系統具有許多優點，其中的容錯特性可以提高系統的可靠性，即當多相電機的某一相或是某幾相發生故障(相當于不平衡負載)而無法正常運行時，系統仍能以剩余的無故障相進行降額運行，且無需停機。另一方面，在實際應用中，矩陣變換器經常會遇到負載不平衡的情況。負載不平衡時將會導致負載電壓不對稱，不對稱的負載電壓不利于負載的正常運行，甚至會損壞負載。現階段對于多相輸出的矩陣變換器帶不平衡負載的相關研究相對較少。已有研究者提出了五相六橋臂單級矩陣變換器的拓撲結構，并對逆變級使用三維電壓空間矢量調制方法，然而逆變級共有64個矢量，構成80個四面體，算法非常復雜。近年來，載波PWM的方法在矩陣變換器中得到了廣泛的應用，受到了研究者們的關注，已通過對三相雙級矩陣變換器和五相雙級矩陣變換器進行載波脈沖寬度調制，驗證了載波PWM方法的有效性和可行性。
技術實現思路
本專利技術的目的是，提出一種科學合理，適用性強，效果佳，算法簡單的不平衡負載下五相六橋臂雙級矩陣變換器載波PWM控制策略。實現專利技術目的采用的技術方案是，一種不平衡負載下五相六橋臂雙級矩陣變換器載波PWM控制策略，其特征是，它包括：1)對整流級和逆變級五相橋臂采用空間矢量調制策略求取各開關狀態的占空比，當控制負載中性點電壓為相應的零序電壓時，任意負載下均可使輸出負載電壓對稱，進而根據零序電壓求得逆變級中線，即N相橋臂的占空比；2)將整流級和逆變級六相橋臂的占空比與載波相結合，計算出兩級調制波；3)對整流級和逆變級采用同一個載波分別與兩級調制波相比較所產生兩級功率開關的驅動信號，對五相六橋臂雙級矩陣變換器進行控制，使負載中性點電壓為相應的零序電壓，從而使得輸出負載電壓為五相正弦對稱電壓。所述零序電壓為：其中，Uom為輸出相電壓幅值；θv為輸出電壓扇區角；M＝0.4；L＝0.8cos(π/5)；umax為輸出五相電壓的最大值；η為同一方向上的中矢量與大矢量的相對比率，為了保證輸出五相電壓波形為正弦波，η應等于0.618。逆變級N相橋臂的占空比函數為：式中，upn為直流側電壓；逆變級和整流級N相橋臂的組合占空比為：式中，dμ，dγ分別為整流級兩個最大的極性為正的線電壓占空比；dM＝1-dN。所述五相六橋臂雙級矩陣變換器載波PWM控制：載波是周期為Ts，幅值為-1和1的等腰三角波，其表達式為：逆變級N相橋臂調制波為：進一步為：(1)在五相六橋臂雙級矩陣變換器的基礎上，根據空間矢量調制算法，確定一個開關周期內，整流級各矢量占空比dμ、dγ和逆變級N相橋臂占空比dN，進而確定整流級與逆變級N相橋臂組合占空比TN1、TN2、TN3、TN4；(2)對逆變級N相橋臂進行載波脈沖寬度調制分析，得到調制信號uN1、uN2的大小，控制負載中性點電壓為相應的零序電壓urZ，使其在不平衡負載下獲得對稱的五相電壓。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：本專利技術是一種不平衡負載下五相六橋臂雙級矩陣變換器載波PWM控制策略，能夠使其在五相負載不平衡時仍能保證輸出負載電壓對稱，在缺相情況下也可保證其他相的正常運行，五相六橋臂雙級矩陣變換器的雙級均采用載波脈沖寬度調制的方法，避免了使用三維電壓空間矢量調制方法的復雜性，具有方法科學合理，適用性強，效果佳，算法簡單等優點。附圖說明圖1為五相六橋臂雙級矩陣變換器的拓撲結構圖；圖2為整流級輸入相電壓區間劃分示意圖；圖3為逆變級電壓空間矢量在基波空間的分布示意圖；圖4為參考輸出電壓矢量合成示意圖；圖5為整流級和逆變級的開關狀態組合和排列順序示意圖；圖6為五相六橋臂雙級矩陣變換器載波脈沖寬度調制示意圖；圖7為由平衡負載切換到B相負載斷線的仿真波形圖；圖8為不平衡負載下的仿真波形圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本專利技術的技術方案作進一步詳細描述。本專利技術的一種不平衡負載下五相六橋臂雙級矩陣變換器載波PWM控制策略，使其在平衡負載和不平衡負載的情況下均能保證輸出對稱電壓。五相六橋臂雙級矩陣變換器的拓撲結構如圖1所示，新增加的N相橋臂連接到五相負載的中性點N處。圖1中，ua、ub、uc為三相輸入對稱電壓；Lf，Cf分別為輸入濾波器的電感和電容；upn，ipn分別為直流側的電壓和電流；uA、uB、uC、uD、uE和iA、iB、iC、iD、iE分別為輸出五相電壓和電流；uN、iN分別為N相橋臂的輸出電壓和電流。假設輸入電壓為三相對稱正弦電壓：Uim為輸入電壓幅值；ωi為輸入電壓的角頻率；為輸入電壓的初始相角。為了減少換向時間，減少開關損耗，提高輸入電壓利用率，整流級采用無零矢量的調制方法，即在每個載波PWM調制周期內，直流側的電壓由相應的兩個最大的極性為正的線電壓合成。圖2為輸入相電壓的區間劃分示意圖。以第1區間為例，兩個最大的極性為正的線電壓為uab，uac，設其相應的占空比為dμ，dγ，其表達式如下：在第1區間內，直流側電壓upn的表達式為：式中，uab，uac分別為a，b兩相的線電壓和a，c兩相的線電壓。表1直流側電壓可以應用于逆變級有效矢量和零矢量占空比的計算。表1給出了其他區間兩個最大的極性為正的線電壓所對應的占空比。假設輸出五相參考電壓為五相對稱正弦電壓：Uom為輸出相電壓幅值；ωo為輸出電壓的角頻率；為輸出電壓的初始相角。逆變級的電壓空間矢量在基波空間的分布如圖3所示。它包括30個有效矢量(十個大矢量、十個中矢量和十個小矢量)和兩個零矢量。每個電壓扇區均有六個有效矢量相鄰，為了得到最大的輸出參考電壓Uref，僅選用相鄰的兩個大矢量UαL，UβL和兩個中矢量UαM，UβM以及零矢量U0V，U0U來合成輸出參考電壓矢量，如圖4所示，假設輸出參考電壓矢量Uref位于第Ⅰ區間，圖中，θv為輸出電壓扇區角；M＝0.4；L＝0.8cos(π/5)；TαL、TαM、TβL、TβM和dαL、dαM、dβL、dβM分別為相應有效矢量的作用時間和占空比，d0V，d0U分別為兩個零矢量的占空比；η為同一方向上的中矢量與大矢量的相對比率，為了保證輸出五相電壓波形為正弦波，η應等于0.618。整流級的任務是對三相輸入電壓進行調制，輸出直流電壓給逆變級供電，負載上的輸出電壓是由逆變級輸出的，所以當輸入電壓對稱、負載為不平衡負載時，只需對圖1中的逆變級進行分析。為了便于分析，將upn平均分成兩部分，中點為O，電位為零。uAO、uBO、uCO、uDO、uEO為輸出五相橋臂對O點的電壓，uNO為N相橋臂對O點的電壓；uAN、uBN、uCN、uDN、uEN為五相負載電壓；則輸出電壓方程為：uXO-uNO＝uXN，X＝A,B,C,D,E(6)由公式(6)可知，五相輸出電壓由五相橋臂對O點的電壓和負載的中性點電壓決定，由節點電壓法可計算中性點電壓uNO：式中，對于五相雙級矩陣變換器本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種不平衡負載下五相六橋臂雙級矩陣變換器載波PWM控制策略，其特征是，它包括：1)對整流級和逆變級五相橋臂采用空間矢量調制策略求取各開關狀態的占空比，當控制負載中性點電壓為相應的零序電壓時，任意負載下均可使輸出負載電壓對稱，進而根據零序電壓求得逆變級中線，即：逆變級N相橋臂的占空比；2)將整流級和逆變級六相橋臂的占空比與載波相結合，計算出兩級調制波；3)對整流級和逆變級采用同一個載波分別與兩級調制波相比較所產生兩級功率開關的驅動信號，對五相六橋臂雙級矩陣變換器進行控制，使負載中性點電壓為相應的零序電壓，從而使得輸出負載電壓為五相正弦對稱電壓。

【技術特征摘要】
1.一種不平衡負載下五相六橋臂雙級矩陣變換器載波PWM控制策略，其特征是，它包括：1)對整流級和逆變級五相橋臂采用空間矢量調制策略求取各開關狀態的占空比，當控制負載中性點電壓為相應的零序電壓時，任意負載下均可使輸出負載電壓對稱，進而根據零序電壓求得逆變級中線，即：逆變級N相橋臂的占空比；2)將整流級和逆變級六相橋臂的占空比與載波相結合，計算出兩級調制波；3)對整流級和逆變級采用同一個載波分別與兩級調制波相比較所產生兩級功率開關的驅動信號，對五相六橋臂雙級矩陣變換器進行控制，使負載中性點電壓為相應的零序電壓，從而使得輸出負載電壓為五相正弦對稱電壓。2.根據權利要求1所述的不平衡負載下五相六橋臂雙級矩陣變換器載波PWM控制策略，其特征是，所述零序電壓為：其中，Uom為輸出相電壓幅值；θv為輸出電壓扇區角；M＝0.4；L＝0.8cos(π/5)；umax為輸出五相電壓的最大值；η為同一方向上的中矢量與大矢量的相對比率，為了保證輸出五相電壓波形為正弦波，η應等于0.618。3.根據權利要求1所述的不平衡負載下五相六橋臂雙級矩陣變換器載波PWM控制策略，其特征是，所述逆變級N相橋臂的占空比函數為：

【專利技術屬性】
技術研發人員：王秀云，王汝田，王位權，母興軍，
申請(專利權)人：東北電力大學，
類型：發明
國別省市：吉林,22