一種超稀疏矩陣整流器控制方法及其裝置與流程

2024-04-01 02:47:05

本發明涉及領域，特別是涉及一種超稀疏矩陣整流器控制方法及其裝置。

背景技術：

矩陣式整流器是一種由三相ac-ac矩陣式變換器演化而來的降壓型ac-dc電力變換器，具有體積小、重量輕，能量能雙向流動等優點，受到國內外專家學者的廣泛關注。若不要求電力變換器具有能量雙向流動能力，矩陣式整流器可大大減少開關器件，此時則演變為了超稀疏矩陣整流器。

超稀疏矩陣整流器作為一種新型的電力變換器，相對於傳統的變換器，安全換流策略簡單，且由於較少功率開關器件使得系統損耗小，具有較好的應用前景。

採用超稀疏矩陣整流器作為電力變換器進行整流時，為提高動態性能，可採用滑模控制策略控制超稀疏矩陣整流器的直流輸出電壓以及補償網側功率因數。然而由於傳統的滑模控制函數中使用的是符號函數sgn，使得切換項只能在最大值和最小值之間相互切換，切換過大導致滑模控制中抖振劇烈，嚴重降低輸入輸出波形質量。

因此，如何提供一種抖振抑制效果好的超稀疏矩陣整流器控制方法及其裝置是本領域技術人員目前需要解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種超稀疏矩陣整流器控制方法及其裝置，通過採用積分和雙曲正切函數對滑模控制中的切換函數和控制函數進行優化，能夠有效地抑制滑模抖振的現象。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種超稀疏矩陣整流器控制方法，包括：

通過傳感器實時檢測電網側電壓和電流以及所述超稀疏矩陣整流器的輸出電壓或輸出電流；

令所述輸出電壓或輸出電流與參考電壓或參考電流作差處理，得到誤差值e及誤差變化率

依據所述誤差值e及所述誤差變化率設計得到輸出滑模切換函數：

其中，滑模係數c1、c2取值範圍分別為c1＞1/(2co)，c2＜1/(loco)；co和lo分別為輸出濾波器電容和電感參數；

採用雙曲正切函數設計輸出滑模控制關係式，依據所述輸出滑模控制關係式計算得到調製係數m，所述輸出滑模控制關係式為：

m＝mref+tanh(s1)σ；輸出滑模控制等效項vim為網側電壓幅值；σ為滑模控制切換項；

依據所述電網側電壓和電流計算無功功率參數q和電壓相位移α；

依據所述無功功率參數設計得到功率因數滑模切換關係式：

為無功功率參數變化率，c3為正滑模係數；

採用雙曲正切函數設計功率因數滑模控制關係式，依據所述功率因數滑模控制關係式計算得到補償角度所述功率因數滑模控制關係式為：

δ為補償角度抗擾量；功率滑模控制等效項ωi為網側電壓頻率；rl為負載阻值；ci輸入濾波器電容參數；

採用電流空間矢量調製，依據所述調製係數m、所述補償角度和所述電壓相位移α確定各種開關組合對應的矢量的作用時間，依據所述作用時間得到脈衝信號，驅動所述超稀疏矩陣整流器內相應雙向開關導通。

優選地，所述無功功率參數具體為瞬時無功功率q；依據所述電網側電壓和電流計算所述瞬時無功功率q的過程為：

對所述電網側電壓和電流進行派克變換，得到所述瞬時無功功率q；q＝usqisd-usdisq。

為解決上述技術問題，本發明還提供了一種超稀疏矩陣整流器控制裝置，包括：

檢測模塊，用於通過傳感器實時檢測電網側電壓和電流以及所述超稀疏矩陣整流器的輸出電壓或輸出電流；

誤差計算模塊，用於令所述輸出電壓或輸出電流與參考電壓或參考電流作差處理，得到誤差值e及誤差變化率

調製係數計算模塊，用於依據所述誤差值e及所述誤差變化率設計得到輸出滑模切換函數：其中，滑模係數c1、c2取值範圍分別為c1＞1/(2co)，c2＜1/(loco)；co和lo分別為輸出濾波器電容和電感參數；採用雙曲正切函數設計輸出滑模控制關係式，依據所述輸出滑模控制關係式計算得到調製係數m，所述輸出滑模控制關係式為：m＝mref+tanh(s1)σ；輸出滑模控制等效項vim為網側電壓幅值；σ為滑模控制切換項；

無功計算模塊，用於依據所述電網側電壓和電流計算無功功率參數q和電壓相位移α；

補償角計算模塊，用於依據所述無功功率參數設計得到功率因數滑模切換關係式：為無功功率參數變化率，c3為正滑模係數；採用雙曲正切函數設計功率因數滑模控制關係式，依據所述功率因數滑模控制關係式計算得到補償角度所述功率因數滑模控制關係式為：δ為補償角度抗擾量；功率滑模控制等效項ωi為網側電壓頻率；rl為負載阻值；ci輸入濾波器電容參數；

空間矢量調製模塊，用於採用電流空間矢量調製，依據所述調製係數m、所述補償角度和所述電壓相位移α確定各種開關組合對應的矢量的作用時間，依據所述作用時間得到脈衝信號，驅動所述超稀疏矩陣整流器內相應雙向開關導通。

優選地，所述無功功率參數具體為瞬時無功功率q；所述無功計算模塊具體包括：

無功功率計算單元，用於對所述電網側電壓和電流進行派克變換，得到所述瞬時無功功率q；q＝usqisd-usdisq；

相位移計算單元，用於對所述電網側電壓和電流進行克拉克變換，依據克拉克變換後的電壓usα、usβ和電流isα、isβ計算電壓和電流的正餘弦值：

逆推得到

本發明提供了一種超稀疏矩陣整流器控制方法及其裝置，在輸入滑模切換函數內加入了對雙曲正切函數求積分的項，並且採用非線性的雙曲正切函數對傳統滑模控制的滑模控制函數進行優化。可以理解的是，採用積分滑模控制，相對傳統控制穩態性能更好，具有良好的穩態誤差，而雙曲正切函數為一種具有「小誤差放大，大誤差飽和」特點的非線性函數，在大的初始誤差或者是控制輸入受限時，雙曲正切函數作為一種連續函數在滑模切換函數中代替線性函數能夠有效抑制滑模抖振的情況出現，抖振抑制的效果好。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對現有技術和實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為超稀疏矩陣整流器的結構示意圖；

圖2為本發明提供的一種超稀疏矩陣整流器控制方法的過程的流程圖；

圖3為本發明提供的一種扇區劃分示意圖；

圖4為本發明提供的一種超稀疏矩陣整流器控制框圖；

圖5為本發明提供的一種超稀疏矩陣整流器控制裝置的結構示意圖。

具體實施方式

本發明的核心是提供一種超稀疏矩陣整流器控制方法及其裝置，通過採用積分和雙曲正切函數對滑模控制中的切換函數和控制函數進行優化，能夠有效地抑制滑模抖振的現象。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明提供了一種超稀疏矩陣整流器控制方法，參見圖1和圖2所示，圖1為超稀疏矩陣整流器的結構示意圖；圖2為本發明提供的一種超稀疏矩陣整流器控制方法的過程的流程圖；該方法包括：

步驟s1：通過傳感器實時檢測電網側電壓和電流以及超稀疏矩陣整流器的輸出電壓或輸出電流；

步驟s2：令輸出電壓或輸出電流與參考電壓或參考電流作差處理，得到誤差值e及誤差變化率

步驟s3：依據誤差值e及誤差變化率設計得到輸出滑模切換函數：

其中，滑模係數c1、c2取值範圍分別為c1＞1/(2co)，c2＜1/(loco)；co和lo分別為輸出濾波器電容和電感參數；

可以理解的是，通過增加積分項，相對於傳統的滑模切換函數，其控制穩態的性能更好，具有良好的穩態誤差。

步驟s4：採用雙曲正切函數設計輸出滑模控制關係式，依據輸出滑模控制關係式計算得到調製係數m，輸出滑模控制關係式為：

m＝mref+tanh(s1)σ；輸出滑模控制等效項vim為網側電壓幅值；σ為滑模控制切換項；σ∈[0.05,0.1]

步驟s5：依據電網側電壓和電流計算無功功率參數q和電壓相位移α；

步驟s6：依據無功功率參數設計得到功率因數滑模切換關係式：

為無功功率參數變化率，c3為正滑模係數；

步驟s7：採用雙曲正切函數設計功率因數滑模控制關係式，依據功率因數滑模控制關係式計算得到補償角度功率因數滑模控制關係式為：

δ為補償角度抗擾量；功率滑模控制等效項ωi為網側電壓頻率；rl為負載阻值；ci輸入濾波器電容參數；

步驟s8：採用電流空間矢量調製，依據調製係數m、補償角度和電壓相位移α確定各種開關組合對應的矢量的作用時間，依據作用時間得到脈衝信號，驅動超稀疏矩陣整流器內相應雙向開關導通。

可以理解的是，雙曲正切函數為一種具有「小誤差放大，大誤差飽和」特點的非線性函數，在大的初始誤差或者是控制輸入受限時，在滑模切換函數中採用雙曲正切函數代替線性函數能夠有效抑制積分飽和效應。

需要注意的是，步驟s2-步驟s4與步驟s5-步驟s7為並列的兩條支路，這兩部分沒有先後順序之分，可以同時進行。

另外，本發明中的超稀疏矩陣整流器的主電路包括3個igbt和12個二極體，相比矩陣整流器12個igbt和12個二極體，開關數量大大減少，系統損耗少。

在一種具體實施例中，無功功率參數具體為瞬時無功功率q；步驟s5中，依據電網側電壓和電流計算瞬時無功功率q的過程為：

步驟s501：對電網側電壓和電流進行派克變換，得到瞬時無功功率q；q＝usqisd-usdisq。

計算電壓相位移α的過程具體為：

步驟s502：對電網側電壓和電流進行克拉克變換，依據克拉克變換後的電壓usα、usβ和電流isα、isβ計算電壓和電流的正餘弦值；

之後進行反正弦變換，得到

其中，步驟s8中的過程具體為：

以輸入相電壓過零點劃分扇區。扇區分布如圖3所示，目標矢量iref由該扇區內兩個相鄰的有效矢量和一零矢量合成。參見表1所示，表1為超稀疏矩陣整流器的開關導通規律表，以第一扇區為例，開關sa常閉，開關sb閉合時對應有效矢量開關sc閉合時對應有效矢量只sa閉合時對應零矢量目標矢量分別由有效矢量和零矢量合成。則其對應的三個開關sa、sb和sc在一個周期ts內的導通時間可計算為：

tsa＝ts

tsb＝mdα＝mtssin(60°-θ)

tsc＝mdβ＝mtssinθ

其中，dα和dβ為兩個有效矢量的佔空比，且θ＝mod[(α-φi,60°)]。

依據該佔空比，確定各種開關組合對應的矢量的作用時間，依據作用時間得到脈衝信號，驅動超稀疏矩陣整流器內相應雙向開關導通。

表1超稀疏矩陣整流器的開關導通規律表

參見圖4所示，圖4為本發明提供的一種超稀疏矩陣整流器控制框圖；其中，ipf補償指的是網側輸入功率因數補償，abc/dq為派克變換。輸入檢測電路用於通過傳感器獲取電網側電壓和電流，輸出檢測電路用於通過傳感器獲取超稀疏矩陣整流器的輸出電壓或輸出電流。

本發明提供了一種超稀疏矩陣整流器控制方法，在輸入滑模切換函數內加入了對雙曲正切函數求積分的項，並且採用非線性的雙曲正切函數對傳統滑模控制的滑模控制函數進行優化。可以理解的是，採用積分滑模控制，相對傳統控制穩態性能更好，具有良好的穩態誤差，而雙曲正切函數為一種具有「小誤差放大，大誤差飽和」特點的非線性函數，在大的初始誤差或者是控制輸入受限時，雙曲正切函數作為一種連續函數在滑模切換函數中代替線性函數能夠有效抑制滑模抖振的情況出現，抖振抑制的效果好。

本發明還提供了一種超稀疏矩陣整流器控制裝置，參見圖5所示，圖5為本發明提供的一種超稀疏矩陣整流器控制裝置的結構示意圖。該裝置包括：

檢測模塊1，用於通過傳感器實時檢測電網側電壓和電流以及超稀疏矩陣整流器的輸出電壓或輸出電流；

誤差計算模塊2，用於令輸出電壓或輸出電流與參考電壓或參考電流作差處理，得到誤差值e及誤差變化率

調製係數計算模塊3，用於依據誤差值e及誤差變化率設計得到輸出滑模切換函數：其中，滑模係數c1、c2取值範圍分別為c1＞1/(2co)，c2＜1/(loco)；co和lo分別為輸出濾波器電容和電感參數；採用雙曲正切函數設計輸出滑模控制關係式，依據輸出滑模控制關係式計算得到調製係數m，輸出滑模控制關係式為：m＝mref+tanh(s1)σ；輸出滑模控制等效項vim為網側電壓幅值；σ為滑模控制切換項；

無功計算模塊4，用於依據電網側電壓和電流計算無功功率參數q和電壓相位移α；

補償角計算模塊5，用於依據無功功率參數設計得到功率因數滑模切換關係式：為無功功率參數變化率，c3為正滑模係數；採用雙曲正切函數設計功率因數滑模控制關係式，依據功率因數滑模控制關係式計算得到補償角度功率因數滑模控制關係式為：δ為補償角度抗擾量；功率滑模控制等效項ωi為網側電壓頻率；rl為負載阻值；ci輸入濾波器電容參數；

空間矢量調製模塊6，用於採用電流空間矢量調製，依據調製係數m、補償角度和電壓相位移α確定各種開關組合對應的矢量的作用時間，依據作用時間得到脈衝信號，驅動超稀疏矩陣整流器內相應雙向開關導通。

在一種具體實施例中，無功功率參數具體為瞬時無功功率q；無功計算模塊4具體包括：

無功功率計算單元，用於對電網側電壓和電流進行派克變換，得到瞬時無功功率q；q＝usqisd-usdisq；

相位移計算單元，用於對電網側電壓和電流進行克拉克變換，依據克拉克變換後的電壓usα、usβ和電流isα、isβ計算電壓和電流的正餘弦值：

逆推得到

本發明提供了一種超稀疏矩陣整流器控制裝置，在輸入滑模切換函數內加入了對雙曲正切函數求積分的項，並且採用非線性的雙曲正切函數對傳統滑模控制的滑模控制函數進行優化。可以理解的是，採用積分滑模控制，相對傳統控制穩態性能更好，具有良好的穩態誤差，而雙曲正切函數為一種具有「小誤差放大，大誤差飽和」特點的非線性函數，在大的初始誤差或者是控制輸入受限時，雙曲正切函數作為一種連續函數在滑模切換函數中代替線性函數能夠有效抑制滑模抖振的情況出現，抖振抑制的效果好。

本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對於實施例公開的裝置而言，由於其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。

還需要說明的是，在本說明書中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其他實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。