用於矩陣變壓器和電流源變壓器的空間矢量調製的製作方法

2024-03-06 19:31:15

本發明涉及空間矢量調製(svm)。更具體地，本發明涉及一種改善型的svm算法，該算法可以結合矩陣整流器、電流源整流器和電流源逆變器(inverter)一起使用。

背景技術：

圖1示出了隔離的矩陣整流器，圖2示出了電流源整流器，圖3示出了電流源逆變器。圖1至圖3所示的電路中的每一個可以結合在該部分中討論的已知svm算法使用，或結合根據本發明的優選實施例的新型svm方法使用，其中在下文優選實施例的具體實施方式中討論了本發明的優選實施例。

在圖1中，「線側」是指在變壓器tr的左手側的電路部分，所述電路部分針對a、b、c相中的每一相與線電壓ua、ub、uc相連，且「負載側」是指在變壓器tr的右手側的電路部分，所述電路部分與輸出電壓uo(即，負載)相連。在線側，三相ac電流組合為單相ac電流，在負載側，單相ac電流通過二極體d1到d4整流，以提供dc電流。

隔離的矩陣整流器包括：濾波電感器lf和濾波電容器cf，二者定義了減小總諧波失真(thd)的線側濾波器；雙向開關s1到s6，布置在橋結構中作為3相到1相矩陣轉換器；變壓器tr，在線側電路和負載側電路之間提供高壓隔離；四個二極體d1到d4，布置在橋結構中以便提供輸出整流；輸出電感器lo和輸出電容器co，二者定義針對輸出電壓的濾波器。在這種隔離的矩陣整流器中使用雙向開關來打開或關閉任一方向上的電流路徑。如圖1所示，雙向開關包括兩個並聯的單向開關。

thd被定義為高次諧波頻率的rms幅度與基頻的rms幅度的比值：

其中v1是基頻的幅度，且vk是高次諧波頻率的幅度。由於諧波電流可能被回注入電力系統，因此期望減小thd。

svm是用於對雙向開關s1到s6進行脈衝寬度調製(pwm)的算法。也就是說，svm用於確定應何時接通和斷開雙向開關s1到s6。通過數位訊號(例如，1或0)來控制雙向開關s1到s6。通常，1意味著接通開關，且0意味著斷開開關。在pwm中，調製或改變用於控制將開關接通多長時間的接通信號的寬度。

在已知的svm中，主要假設在於dc電流是恆定的，這種假設要求負載側電感器lo理論上應是無窮大的且電力轉換器應僅用在連續導通模式(ccm)操作下。當通過負載側電感器lo的電流總是大於零時，發生ccm。與ccm相反，當通過負載側電感器lo的電流可以等於零時，發生間斷導通模式(dcm)。如圖10e所示，使用具有dcm的已知svm的問題是較大的thd。實際上不可能提供無窮大的負載側電感器lo。儘管有可能提供具有非常大的電感的負載側電感器lo，但是這樣做需要提供大型電感器，這使得設計變得困難。假設電力轉換器在包括輕負載條件的任何應用下都將僅用於ccm操作中是不實際的，在所述輕負載條件下，電力轉換器可以處於dcm操作中。

對於如圖1所示的隔離的矩陣整流器，可以將開關函數si定義為：

其中si是第i個開關的開關函數。例如，如果s1＝1，則接通開關s1，且如果s1＝0，則斷開開關s1。

可以同時接通僅兩個開關，以定義單個電流路徑。例如，如果接通開關s1和s6，則通過變壓器tr在a相和b相之間定義單個電流路徑。如果可以同時導通僅兩個開關，其中一個開關在所述橋結構的上半部(s1、s3、s5)且另一開關在所述橋結構的下半部(s2、s4、s6)，則存在如表1和2列出的九個可能開關狀態，其中包括六個活動開關狀態和三個零開關狀態。在表1中，線電流ia、ib、ic是a、b、c相中的電流，且線側電流ip是通過變壓器tr的初級繞組的電流。在表2中，假設變壓器匝數比k為1，使得電感器電流il等於線側電流ip。

表1：空間矢量、開關狀態和相電流

表2：空間矢量、開關狀態和相電流

可以由活動矢量和零矢量來表示活動和零開關狀態。圖4示出了具有六個活動矢量和三個零矢量的矢量圖。活動矢量形成具有六個相等扇區i-vi的正六邊形，且零矢量位於該六邊形的中心處。

可以按如下方式得到矢量和開關狀態之間的關係。

由於a、b、c三相是平衡的：

ia(t)+ib(t)+ic(t)＝0(3)

其中ia(t)、ib(t)和ic(t)是a相、b相和c相中的瞬時電流。通過使用式(3)，可以通過使用以下變換將三相電流ia(t)、ib(t)和ic(t)變換為α-β平面中的兩相電流：

其中iα(t)、iβ(t)是α相、β相中的瞬時電流。電流矢量i(t)可以在α-β平面中被表示為：

其中j是虛數且ejx＝cosx+jsinx。然後，圖4中的活動矢量表示為：

隔離的矩陣整流器的控制器確定參考電流並計算開關s1到s6的接通和斷開時間以逼近參考電流從而產生線側電流ia和ib。優選地，參考電流是具有固定頻率和固定幅度的正弦曲線：固定頻率優選地與三相ia(t)、ib(t)和ic(t)中的每一個的固定頻率相同，以減小不利反射。控制器確定參考電流的幅度，以實現期望的輸出電壓uo。也就是說，控制器可以通過改變參考電流的幅度來調節輸出電壓uo。

參考電流移動經過α-β平面。角度θ被定義為α軸和參考電流之間的角度。因此，隨著角度θ改變，參考電流掃描經過不同的扇區。

可以通過使用活動矢量和零矢量的組合，來合成參考電流合成意味著可以將參考電流表示為活動矢量和零矢量的組合。活動矢量和零矢量是靜態的，且不在α-β平面內移動，如圖4所示。用於合成參考電流的矢量根據參考電流位於哪個扇區而改變。通過定義該扇區的活動矢量來選擇活動矢量。通過確定兩個活動矢量共同具有的接通開關並選擇同樣包括相同接通開關的零矢量，來針對每個扇區選擇零矢量。使用零矢量允許調整線側電流ip的幅度。

例如，考慮電流參考處於扇區i中的情況。活動矢量和定義扇區i。針對活動矢量和接通開關s1。零矢量也使開關s1接通。因此，當參考電流應於扇區i中時，活動矢量和以及零矢量用於合成參考電流這提供下式，其中方程的右手側是在矢量是幅度為零的零矢量的情況下得到的：

其中t1、t2和t0是針對相應活動開關的停留時間，且ts是採樣周期。

停留時間是相應開關的接通時間。例如，t1是開關s1和s6針對活動矢量i1的接通時間。由於針對矢量和中的每一個接通開關s1，因此開關s1在整個採樣周期ts上是接通的。比值t1/ts是開關s6在採樣周期ts期間的佔空比。

通常選擇採樣周期ts，使得針對每個扇區將參考電流合成多次。例如，可以針對每個扇區將參考電流合成兩次，使得針對每個周期將參考電流合成12次，其中一個完整的周期是參考電流通過扇區i-vi。

可以通過使用安秒平衡原理來計算停留時間，即，參考電流和採樣周期ts的乘積等於合成空間矢量的時間間隔乘以電流矢量的總和。假設採樣周期ts足夠小，可以認為參考電流在採樣周期ts期間是恆定的。可以通過兩個相鄰的活動矢量和零矢量來合成參考電流例如，當如圖5所示參考電流在扇區i中時，可以通過矢量和來合成參考電流因此，用以下方程來表示安秒平衡方程：

ts＝t1+t2+t7(10)

其中t1、t2和t7是針對矢量和的停留時間，且ts是採樣時間。那麼停留時間表示為：

t1＝mtssin(π/6-θ)(11)

t2＝mtssin(π/6+θ)(12)

t7＝ts-t1-t2(13)其中

θ是電流參考和α軸之間的扇區角，如圖5所示，k是變壓器匝數比。

然而，上述停留時間計算是基於電感器電流il是恆定的假設的。如果電感器電流il具有波動，則基於這些方程的停留時間計算是不準確的。波動越大，誤差將越大。因此，將增加線側電流的thd。在實際應用中，負載側電感並非是無窮大的，且電流波動一直存在。如圖6a所示，如果負載側電感較小，則電流波動過大而無法使用已知的svm。如圖6b所示，為了提供可接受的波形並減小線側thd，負載側電感必須足夠大以減小電流波動並儘可能接近理論值。

還可以通過使用參考方程(9)-(14)所討論的相同技術，將已知svm應用於圖2中的電流源整流器以及圖3中的電流源逆變器。

較大負載側電感具有以下問題：例如，尺寸較大、重量過大且損耗較高。實際電感器中的電流波動還在使用傳統svm的調製信號中存在問題，包括增加的線側thd。此外，當負載變化時dcm是不可避免的。在較輕的負載下，負載側電感器lo可能在dcm中，而無需假負載。

在針對矩陣整流器、電流源整流器和電流源逆變器的已知svm中，假設dc電流是恆定的，或假設電流波動是非常小的。因此，已知svm至少包括以下問題：

1)負載側電感必須足夠大以保持較小的電流波動。

2)1)導致的結果是負載側電感器尺寸必須較大。

3)電流波動增加了線側電流的thd。

4)線側電流的thd在輕負載下較高。

5)僅可以將已知svm用於ccm操作中。

技術實現要素：

為了克服上述問題，本發明的優選實施例提供了一種具有以下優點的改善型svm：

1)減小的負載側電感。

2)減小的負載側電感器尺寸。

3)即使在較大電流波動或輕負載條件下，仍減小線側電流的thd。

4)改善型svm能夠用於dcm和ccm模式二者。

5)改善型svm較簡單，且能夠被實時計算。

本發明的優選實施例提供了一種轉換器，包括：變壓器，包括初級繞組和次級繞組；開關，與所述初級繞組相連；輸出電感器，與所述次級繞組相連；以及控制器，與所述開關相連。控制器基於通過使用空間矢量調製利用參考電流計算的停留時間來接通和斷開開關，其中參考電流的幅度隨時間改變。

本發明的另一優選實施例提供了一種對應的空間矢量調製方法。

優選地，所述開關包括六個開關；所述空間矢量調製包括使用六個活動開關狀態和三個零開關狀態；通過六個活動開關狀態將電流空間劃分為六個扇區，使得θ＝0的矢量位於所述活動開關狀態中的兩個活動開關狀態的中間；以及六個活動開關狀態的幅度隨著時間改變。

優選地，控制器基於根據安秒平衡方程計算出的停留時間來接通和斷開所述六個開關：

其中θ是參考電流和θ＝0的矢量之間的角度，ts是採樣周期，是的三個最近的相鄰活動矢量，且tα，tβ，t0是的停留時間。優選地，控制器在採樣周期ts期間基於矢量序列來接通和斷開六個開關。優選地，控制器在採樣周期ts期間基於時間序列tα/2，t0/4，tβ/2，t0/4，tβ/2，t0/4，tα/2，t0/4來接通和斷開六個開關。

優選地，所述控制器通過使用下式計算停留時間：

t0＝ts-tα-tβ

其中

b＝4loil0-3uots/2

c＝8kloirefts

u1α是取決於活動開關狀態的線間電壓；u1β是取決於活動開關狀態的線間電壓；k是變壓器匝數比；uo是轉換器的輸出電壓；θ是參考電流和θ＝0的矢量之間的角度；lo是輸出電感器的電感；il0是在採樣周期ts開始時通過電感器lo的電流；ts是採樣周期；且iref是矢量的幅度。

優選地，所述控制器通過使用下式計算停留時間：

其中k是變壓器匝數比；lo是輸出電感器的電感；iref是矢量的幅度；ts是採樣周期；θ是參考電流和θ＝0的矢量之間的角度；u1α是取決於活動開關狀態的線間電壓；u1β是取決於活動開關狀態的線間電壓；且uo是轉換器的輸出電壓。

優選地，所述轉換器是矩陣整流器、電流源整流器和電流源逆變器之一。優選地，所述轉換器在連續導通模式或間斷導通模式下操作。

根據以下參考附圖對本發明優選實施例的詳細描述，將更清楚本發明的上述和其他特徵、要素、特點、步驟和優點。

附圖說明

圖1是隔離的矩陣整流器的電路圖。

圖2是電流源整流器的電路圖。

圖3是電流源逆變器的電路圖。

圖4示出了電流空間矢量六邊形。

圖5示出了通過利用已知svm使用i1和i2來合成參考電流

圖6a和圖6b示出了理想和實際的dc電流波形。

圖7示出了通過利用本發明優選實施例的svm使用iα和iβ來合成參考電流

圖8示出了圖1所示的隔離的矩陣整流器的波形。

圖9a、圖9c和圖9e示出了圖1所示的隔離的矩陣整流器使用已知svm在ccm下的波形；且圖9b、圖9d和圖9f示出了圖1所示的隔離的矩陣整流器使用根據本發明的各種優選實施例的svm在ccm下的對應波形。

圖10a、圖10c和圖10e示出了圖1所示的隔離的矩陣整流器使用已知svm在dcm下的波形；且圖10b、圖10d和圖10f示出了圖1所示的隔離的矩陣整流器使用根據本發明的各種優選實施例的svm在dcm下的對應波形。

具體實施方式

本發明的優選實施例改善了已知svm。改善型svm能夠用於dcm和ccm操作，能夠用於較小負載側電感器，並減小線側thd。

與已知svm相同，改善型svm包括九個開關狀態，包括如圖4所示的六個活動開關狀態和三個零開關狀態，所述開關狀態用於合成參考電流如圖7所示。然而，在改善型svm中，儘管六個活動開關狀態是靜態的，然而將它們假設為隨時間改變。也就是說，活動開關狀態的幅度隨著時間而改變，這在實際應用中是符合實際的。

優選地，通過如圖7所示的三個最近的矢量來合成參考電流且每個矢量的停留時間為tα，tβ，t0。這裡，(α，β)表示每個扇區中的活動矢量對的下標，諸如，(1，2)或(2，3)或(3，4)或(5，6)或(6，1)。優選地，基於安秒平衡的原理，計算停留時間。由於電流波動，電感器電流不是恆定的，所以方程(9)的安秒平衡變為：

將方程(15)應用到圖1所示的隔離的矩陣整流器，提供以下分析：在以下分析中進行以下假設：

1)變壓器tr是理想的；以及

2)在一個採樣周期ts內，相電壓ua、ub、uc是恆定的。

由於通過變壓器提供隔離，因此矩陣轉換器的輸出電壓u1(t)必須以較高頻率在正負之間交替，以維持壓秒平衡。因此，在每個採樣周期ts中的優選矢量序列被分為8個分段，即且每個矢量的停留時間分別為tα/2，t0/4，tβ/2，t0/4，tβ/2，t0/4，tα/2，t0/4。然而，可以以不同方式組合活動矢量和零矢量的序列，且零矢量的停留時間不必被等同地劃分。例如，矢量序列可以是六個分段，即分別具有停留時間tα/2、tβ/2、t0/2、tα/2、tβ/2、t0/2。僅將如下情況用作示例來示出可以如何計算停留時間以消除電流波動對負載側的影響：存在八個分段，即且每個矢量的停留時間為tα/2，t0/4，tβ/2，t0/4，tβ/2，t0/4，tα/2，t0/4。圖8示出了矩陣轉換器輸出電壓u1(t)、電感器電流il(t)、矩陣轉換器輸出電流ip(t)和相電流ia(t)的波形。在方程(16)中描述了時間t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8處的電感器電流il(t)，其中t1和(t7-t6)＝tα/2，(t3-t2)和(t5-t4)＝tβ/2，，且零矢量的停留時間均為t0/4：

其中uli是時間ti-1和ti之間的負載側電感器的電壓，且lo是負載側電感器lo的電感。負載側電感器電流的瞬時值表示為：

矩陣轉換器的輸出電流ip表示為：

其中k是變壓器的匝數比，且符號函數g表示為：

通過使用方程(18)，活動矢量的方程(7)變為：

將方程(17)、(18)和(20)代入安秒平衡方程(15)，得到：

其中根據應於哪個扇區中，(α，β)可以是(1，2)或(2，3)或(3，4)或(5，6)或(6，1)。例如，如果位於扇區i中，則(α，β)將是(1，2)。

將代入方程(21)，可以在下面三種不同情況下計算停留時間：

情況1：當電感lo→∞或電感lo較大使得可以忽略電流波動從而il0＝il2＝il4＝il6＝il，那麼停留時間與已知svm相同。

tα＝mtssin(π/6-θ)(22)

tβ＝mtssin(π/6+θ)(23)

t0＝ts-tα-tβ(24)

其中調製指數m表示為：

且θ是參考電流和α軸之間的角度，如圖7所示。

在這種情況下，根據本發明的各種優選實施例的改善型svm與已知svm一致。

情況2：當電感lo非常小或負載非常輕時，負載側可以處於dcm模式下。停留時間計算為：

t0＝ts-tα-tβ(28)

其中k是變壓器匝數比；lo是負載側電感器lo的電感；iref是矢量的幅度並由控制器來確定；ts是採樣周期；θ是參考電流和α軸之間的角度，如圖7所示；u1α由控制器來測量並與取決於開關狀態的線間電壓相對應；u1β由控制器來測量並與取決於開關狀態的線間電壓相對應；且uo由控制器測量的輸出電壓。線間電壓u1α和u1β取決於開關狀態。例如，在具有活動矢量和的扇區i中，線間電壓u1α和u1β分別為uab和uac。

情況3：當在ccm操作下且無法忽略電流波動時，將停留時間計算為：

t0＝ts-tα-tβ(31)

其中

b＝2nloil0-3uots/2(33)

c＝2n2klirefts(34)

其中u1α由控制器來測量並與取決於開關狀態的線間電壓相對應；u1β由控制器來測量並與取決於開關狀態的線間電壓相對應；k是變壓器匝數比；uo由控制器測量的輸出電壓；θ是參考電流和α軸之間的角度，如圖7所示；lo是負載側電感器lo的電感；il0是在採樣周期ts開始時由控制器測量的通過電感器lo的電流；ts是採樣周期；且iref是矢量的幅度並由控制器來確定。在一個採樣周期ts中，矢量iα被分為n個等份。在該示例中，由於一個採樣周期包括iα和-iα，因此n為2。如果n＝2，則b和c被表示為：

b＝4loil0-3uots/2(35)

c＝8kloirefts(36)

圖9a、圖9c和圖9e示出了圖1所示的隔離的矩陣整流器使用已知svm在ccm下的波形；且圖9b、圖9d和圖9f示出了圖1所示的隔離的矩陣整流器使用根據本發明的各種優選實施例的svm在ccm下的對應波形。在圖9a和圖9b中，負載側電感器電流是連續的，所以隔離的矩陣整流器在ccm下操作。圖9c和圖9d示出了時域的波形，且圖9e和圖9f示出了頻域的波形。通過將這些附圖進行比較，說明了根據本發明的各種優選實施例的改善型svm提供了一種具有更好成形波形和較小thd的線側電流。例如，測量到使用改善型svm的thd為4.71％，且測量到使用已知svm的thd為7.59％。

圖10a、圖10c和圖10e示出了圖1所示的隔離的矩陣整流器使用已知svm在dcm下的波形；且.圖10b、圖i0d和圖10f示出了圖1所示的隔離的矩陣整流器使用根據本發明的各種優選實施例的svm在dcm下的對應波形。在圖10a和圖10b中，負載側電感器電流是間斷的(即，電流等於零)，所以隔離的矩陣整流器在dcm下操作。圖10c和圖1od示出了時域的波形，且圖10e和圖10f示出了頻域的波形。通過將這些附圖進行比較，說明了根據本發明的各種優選實施例的改善型svm提供了一種具有更好成形波形和較小thd的線側電流。例如，測量到使用改善型svm的thd為6.81％，且測量到使用已知svm的thd為17.4％。

因此，根據本發明的各種優選實施例的改善型svm能夠用於在ccm和dcm操作下的圖1的隔離的矩陣整流器。相較於已知svm，通過改善型svm明顯地減小了線側電流thd。改善型svm適合於具有寬負載範圍的緊湊且高效的設計。改善型svm還可以應用於電流源轉換器以便改善ac側電流thd。

在本發明的優選實施例中，為了計算停留時間，控制器測量變壓器初級電流ip(或電感器電流il)、線電壓ua、ub、uc以及輸出電壓uo。控制器可以是任何適合的控制器，例如包括pi控制器、pid控制器等。所述控制器可以實現在編程用於提供上述功能的ic設備或微處理器中。

還可以將應用於圖1的隔離的矩陣整流器的相同技術和原理應用於圖2中的電流源整流器和圖3中的電流源逆變器。這些技術和原理不限於圖1至圖3所示的設備，且可以應用於其他適合設備，例如包括非隔離的設備。

應注意，以上描述僅是為了說明本發明。本領域技術人員在不脫離本發明的情況下可以設想各種替代和修改。因此，本發明意欲包含落在所附權利要求的範圍內的所有這些替代、修改和變化。