不平衡负载下五相六桥臂双级矩阵变换器载波PWM控制策略制造技术

本发明专利技术公开了一种不平衡负载下五相六桥臂双级矩阵变换器载波PWM控制策略，其特点是：对整流级和逆变级五相桥臂采用空间矢量调制策略求取各开关状态的占空比，当控制负载中性点电压为相应的零序电压时，任意负载下均可使输出负载电压对称，进而根据零序电压求得逆变级中线，即N相桥臂的占空比；将整流级和逆变级六相桥臂的占空比与载波相结合，计算出两级调制波；对整流级和逆变级采用同一个载波分别与两级调制波相比较所产生两级功率开关的驱动信号，对五相六桥臂双级矩阵变换器进行控制，使负载中性点的电压为相应的零序电压，从而使得输出负载电压为五相正弦对称电压。具有科学合理，适用性强，效果佳，算法简单等优点。

【技术实现步骤摘要】
不平衡负载下五相六桥臂双级矩阵变换器载波PWM控制策略
本专利技术属于电力电子功率变换器控制领域，是一种不平衡负载下五相六桥臂双级矩阵变换器载波PWM控制策略，用于解决五相双级矩阵变换器带不平衡负载时输出负载电压不平衡的问题。
技术介绍
随着电力电子变换器的快速发展，由多相(相数大于3)变换器供电的多相电机驱动系统，为实现大功率交流传动提供了新的途径，多相矩阵变换器也因此得到了广泛的研究。与传统的三相驱动系统相比，多相电机驱动系统具有许多优点，其中的容错特性可以提高系统的可靠性，即当多相电机的某一相或是某几相发生故障(相当于不平衡负载)而无法正常运行时，系统仍能以剩余的无故障相进行降额运行，且无需停机。另一方面，在实际应用中，矩阵变换器经常会遇到负载不平衡的情况。负载不平衡时将会导致负载电压不对称，不对称的负载电压不利于负载的正常运行，甚至会损坏负载。现阶段对于多相输出的矩阵变换器带不平衡负载的相关研究相对较少。已有研究者提出了五相六桥臂单级矩阵变换器的拓扑结构，并对逆变级使用三维电压空间矢量调制方法，然而逆变级共有64个矢量，构成80个四面体，算法非常复杂。近年来，载波PWM的方法在矩阵变换器中得到了广泛的应用，受到了研究者们的关注，已通过对三相双级矩阵变换器和五相双级矩阵变换器进行载波脉冲宽度调制，验证了载波PWM方法的有效性和可行性。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提出一种科学合理，适用性强，效果佳，算法简单的不平衡负载下五相六桥臂双级矩阵变换器载波PWM控制策略。实现专利技术目的采用的技术方案是，一种不平衡负载下五相六桥臂双级矩阵变换器载波PWM控制策略，其特征是，它包括：1)对整流级和逆变级五相桥臂采用空间矢量调制策略求取各开关状态的占空比，当控制负载中性点电压为相应的零序电压时，任意负载下均可使输出负载电压对称，进而根据零序电压求得逆变级中线，即N相桥臂的占空比；2)将整流级和逆变级六相桥臂的占空比与载波相结合，计算出两级调制波；3)对整流级和逆变级采用同一个载波分别与两级调制波相比较所产生两级功率开关的驱动信号，对五相六桥臂双级矩阵变换器进行控制，使负载中性点电压为相应的零序电压，从而使得输出负载电压为五相正弦对称电压。所述零序电压为：其中，Uom为输出相电压幅值；θv为输出电压扇区角；M＝0.4；L＝0.8cos(π/5)；umax为输出五相电压的最大值；η为同一方向上的中矢量与大矢量的相对比率，为了保证输出五相电压波形为正弦波，η应等于0.618。逆变级N相桥臂的占空比函数为：式中，upn为直流侧电压；逆变级和整流级N相桥臂的组合占空比为：式中，dμ，dγ分别为整流级两个最大的极性为正的线电压占空比；dM＝1-dN。所述五相六桥臂双级矩阵变换器载波PWM控制：载波是周期为Ts，幅值为-1和1的等腰三角波，其表达式为：逆变级N相桥臂调制波为：进一步为：(1)在五相六桥臂双级矩阵变换器的基础上，根据空间矢量调制算法，确定一个开关周期内，整流级各矢量占空比dμ、dγ和逆变级N相桥臂占空比dN，进而确定整流级与逆变级N相桥臂组合占空比TN1、TN2、TN3、TN4；(2)对逆变级N相桥臂进行载波脉冲宽度调制分析，得到调制信号uN1、uN2的大小，控制负载中性点电压为相应的零序电压urZ，使其在不平衡负载下获得对称的五相电压。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术是一种不平衡负载下五相六桥臂双级矩阵变换器载波PWM控制策略，能够使其在五相负载不平衡时仍能保证输出负载电压对称，在缺相情况下也可保证其他相的正常运行，五相六桥臂双级矩阵变换器的双级均采用载波脉冲宽度调制的方法，避免了使用三维电压空间矢量调制方法的复杂性，具有方法科学合理，适用性强，效果佳，算法简单等优点。附图说明图1为五相六桥臂双级矩阵变换器的拓扑结构图；图2为整流级输入相电压区间划分示意图；图3为逆变级电压空间矢量在基波空间的分布示意图；图4为参考输出电压矢量合成示意图；图5为整流级和逆变级的开关状态组合和排列顺序示意图；图6为五相六桥臂双级矩阵变换器载波脉冲宽度调制示意图；图7为由平衡负载切换到B相负载断线的仿真波形图；图8为不平衡负载下的仿真波形图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案作进一步详细描述。本专利技术的一种不平衡负载下五相六桥臂双级矩阵变换器载波PWM控制策略，使其在平衡负载和不平衡负载的情况下均能保证输出对称电压。五相六桥臂双级矩阵变换器的拓扑结构如图1所示，新增加的N相桥臂连接到五相负载的中性点N处。图1中，ua、ub、uc为三相输入对称电压；Lf，Cf分别为输入滤波器的电感和电容；upn，ipn分别为直流侧的电压和电流；uA、uB、uC、uD、uE和iA、iB、iC、iD、iE分别为输出五相电压和电流；uN、iN分别为N相桥臂的输出电压和电流。假设输入电压为三相对称正弦电压：Uim为输入电压幅值；ωi为输入电压的角频率；为输入电压的初始相角。为了减少换向时间，减少开关损耗，提高输入电压利用率，整流级采用无零矢量的调制方法，即在每个载波PWM调制周期内，直流侧的电压由相应的两个最大的极性为正的线电压合成。图2为输入相电压的区间划分示意图。以第1区间为例，两个最大的极性为正的线电压为uab，uac，设其相应的占空比为dμ，dγ，其表达式如下：在第1区间内，直流侧电压upn的表达式为：式中，uab，uac分别为a，b两相的线电压和a，c两相的线电压。表1直流侧电压可以应用于逆变级有效矢量和零矢量占空比的计算。表1给出了其他区间两个最大的极性为正的线电压所对应的占空比。假设输出五相参考电压为五相对称正弦电压：Uom为输出相电压幅值；ωo为输出电压的角频率；为输出电压的初始相角。逆变级的电压空间矢量在基波空间的分布如图3所示。它包括30个有效矢量(十个大矢量、十个中矢量和十个小矢量)和两个零矢量。每个电压扇区均有六个有效矢量相邻，为了得到最大的输出参考电压Uref，仅选用相邻的两个大矢量UαL，UβL和两个中矢量UαM，UβM以及零矢量U0V，U0U来合成输出参考电压矢量，如图4所示，假设输出参考电压矢量Uref位于第Ⅰ区间，图中，θv为输出电压扇区角；M＝0.4；L＝0.8cos(π/5)；TαL、TαM、TβL、TβM和dαL、dαM、dβL、dβM分别为相应有效矢量的作用时间和占空比，d0V，d0U分别为两个零矢量的占空比；η为同一方向上的中矢量与大矢量的相对比率，为了保证输出五相电压波形为正弦波，η应等于0.618。整流级的任务是对三相输入电压进行调制，输出直流电压给逆变级供电，负载上的输出电压是由逆变级输出的，所以当输入电压对称、负载为不平衡负载时，只需对图1中的逆变级进行分析。为了便于分析，将upn平均分成两部分，中点为O，电位为零。uAO、uBO、uCO、uDO、uEO为输出五相桥臂对O点的电压，uNO为N相桥臂对O点的电压；uAN、uBN、uCN、uDN、uEN为五相负载电压；则输出电压方程为：uXO-uNO＝uXN，X＝A,B,C,D,E(6)由公式(6)可知，五相输出电压由五相桥臂对O点的电压和负载的中性点电压决定，由节点电压法可计算中性点电压uNO：式中，对于五相双级矩阵变换器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不平衡负载下五相六桥臂双级矩阵变换器载波PWM控制策略，其特征是，它包括：1)对整流级和逆变级五相桥臂采用空间矢量调制策略求取各开关状态的占空比，当控制负载中性点电压为相应的零序电压时，任意负载下均可使输出负载电压对称，进而根据零序电压求得逆变级中线，即：逆变级N相桥臂的占空比；2)将整流级和逆变级六相桥臂的占空比与载波相结合，计算出两级调制波；3)对整流级和逆变级采用同一个载波分别与两级调制波相比较所产生两级功率开关的驱动信号，对五相六桥臂双级矩阵变换器进行控制，使负载中性点电压为相应的零序电压，从而使得输出负载电压为五相正弦对称电压。

【技术特征摘要】
1.一种不平衡负载下五相六桥臂双级矩阵变换器载波PWM控制策略，其特征是，它包括：1)对整流级和逆变级五相桥臂采用空间矢量调制策略求取各开关状态的占空比，当控制负载中性点电压为相应的零序电压时，任意负载下均可使输出负载电压对称，进而根据零序电压求得逆变级中线，即：逆变级N相桥臂的占空比；2)将整流级和逆变级六相桥臂的占空比与载波相结合，计算出两级调制波；3)对整流级和逆变级采用同一个载波分别与两级调制波相比较所产生两级功率开关的驱动信号，对五相六桥臂双级矩阵变换器进行控制，使负载中性点电压为相应的零序电压，从而使得输出负载电压为五相正弦对称电压。2.根据权利要求1所述的不平衡负载下五相六桥臂双级矩阵变换器载波PWM控制策略，其特征是，所述零序电压为：其中，Uom为输出相电压幅值；θv为输出电压扇区角；M＝0.4；L＝0.8cos(π/5)；umax为输出五相电压的最大值；η为同一方向上的中矢量与大矢量的相对比率，为了保证输出五相电压波形为正弦波，η应等于0.618。3.根据权利要求1所述的不平衡负载下五相六桥臂双级矩阵变换器载波PWM控制策略，其特征是，所述逆变级N相桥臂的占空比函数为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王秀云，王汝田，王位权，母兴军，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22