并聯(lián)型雙級矩陣變換器拓寬輸入側(cè)無功功率調(diào)節(jié)范圍的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種矩陣變換器的控制方法，特別是設(shè)及一種并聯(lián)型雙級矩陣變換器 在輕載或空載條件下調(diào)節(jié)輸入側(cè)無功功率的控制方法，屬于電力電子技術(shù)和控制技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，基于矩陣變換器（matrix converter, MC)的概念發(fā)展而來的雙級式矩陣 變換器（two stage matrix converter, TSMC)，獲得了國內(nèi)外學(xué)者廣泛而持續(xù)的關(guān)注和研 究，具有結(jié)構(gòu)緊湊、開關(guān)損耗低、功率密度高等顯著優(yōu)點。TSMC具有分立的整流級和逆變級 結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)MC相比，還具有換流簡單，整流級可實現(xiàn)零電流換流等優(yōu)勢。
[0003] 將具有相同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模塊化拓撲單元通過串、并聯(lián)的方式進行擴展，是工業(yè)上 常用的成倍增加變換器設(shè)備功率容量的方式。常見的如逆變器并聯(lián)、直直變換器串聯(lián)、級聯(lián) 或并聯(lián)等形式。關(guān)于TSMC的串并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法，現(xiàn)有的研究還比較少。中國專 利CN102790536A提出了一種雙TSMC交錯并聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)及其基本的控制方法。并聯(lián)型 TSMC所構(gòu)成的變換器系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，如實現(xiàn)功率容量的倍增，通過交錯驅(qū)動降低輸出 電壓和輸入電流的高頻紋波，各模塊之間形成冗余備份，可實現(xiàn)容錯運行等。
[0004] 在并聯(lián)型的拓撲結(jié)構(gòu)中，一般需要控制各模塊均分負載功率或電流，TSMC也不例 夕K但對TSMC并聯(lián)系統(tǒng)采用簡單的負載功率均分策略，在輕載或空載條件下，存在輸入功 率因數(shù)偏低的問題。眾所周知，TSMC輸入側(cè)的無功功率調(diào)節(jié)范圍存在諸多限制。首先，一般 情況下要求輸入電流控制矢量與輸入電壓矢量的夾角不能超過±30°，否則直流母線容易 出現(xiàn)短路，通過調(diào)整控制策略，在直流母線即將出現(xiàn)負壓的時刻，同時交換整流級和逆變級 上下管的驅(qū)動信號，可W擴大角度調(diào)節(jié)范圍（超過±30° )，但運種策略對電壓檢測精度的 要求較高、實現(xiàn)難度較大。其次TSMC輸入側(cè)的無功功率（絕對值）增大時，輸出側(cè)的最大 電壓傳輸比就會相應(yīng)降低，為保證輸出電壓不變，輸入側(cè)無功功率也不能過大。此外，由于 TSMC整流級僅能對輸入電流矢量的角度進行直接控制，而輸入電流的幅值取決于負載電流 的有功分量，因此當(dāng)輸出有功功率較輕時，輸入電流的幅值也很小。極端情況下，當(dāng)輸出側(cè) 空載時，輸入側(cè)電流幅值為零，不管怎樣調(diào)節(jié)角度，TSMC輸入端的有功功率和無功功率均為 零，運種情況下，電源電流僅有濾波電容所產(chǎn)生的容性無功分量，即電源電流不為零，但其 功率因數(shù)為零。 陽0化]得益于并聯(lián)型TSMC系統(tǒng)所特有的結(jié)構(gòu)特點，本發(fā)明提出一種基于模塊間環(huán)流控 制的輸入側(cè)無功功率控制策略，使得并聯(lián)型TSMC系統(tǒng)在輕載甚至空載時，都能夠靈活地控 制輸入側(cè)無功功率的大小，將輸入功率因數(shù)校正為1。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種并聯(lián)型雙級矩陣變換器拓寬輸入側(cè)無功功率調(diào)節(jié)范 圍的控制方法，使其在輸出側(cè)不管是在額定負載，還是輕載或空載的條件下，都能夠?qū)⑤斎?側(cè)功率因數(shù)校正為1。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0008] 一種并聯(lián)型雙級矩陣變換器拓寬輸入側(cè)無功功率調(diào)節(jié)范圍的控制方法，當(dāng)系統(tǒng)輕 載或空載時，調(diào)整并聯(lián)的兩個雙級矩陣變換器模塊單元對負載有功功率的分配方式，在模 塊之間構(gòu)造環(huán)流功率，增大并聯(lián)的兩個雙級矩陣變換器模塊單元有功功率的絕對值之和， 使并聯(lián)型雙級矩陣變換器系統(tǒng)具備在輸入側(cè)提供足夠無功功率的能力，W抵消輸入濾波電 容所產(chǎn)生的容性無功功率，從而使得并聯(lián)雙級矩陣變換器系統(tǒng)能夠在全功率范圍內(nèi)，即額 定負載、輕載甚至空載，W及能量回饋狀態(tài)下，都能將輸入功率因數(shù)校正為1。
[0009] 具體方法為：
[0010] 首先，設(shè)定一個跟系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)的輸出功率口限值P。，P。的表達式如下：
[0011] ('tan 巧化,X 陽01引式中，為輸入電壓角頻率，C為輸入側(cè)濾波電容，U 1。為輸入電壓有效值，線ias 為系統(tǒng)容許的輸入角度調(diào)節(jié)范圍的最大值。為下文表述方便，記Q。= 3?怎A。2。
[0013] 并聯(lián)型拓撲結(jié)構(gòu)中兩個TSMC模塊單元分別記為第一雙級矩陣變換器模塊單元M 和第二雙級矩陣變換器模塊單元S。設(shè)某個穩(wěn)定運行狀態(tài)下，輸出側(cè)總的有功功率為P，通 過控制策略的調(diào)節(jié)，使得第一雙級矩陣變換器模塊單元M和第二雙級矩陣變換器模塊單元 S各自分擔(dān)的有功功率為Pm和P S，P、Pm和P S的符號表示功率流動的方向，正表示有功功率 從TSMC的輸入側(cè)向輸出側(cè)流動，負則表示有功功率從TSMC的輸出側(cè)向輸入側(cè)流動。同時， 調(diào)節(jié)第一雙級矩陣變換器模塊單元M和第二雙級矩陣變換器模塊單元S的輸入側(cè)的輸入功 率因數(shù)控制角度分別為稱^和鶴（給定電流矢量與輸入電壓矢量的夾角，電流超前于電壓 為正，滯后為負）。根據(jù)P的大小，Pm、Ps和口M、口S分別選擇不同的分配方式：
[0014] 1)當(dāng)P >2P?；騊《-2P。時，M和S平均分配負載功率，即P M= Ps= p/2,并通過 適當(dāng)?shù)拈]環(huán)控制環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)輸入無功功率分量，使輸入功率因數(shù)為1，此時與傳統(tǒng)的控制策略 相類似。忽略輸入側(cè)濾波電感的壓降，則穩(wěn)態(tài)時口Vi =獨跟巧an 。 陽〇1引リ當(dāng)-2P?！秔<2P。時，構(gòu)造關(guān)于輸出功率p的函數(shù)PM(P)、Ps(P)和巫M(P)、巫s(P)， 使其滿足條件： W16] 驅(qū)+ = ^ ， /-;、'!(片).tan 陽、(尸)]+ 尸州=-幻
[0017] 運是一個四元二階非線性方程，理論上可W有無數(shù)組解，為了提高可行性和穩(wěn)定 性，可W在解集中加一些限定條件，如要求Pm(P)、Ps(P)和巫M(P)、巫S(P)都必須是連續(xù)函 數(shù)等。下文中將給出一個滿足條件的特解。
[0018] 通過控制，使得穩(wěn)態(tài)時，第一雙級矩陣變換器模塊單元M和第二雙級矩陣變換器 模塊單元S的輸出功率和輸入側(cè)矢量角度與Pm(P)、Ps(P)和〇M(P)、巫S(P)相匹配，即
[0019]
[0020] 3)特別地，當(dāng)P = 0,即空載時，可控制第一雙級矩陣變換器模塊單元M的輸出功 率為Pm=P。/2,而S的輸出功率為Ps=-P。/2,兩者之和為零。此時實際輸出和電源輸入的 有功功率均為零，但在模塊之間存在環(huán)流的有功功率。傳統(tǒng)控制策略下，輸出有功功率為零 時，輸入側(cè)的有功和無功功率都只能為零；而本發(fā)明中，正是由于構(gòu)造出了運"無中生有"的 環(huán)流有功功率，使得輸入側(cè)無功功率的調(diào)節(jié)成為可能。穩(wěn)態(tài)時，兩個模塊的輸入功率因數(shù)控 制角度相等，但方向相反，即媒1 =-殺心-
[0021] 通過上述控制策略，并聯(lián)型TSMC系統(tǒng)在負載功率較高時，并聯(lián)模塊之間平均分配 負載有功功率；負載功率較輕甚至空載時，則在模塊間通過構(gòu)造適當(dāng)大小的環(huán)流有功功率， 相比于系統(tǒng)額定功率，環(huán)流功率的幅值很小，對系統(tǒng)效率影響不大；通過運種策略，使TSMC 輸入側(cè)無功功率始終有可"依附"的條件，從而保證并聯(lián)TSMC系統(tǒng)能在全功率范圍內(nèi)實現(xiàn) 單位功率因數(shù)校正。
[0022] 滿足控制條件的一個特解如下：
*
[0027] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的并聯(lián)型雙級矩陣變換器拓寬輸入側(cè)無功功率調(diào)節(jié) 范圍的控制方法，當(dāng)并聯(lián)型雙級矩陣變換器的負載功率較小時，在并聯(lián)的兩個雙級矩陣變 換器之間構(gòu)造一定幅值的環(huán)流電流。此時兩個雙級矩陣變換器輸入側(cè)有功功率的代數(shù)和與 負載功率相等，并沒有變化，但其絕對值之和增大。由于兩個雙級矩陣變換器的輸入側(cè)電流 的有功分量都增大了，因而在相同的補償角度下，能夠產(chǎn)生更大的無功分量，從而提高了無 功功率的調(diào)節(jié)范圍，使并聯(lián)型雙級矩陣變換器能夠在全功率范圍內(nèi)（額定負載、輕載、空載 W及能量回饋狀態(tài)）實現(xiàn)單位功率因數(shù)校正。通過上述控制方法，并聯(lián)型TSMC系統(tǒng)在負載 功率較高時，并聯(lián)模塊之間平均分配負載有功功率；負載功率較輕甚至空載時，則在模塊間 通過構(gòu)造適當(dāng)大小的環(huán)流有功功率，相比于系統(tǒng)額定功率，環(huán)流功率的幅值很小，對系統(tǒng)效 率影響不大；通過運種策略，使TSMC輸入側(cè)無功功率始終有可"依附"的條件，從而保證并 聯(lián)TSMC系統(tǒng)能在全功率范圍內(nèi)實現(xiàn)單位功率因數(shù)校正。
【附圖說明】
[0028] 圖1是雙機并聯(lián)型雙級矩陣變換器的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖2是雙級矩陣變換器單元之間功率分配與總輸出有功功率關(guān)系的函數(shù)圖像；
[0030] 圖3是雙級矩陣變換器單元輸入側(cè)控制矢量角度與總輸出有功功率關(guān)系的函數(shù) 圖像；
[0031] 圖4是雙機并聯(lián)型雙級矩陣變換器輸出側(cè)閉環(huán)控制示意圖；
[0032] 圖5是雙機并聯(lián)型雙級矩陣變換器輸入側(cè)功率因數(shù)閉環(huán)控制示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0034](一）基本原理
[0035] 并聯(lián)型雙級式矩陣變換器主功率部分的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包括兩個雙級 矩陣變換器單元，記為第一雙級矩陣變換器模塊單元M和第二雙級矩陣變換器模塊單元S， 兩者采用共享的輸入LC濾波器，Lg和Cg分別為輸入濾波器的電感和電容值，輸入電壓角頻 率和有效值分別為《 1。和U1。;輸出側(cè)采用星形連接的=繞組隔離變壓器，變壓器將第一雙 級矩陣變換器模塊單元M和第二雙級矩陣變換器模塊單元S的輸出電壓疊加后輸