一种准Z源三相四桥矩阵变换器的电流预测控制方法与流程

一种准z源三相四桥矩阵变换器的电流预测控制方法
技术领域
1.本发明涉及到电力电子变换器控制技术领域，具体涉及到一种准z源三相四桥矩阵变换器的电流预测控制方法。


背景技术：

2.随着全球经济的发展和人们生活水平的不断提高，电气化技术的普及与应用愈来愈广，电能的消耗量也迅速升高，由此带来的能源短缺和环境污染问题已成为人类所共同面临的世纪性难题。特别是在我国，近年来国民经济快速发展，迅猛增长的耗电量使能源和环境这两个问题更显得尤为突出。一方面，每年开采和消耗大量的煤炭资源，这给经济和社会的可持续发展带来了严重的隐患。另一方面，燃煤发电还造成了对环境的严重污染，而且二氧化碳排放过度已导致全球性的温室效应。
3.根据国家有关部门的调查统计，我国发电量的60％
‑
70％用于推动电动机做功，其中90％的电动机是交流电动机，大部分为直接拖动。由于采用直接恒速拖动，每年造成大量的电能浪费。再考虑到电力从发出到传输和使用中，如调峰、励磁、网损、无功及各种用电设备上的损耗，全国每年浪费的用电总量十分惊人。因此在我国大力发展电气节能技术，是建设“资源节约型”社会、实现可持续发展的必由之路。而交流变频调速技术是实现电气化节能的最重要的途径之一。
4.矩阵变换器是采用电力电子器件按照一定电路拓扑构成的交
‑
交电力变换装置。它是交流变频调速系统中的核心，具有能量双向流通，可实现四象限运行；正弦输入/输出电流；对任意负载输入功率因数为1；不需要直流储能元件等优点。但因为传统的三相三桥矩阵变换器无法实现输出带不平衡负载，在传统矩阵变换器的基础上增加第四桥臂构成三相四桥矩阵变换器。后面又为了改进传统矩阵变换器电压传输比低、抗干扰能力差等诸多缺点，研究人员开始将z源/准z源网络引入矩阵变换器。
5.目前主流的矩阵变换器控制策略主要有间接空间矢量调制算法、直接空间矢量调制算法和双电压控制法。就控制算法的实现难度而言，双电压控制法的难度是大于空间矢量脉宽调制算法。由于三相四桥矩阵变换器输出通常接三相不对称负载，那么输出电压就要采用三维空间矢量调制，使得输出电压扇区划分、开关状态的确定、矢量合成的难度较三相三桥矩阵变换器输出电压空间矢量调制有所提升。


技术实现要素：

6.针对上述三相四桥矩阵变换器的技术问题。本发明公开了一种基于电流预测的控制方法，将电流预测控制引入到虚拟的三相四桥逆变器中，以简化其控制的复杂度。同时加入准z源结构提高电压传输比。
7.本发明解决上述技术问题的方案是：
8.通过虚拟的直流环节概念把三相四桥矩阵变换器等效为一个三相整流器和一个三相四桥臂逆变器的虚拟连接；
9.通过空间矢量调制对三相整流器以及准z源进行控制，通过输出电流预测方法对三相四桥臂逆变器进行控制；
10.使用开关合成来实现对实现整流器和逆变器的开关状态合成，从而输出三相四桥矩阵变换器的开关状态。
11.本发明的技术效果在于：本发明利用空间矢量调制对虚拟整流器进行控制，利用电流预测控制方法对虚拟逆变器进行控制，使输出电流跟踪参考电流，从而输出使得实际电流与参考电流误差最小的开关状态，没有复杂的三维空间矢量调制的过程，一定程度上简化了对三相四桥矩阵变换器的控制。这样可以实现对输出电流幅值的控制，提高电压传输比，提升系统运行效率。
附图说明
12.图1为本发明中准z源三相四桥矩阵变换器主电路结构。
13.图2为本发明中三相四桥矩阵变换器等效变换ac/dc/ac结构。
14.图3为本发明中虚拟整流器空间矢量图。
15.图4为本发明中直通零矢量插入方式与开关序列图。
16.图5为本发明中虚拟整流器空间矢量调制实现流程图。
17.图6为本发明中虚拟逆变器电流预测控制实现流程图。
18.图7为本发明工作流程图。
具体实施方式
19.下面结合附图，对本发明作进一步的详细说明。
20.准z源三相四桥矩阵变换器的主电路拓扑结构如图1所示。s
ij
(i＝a，b，c，d；j＝a，b，c)以及s1、s2、s3为双向功率开关器件，每个双向开关都具有双向导通和双向关断的能力。通过分析准z源三相四桥矩阵变换器的拓扑结构，对双向开关的导通与关断可以实现三相交流输入中的任意一相可以直接连接至四相交流输出中的任意一相，以达到想要的输出电压和电流。控制准z源三相四桥矩阵变换器即对其包含的双向开关通断状态进行控制。
21.虚拟整流器的结构如图2左半部分所示。虚拟整流级按照其工作原理总共有9种开关状态，对应于9种的电流空间矢量，包括6个非零矢量和3个零矢量。其实质上为输入电流空间矢量调制，用其所在扇区的两个相邻非零矢量和一个零矢量合成。因为包含准z源结构，所以虚拟整流器的空间矢量调制还应包含对准z源直通零矢量的调制。其实现步骤如下：
22.第1步：将三相参考输入电流利用(1)式由abc坐标系变为静止的αβ坐标系。
[0023][0024]
其中i
a
、i
b
、i
c
表示abc三相参考电流，i
α
、i
β
表示转换坐标系后的两相电流。
[0025]
第2步：利用(2)式计算出参考合成矢量i
iph
与α轴的夹角θ，并通过θ大小判断i
iph
所在扇区。扇区的划分如图3(a)所示。
[0026]
θ＝arctan(i
β
/i
α
)
ꢀꢀ
(2)
[0027]
第3步：利用(3)式计算i
iph
所在扇区的开关矢量作用时间，以第二扇区为例，如图3(b)所示。其他扇区可以通过加减相应的角度等效转换为第二扇区。
[0028]
θ
sc
＝θ
‑
30
°
[0029]
d
μ
＝t
μ
/t＝m*sin(60
°‑
θ
sc
)
[0030]
d
v
＝t
v
/t＝m*sin(θ
sc
)
ꢀꢀ
(3)
[0031]
d0＝t0/t＝1
‑
d
μ
‑
d
v
‑
d
z
[0032]
其中θ
sc
表示参考输入相电流矢量所在扇区的偏置角，取值范围为[0，60
°
]。d
μ
、d
v
、d0表示相应矢量的占空比，d
z
表示准z源直通零矢量的占空比，d
z
＝t
z
/t。t表示开关周期，t
μ
、t
v
、t0、t
z
表示相应矢量的作用时间。m表示参考输入相电流空间矢量的调制度，且有0≤m＜1。
[0033]
第4步：矢量的调制：为了实现非零矢量的有效合成，保持其工作时间不变，并在一个开关周期内用准z源直通零矢量替代部分零矢量。采用“双侧对称”的脉宽分布，可以有效地减少输入输出波形的谐波畸变。将开关周期的直通零矢量作用时间等分为6个部分，依次选择合适的直通零矢量，并将它们插入空间矢量调制的有效矢量之间，最后调整作用时间完成矢量调制。一个周期内的开关序列与直通零矢量插入方式为图4。
[0034]
根据以上的分析，在进行空间矢量调制的过程中会输出不同的开关矢量，为分辨输出的开关矢量，应对其进行编号。分析准z源的工作原理可知，当输出准z源直通零矢量时应使矩阵变换器三相输入侧同时短路，即直通。同时还应使得准z源网络的三个开关s1、s2、s3关断。输出其他矢量时，应使s1、s2、s3导通。具体实施流程图为图5。
[0035]
虚拟逆变器的结构如图2右半部分所示，基于电流预测控制的虚拟逆变器控制实现步骤如下：
[0036]
第1步：利用电流表对a、b、c三相输出电流i
a
、i
b
、i
c
进行检测，若在第k周期则三相电流用i
a
(k)、i
b
(k)、i
c
(k)来表示。
[0037]
第2步：首先定义开关状态
[0038][0039]
其中x＝a，b，c，d。s
px
和s
nx
为逆变器同一输出相的上下两个开关。
[0040]
然后分析逆变器结构可得：
[0041]
u
ad
＝(s
a
‑
s
d
)*u
pn
[0042]
u
bd
＝(s
b
‑
s
d
)*u
pn
ꢀꢀ
(5)
[0043]
u
cd
＝(s
c
‑
s
d
)*u
pn
[0044]
其中u
ad
、u
bd
、u
cd
分别为a点与d点、b点与d点、c点与d点两点之间的电压，u
pn
为图2中直流链之间的电压。
[0045]
第3步：利用(6)式对下一周期的a、b、c三相输出电流进行预测：
[0046]
[0047][0048][0049]
其中i
a
(k 1)、i
b
(k 1)、i
c
(k 1)分别表示下一周期a、b、c三相输出电流的预测值，t
s
表示采样周期，r
a
、r
b
、r
c
分别为逆变器的负载电阻值，l
s
、l
n
表示滤波电感值。
[0050]
第4步：定义电流预测值和参考值之间的误差为：
[0051]
g＝(i
aref
‑
i
a
(k 1))2 (i
bref
‑
i
b
(k 1))2 (i
cref
‑
i
c
(k 1))2ꢀꢀ
(7)
[0052]
其中g表示误差的大小，i
aref
、i
bref
、i
cref
为下一周期a、b、c三相输出电流的参考值。
[0053]
分析逆变器的工作原理可知，对应的不同开关状态s
a
、s
b
、s
c
、s
d
有16组，将16组不同的开关状态分别代入(5)
‑
(7)式得到16种不同g的大小，选取对应使得g最小的一组开关状态进行输出。同时为了辨别不同组的开关状态，可以对每个组的开关状态进行编号，最后输出相应的开关状态编号。具体实施流程图为图6。
[0054]
开关状态合成的实现方法为：将空间矢量调制得到的虚拟整流器开关状态和电流预测控制得到的虚拟逆变器开关状态展现在图2当中，通过电流的流通路径判断出输入的a，b，c三相与输出的a，b，c，d四相的连接情况，来判断三相四桥矩阵变换器的开关状态。例如，输入a相与输出a相之间有电流流通路径，则表明输入a相与输出a相之间有连接，对应图1中的双向开关s
aa
应导通。若对应无连接则开关应关断。
[0055]
通过以上的几个步骤，基于空间矢量调制和电流预测控制的准z源三相四桥矩阵变换器的控制工作流程图如图7所示。