矩阵式变换器的控制系统研究.pdf

第4 5 卷第3 期 2 0 1 1年 3月 电力 电子技术 P o we r Ele c t r o n ics Vo 1 4 5 No 3 Ma r ch 2 0 1 1 矩阵式变换器的控制系统研究 杨 苹 ，吕学瑜 ，郑木桂 ( 华南理工大学 ， 电力学院，广东 广州5 1 0 6 4 0 ) 摘要 ： 在研究双电压控制策略和四步换流策略基础上， 提 出了改进的双电压控制策略和变步长 四步换流策略。 以方便 、 可靠地实现控制策略并改善输 出质量。改进的控制策略简化了开关组合 ， 减少了系统计算量 ： 变步长 的换流策略既充分保证 了可靠性， 也减少 了换流时问。这里详细介绍了双电压控制算法的推导过程， 针对其存 在 的窄脉冲问题给 出了分析过程和处理方法 ， 同时介绍了变步长换流策略的工作原理。最后 。 介绍了双电压控 制算法和变步长换流策略的硬件实现 ， 并研制了基于数字信号处理器和可编程逻辑器件的矩阵式变换器样机 进行实验研究， 结果很好地验证了设计的可行性， 为矩阵式变换器的工业化提供 了有效的设计方案 关键词 ： 矩阵 式变换 器 ：双 电压 控制 ：变 步长换 流 中图分类号： T M4 6 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 1 0 0 X( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 0 9 0 4 Re s e a r ch o n M a t r ix Co n v e r t e r Co n t r o l S y s t e m YANG P ing，LU Xu e y u，ZHENG Mu g ui ( S o u t h C h i n a U n w e mi o f T e ch n o l o g y ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ，C h i n a ) Ab s t r a ct ： Ma t ri x co n v e rt e r is a n o v e l AC AC co n v e rt e r A imin g a t r e a liz in g t h e co n t r o l s t r a t e g y e x p e d ie n t ly a n d r e li a b ly ， a n i mp r o v e d d o u b l e li n e t o l in e v o lt a g e co n t r o l s t r a t e g y a n d v a lid it y o f v a r y i n g s t e p f o u r s t e p s co mmu n ica t i o n s t r a t e gy i s p r o p o s e d I mp r o v e d d o u b l e l in e t o li n e v o l t a g e co n t r o l s t r a t e g y s i mp li fi e s s w it ch i n g co mb i n a t i o n s a n d in f e r s a u n ifi e d f o r mu la f o r ca lcu la t in g d u t y r a t io Va r y in g s t e p f o u r s t e p s co mmu n ica t io n s t r a t e gy d e cr e a s e s t h e co mmu t a t io n t ime t o imp r o v e t h e q u a lit y o f o u t p u t w a v e for m T h e p a p e r d e ri v e s t h e d o u b le lin e t o lin e v o lt a g e co n t r o l s t r a t e g y T h e p r o b le m o f t h e b u mt p u l s e is a n a ly s e d a n d s o lv e d T h e p a p e r a ls o i n t r o d u ce s t h e p ri n ci p l e o f v a li d i t y o f v a r y i n g s t e p f o u r s t e p s co mmu n ica t io n s t r a t e g y F in al ly， the a ct u a l iz e o f t h e i mp r o v e d d o u b l e li n e t o l in e v o lt a g e co n t r o l s t r a t e gy a n d v a li d i t y o f v a ryi n g s t e p f o u r s t e p s co mmu n ica t i o n s t r a t e g y a r e in t r o d u ce d T h e e x p e ri me n t a l p r o t o t y p e o f ma t ri x co n v e - e r b a s e d o n DS P &CP L D is b u ilt u p T h e e x p e r ime n t al r e s u lt s v e r if iy t h e f e a s ib ilit y a n d v al id it y o f t h e d e s ig n， a n d it p r o v i d e s a n e ff e cti v e s ch e me t o r e a l iz e t h e p r o d u ct i o n o f ma t ri x co n v e r t e r Ke y wo r d s： ma t ri x co n v e r t e r ：d o u b le li n e t o li n e v o l t a g e co n t r o l；v a l id it y o f v a ryin g s t e p co mmu n i ca t i o n s t r a t e gy F o u n d a t i o n P r o j e ct ： S u p p o s e d b y Ma j o r P r o g r a m o f Na t i o n a l N a t u r a l S ci e n ce F o u n d i o n o f C h i n a ( N o 6 0 5 3 4 0 4 0 ) ； S ci e n ce a n d T e ch n o l o gy P la n n i n g P r o j e ct o f G u a n g d o n g P r o v in ce ( N o 2 0 0 5 A1 0 5 0 5 0 0 5 ， 2 0 0 7 B 0 1 0 4 0 0 0 8 0 ) 1 引 言 矩 阵式变 换器 作 为直 接 A C A C变换 的新型 器件而 备受关注 。它采 用可控 双 向开关 阵列对输 入 电压进行 调制和变换 ，可产 生任 意频率输 出电 压 电能可双 向流动 适用 于 电机四象 限运行场 合 ： 输 入与输 出 电流均 为正弦波 ， 谐波含 量少 ； 无 需大容量 的贮 能元件 ， 电路结构紧凑 ， 体积 小l1 _ 。 由于 矩 阵式 变 换器 有 9个功 率 开 关控 制 信 基 金项 目： 国家 自然科 学基金 重点 资助项 目( 6 0 5 3 4 0 4 0 ) ； 广东省科技计划资助项 目( 2 0 0 5 A1 0 5 0 5 0 0 5 ， 2 O 0 7 B 0 1 0 4 0 0 0 8 0 ) 定 稿 E t 期 ： 2 0 l0 一 o 9 0 6 作者 简 介 ： 杨 苹 ( 1 9 6 7 一 ) ， 女 ， 广 西钦 州人 ， 博 士 ， 教 授 ， 研 究方向 为 电力 电子 电路 的建模 与控 制。 号 控制 过程 复杂 ， 因此控 制 的实时性要 求强 ， 运 算量大 ， 要求控制信号有多路独立输 出， 这在一 定 程度上限制 了矩阵式变换器 的发展。 近年来 ， 随着 计算机技术 的发展 ， 出现 了高速处理芯片 ， 使得人 们可 采用 具 有高 速 运算 能 力 的数 字信 号 处理 器 ( D S P) 作 为控 制核 心 ， 应 用 复杂 可编 程逻 辑器 件 ( C P L D) 实现 四步换流策 略的开关切换控制 。 系统研究 了矩 阵式变 换器的控制系统 。在分 析双 电压控制 策略的基础上 。提 出改进 的双 电压 控制策 略。 根据安全换流 需对换流进行 改进 ， 包括 提 出了变步长四步换流策略 ，窄脉冲 问题分析和 处理方法：接着给出了基于 D S P和 C P L D的控制 系统实现方式； 最后进行了实验分析， 实验结果验 证 了理论分析 的正确性 ， 控制 系统设计的可行 性。 9 第 4 5卷 第 3期 2 0l1年 3月 电 力 电 子技 术 P o we r Ele ct r o n ics Vo 1 4 5No 3 Ma r c h 2 01 1 2双 电压 控制 策 略及 其 改进分 析 2 1 双 电 压 控 制 策 略 图 1示 出矩 阵式变换器 的拓 扑。其工作 原理 为 ： 通过控制各开关管 的开通与关 断 ， 按照一 定的 控制策略控制 9个双 向开关 ，即可实现频 率和幅 值可调 的变频输 出。 其 中， 控制策略 的设计是实现 矩 阵式变换器 的关键 。 图 1 矩阵式变换器的拓扑结构 双 电压 控制策略 的基本 思想是当输入输 出 电 压 处于某 时间段 内时 ， 在一个 开关周期 内 利用两 个输入线 电压 与一个零 电压 向量 的线性 组合来合 成 两个满足三相 对称的输 出线 电压 。不 同时刻使 用 不同的两个线 电压。 为方便得到各 开关控制 函数 。 在每个周期 内 ， 需将输入 、输 出电压按照某种规律 划分成多个 时 间段 ， 即扇 区。根据 三相正弦 电压波形 的特 点 ， 输 入 输 出电压扇区均可按照一定 的规则划分为 S和 x形l 3 _ ， 如 图 2所示。但根据双 电压法调制 的计算 公式 ， 当输 入 采用 S型 电压划 分 。 输 出采用 X型 电压划分时 ， 算法更为简便直接 黛 i i j ： 、 ：、 八 八 !八 0 2 n 3 4 n 3 2 n 0 2 3 4 3 2 n 【 J ， , r a d f ) ， t a d ( a ) s 形 电f I、 崩 划 分 ( b I x形 电j 崩 划分 图 2 输 入输 出 电压 扇 区划分 在一个周 期 内可将输入 电压 和输 出电压划 分 为 6个 区 ， 共 3 6种 组合 。为降低 双 电压 控制策 略 实 施 的 困难 ， 引入 了 原 点开 关 4 1 ， 这 样 3 6种情 况 又 归结 为 9种状态 ， 每种状态对应一个 原点开关 。 2 2 改 进 的 双 电压 控 制 策 略 由上述分析可知 ，双 电压控 制策略依然 存在 扇 区组合较 多 ，没有 一个统一 的占空比计 算表达 式 ， 即使计算 出各个调制 比 ， 具体安排 开关状态 转 换还有 多种可 能等缺 点。因此软件实现双 电压控 制策 略还有一定 困难 针 对双 电压控 制策 略存在 实 时计 算量 较 大 1 0 控制复杂 的缺陷 ， 以方便 、 可靠 实现控制策略为 目 标 提 出双 电压控制策略的改进方法。 改进 的双 电 压控 制策略 是 以基本 双 电压控 制策 略为基 础 ， 通 过简化系统 的开关 组合 ，推导出统一 的占空比计 算 公式 ， 从而减少 了系统计算量 ， 大大方便软件 上 的编程 实现 ， 提高 了程序 的效率和实 时性 。 首先 ， 将输 入 电压划分为两个扇 区 ， 如 图 3所 示 ，划分原则为将三相 电压 中绝对值最 大相的 电 压为正值的扇区划分为第 1扇 区为负值的扇区划 分为第 扇区。而输 出电压不需划分扇区。 图 3输入 电压扇 区划 分 根据双 电压控 制策略 ， 可得 占空比计算方法 ： ( 1 ) 定义需要的计算 变量输入 电压计算变量 t i m a x ， M ， 上 i ； 输 出电压计 算变量 u ， M d ， u ； 输 入 电压排序 标志变量 ， ， ；输 出 电压 排序 标志变量 D ， D ， D 。 ( 2 ) 输入输 出电压排 序 根 据输入 电压 的扇 区划 分 ， 将输入输 出电压按不 同的规 则排序 当输入电压处于第 1 扇区时 由图 3 可知 三相 电压绝对值最大 的电压 为正 。此时按 电压实 际大 小对 输入 电压 u ， U ， U 和 输 出 电压 u ， ， 进行排序 ， 将 结果对 输入输 出 电压计算量 、 输入输 出电压排序标志变量赋值 当 “ ， M ， 。 处 于第 扇 区时 ， 由图 3可知 ， 三相 电压绝对值最大 的电压 为负 ，此时先将输入 输 出电压取反 ， 再按大小排序 ， 将 结果对输入输 出 电压计算量 、 输入输出 电压排序 标志变量赋值。 ( 3 ) 占空 比计算 将新扇 区划分原则和排序方 法与基本双 电压控制 策略划 分原则对 比 可得 出 占空 比统一计算公式 ， 如下 ： B t = ( “ - U o n ) “ ir r 十 十 “ B 2 = 磐( M 一- U om i n ) c。： 磐( 一 一 )( 1 ) “ 1 I l 十 “讲 d 十“ 【 】 I I “ C2 - U l n a 。 - Uim i 。 d 1 - t t i n ln ( u 一一 d ) Z 十 m d + 0 n B o =1 一 B】 一 B2 ， C 0 =1 一 C1 一 C 2 与基本 双 电压控制策略相 同 。改进型双 电压 控制策 略调制矩 阵与矩 阵式变换器 的矩 阵开关 是 一一 对应 的 ， 设调制矩 阵为 ： 矩 阵 式 变 换 器 的 控 制 系统 研 究 f 踟 g bA 踟i G = l g 出g bB g c B I ( 2 ) l c g b C c j L c c-J 式 中 ： 毋 为 开关 S 的 占空 比。 因此 ，将计算得 到的 占空 比与矩 阵开关 对应 。 可得 ： 鼠 ， ， J = 1 ， 瓯 D = 0， 瓯 D 一 = 0 D m = B o ， D = B 1 ，鼠 D = B E ( 3 ) ，1 ， 1 一，Dmid Go ， g Drui dL l， g _d I 。 d L2 由上述 分析可见 ，改进 的双 电压控 制策 略保 留了原来的计算公式和原 点开关 的应用 ，继承 了 基本双 电压控制策略的优 良特性 ，在 此基础上使 得开关组合大幅减少 ，给 出统一 的 占空 比计算公 式，因此减少了系统计算量，方便了软件编程实 现 ， 提高 了程序 的效率和 实时性 。 编程时仅需读取 输入 电压 与输 出电压 即可按上述 步骤进 行计算 。 3变步 长 四步换 流 策略 3 1 变步长四步换流策略的工作原理 变步 长 四步换 流【 5 J 策 略将传 统 四步换流 过程 中的每一步换流时间 由固定改 为变化 ，尽可能减 少换流时间 以改善输出波形质量 。四步换流 的每 一 步均 需保 证一定时间 该 时间长短 是 由主 电路 I G B T开关 的开通 关 断时 间参数 和控 制算 法所 能 容许 的时间延迟 决定的。 因此 为改善输 出 电压波形质量 ， 缩短换流 时 问 ， 利用 I G B T的 开通 、 关 断特 性 ， 所 设 计 的变 换 换流时 间的四步换流过程如 图 4所示 。 根 据 I G B T 开通 、 关 断特 性 ， 可知 t l= 幻 = ， t z = t ， t 为 I G B T关 断时间 ， t 为 I G B T开通 时间。 - - ，厂一 厂一 S p ln p & 图 4 矩阵式变换器的变步长的四步换流策略 3 2 窄 脉 冲 问 题 及 处 理 方 法 根据 以上分 析可知 。完成 四步换流策略需要 一 定的时间， 在该换流阶段， 不允许控制信号随便 变化 ， 否则会出现 短路现象。 矩阵式变换器 由某一相负载 电流 从一个输入 相切 换到 另一个输入 相的完 整换流 需要 4步 ， 由 图 4可知 完整的换流时 间为 T = 2 t + ， 当触发脉 冲宽度小于 7 1 时， 即发生前一个换流还未完成 ， 后 一 个换流就 已经开始 的情况 ，这将 不仅导致输 出 波 形质量恶化 ， 还会造成换流 失败 ， 造成输入侧 电 压短路 ， 产生 电流尖峰 为消除窄脉冲 ，可检 测到某一脉冲宽度