双向高频链AC-DC矩阵变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了基于高频链AC‑DC矩阵变换器(HFLMC)一种控制策略。网侧和直流侧均采用直接功率外环电流内环的双闭环控制策略，直流侧H桥变换器与网侧三相‑单相矩阵变换器(MC)共用功率外环。首先，基于输入输出功率守恒，功率外环为直接电流选择性控制环，功率外环输出有功电流指令值，经由电流内环利用前馈解耦得到MC调制信号。其次，经功率外环计算得到的直流侧电流指令值与检测值比较，经由电流调节器输出H桥变换器的调制脉冲。最终实现网侧和直流侧电流的直接控制。本发明专利技术能够使得直流侧电流具有较小纹波,网侧实现单位功率运行，直流侧可以实现恒功率、恒压和恒流运行，这使得该控制策略适用于电动汽车的电池充电和储能。

Bidirectional High Frequency Link AC-DC Matrix Converter and Its Control Method

【技术实现步骤摘要】
双向高频链AC-DC矩阵变换器及其控制方法
本专利技术涉及电动汽车充电器，具体涉及双向高频链AC-DC矩阵变换器及其控制方法。
技术介绍
典型的AC-DC拓扑是PWM整流器。PWM整流器具有网侧电流正弦谐波少、畸变小；网侧功率因数可控；能量可以双向流动；动态响应快等优点。在PWM变换器不能满足设备所需电压时，需要在PWM变换器输入侧增加工频变压器，从而满足设备所需电压，但是这样系统体积和重量就会变大。基于此，将高频变压器引入变换器中，不仅实现电气隔离，输出更大范围的电压，而且可以实现高频化，从而提高功率密度，减小整个电路体积、重量以及成本。常见的AC-DC隔离型变换器为两级变换器，前级为普通PWM整流器，后级为隔离型DC-DC变换器。但这类变换器为两级结构，中间有储能环节，会使工作效率降低，并且需要对两级变换器分别进行调制和控制，这样增加了控制复杂度。针对两级变换的隔离型变换器引起变换效率低、控制复杂的问题，亟需要变换级数少，控制简单的拓扑实现隔离变换。双向高频链AC-DC矩阵变换器为单极结构的隔离型变换器，此电路可实现网侧电流正弦化，电流畸变小、重量轻、噪音小、成本低、功率密度高以及变换级数少，控制简单等优点。国内外对双向高频链矩阵变换器的研究主要集中在调制策略和换流策略，而对闭环控制策略研究还处于初级阶段。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种关于双向高频链AC-DC矩阵变换器的控制方法。本专利技术提供了一种基于空间矢量调制和移相控制相结合的调制策略，并基于此调制策略，提出了一种控制策略：网侧和直流侧变换器均采用功率外环电流内环的双闭环控制结构，基于系统输入输出功率守恒，网侧和直流侧共用一个功率外环，功率外环采用恒功、恒压、恒流的直接功率切换控制；网侧电流内环采用前馈解耦控制，得到三相-单相矩阵变换器的功率因数控制量；直流侧电流内环得到H桥变换器的移相控制量。在保证充电安全的前提下，实现双向高频链AC-DC矩阵变换器按照其系统需求进行快速稳定的恒功率充放电、恒压充电、恒流充放电控制。为实现上述目的，采用的技术方案为：本专利技术所述双向高频链AC-DC矩阵变换器拓扑由网侧EMI滤波器、三相-单相矩阵变换器、等效漏感L、高频变压器、H桥变换器、电池侧LC滤波器、蓄电池依次相连构成。三相-单相矩阵变换器由12个IGBT和二极管构成，每个IGBT和一个二极管反并联连接形成一个双向开关，其中二极管作为续流通道；每两个共发射极的双向开关形成一个桥臂，每两个桥臂串联形成一个变换支路；Sap1和Sap2这两个双向开关构成A相上桥臂，San1和San2这两个双向开关构成A相下桥臂，Sbp1和Sbp2这两个双向开关构成B相上桥臂，Sbn1和Sbn2这两个双向开关构成B相下桥臂，Scp1和Scp2这两个双向开关构成C相上桥臂，Scn1和Scn2这两个双向开关构成C相下桥臂。每条支路的上下桥臂的中间点和EMI滤波器以及电容Cf相连，每条支路的上桥臂公共连接端以及下桥臂的公共连接端分别接在高频变压器原边的两侧。H桥变换器由4个IGBT和二极管构成，每个IGBT和一个二极管反并联连接形成一个双向开关，其中二极管作为续流通道；每个双向开关作为一个桥臂，每两个桥臂串联形成一个变换支路；上桥臂S1和下桥臂S2这两个双向开关构成一个变换支路，上桥臂S3和下桥臂S4这两个双向开关构成另外一个变换支路。每条支路的上下桥臂的中间点和高频变压器的副边相连，每条支路的上桥臂公共连接端以及下桥臂的公共连接端分别接在电池侧滤波电路(LC)的两侧，最后滤波电路(LC)接蓄电池。提供一种双向高频链AC-DC矩阵变换器的控制方法，充放电的步骤包括：1)将蓄电池的工作模式分为恒功率充放电(CP)、恒流充放电(CC)和恒压充电(CV)。CP模式下，充放电电流指令idc*由有功功率指令除以电池端电压u0得到，idc*>0表明电池充电，idc*<0表明电池放电；跳转执行步骤4)；2)当根据计算得到大于电池所允许的最大充放电电流时，切换到CC模式，以idc*.max进行充放电；跳转执行步骤4)；3)当恒功率或恒流充电使得电池电压达到充电上限时，切换到CV模式。电压上限指令值u0*.max与蓄电池的端电流检测值u0比较计算出差值u0*-u0，将差值作为控制量输入PI控制器得到电池电流指令值idc*；跳转执行步骤4)；4)将电池端电流指令值idc*与电池端电流测量值idc做差作为控制量输入PI控制器,PI输出得到移相控制角；根据网侧和电池侧有功功率守恒，电池端电流指令值idc*与电池端电压测量值u0相乘得到网侧有功功率指令值P*，通过abc-dq坐标变换且网侧电压定向在d轴，可以计算得到网侧d轴电流的指令值isd*,根据需要可以设定网侧无功大小，进而得到网侧q轴电流的指令值isq*；5)分别将d、q轴电流指令值和网侧d、q轴电流测量值做差，将差值作为控制量输入PI控制器，PI输出值和网侧d、q轴电流各自的解耦值相加得到参考电流矢量的d轴分量icd和q轴分量icq；6)在得到参考电流矢量的d轴分量icd和q轴分量icq后，提取调制所需功率因素角；调制系数m设置为最大，从而不影响功率传输；7)根据MC调制算法给出的开关状态和占空比信息、以及H桥控制环节产生的移相控制量，按照调制模式确定两级开关矢量的配置、作用顺序和时间分配，产生相应的IGBT双向开关的驱动信号。步骤5)中前馈解耦具体步骤为：5.1)根据系统结构图，利用开关周期平均法，得到网侧三相-单相矩阵变换器在三相abc坐标系下的状态方程为：5.2)对式1-1进行d-q坐标变换，得到网侧输入电流d轴分量icd和q轴分量icq：5.3)根据式(1-2)，应设置d，q轴解耦项分别为：步骤7)中采用的SVPWM调制算法生成三相-单相AC-AC矩阵变换器的脉冲信号的详细步骤包括：7.1)针对a、b、c三相电流ia、ib、ic以一相电流绝对值为最大，另两相电流极性同它相反为规则把一个周期的三相电流分为六个扇区，每个区间中的电流矢量分别可由两个有效电流矢量和一个零矢量合成；这样的有效矢量有六个，分别为零矢量有三个，分别为7.2)采用双极性电流空间矢量调制策略，针对参考电流矢量所在的扇区，把一个调制周期分为五个区间，第一区间和第二区间具有相同的持续时间(d1Ts/2),第三和第四区间是对称的也具有相同的持续时间(d2Ts/2),最后，在第五区间施加零矢量作用时间(d0Ts)从而完成一个调制周期。7.3)根据参考电流所处的扇区采用式(2-1)～(2-6)中的一种计算占空比d0、d1、d2；式(2-1)～(2-6)中，为权利要求4中闭环得到的调制系数,θi为权利要求4中得到的参考电流矢量的相角，dab、dac、dbc、dba、dca、dcb分别表示对应开关矢量导通时的占空比；式(2-1)为一个调制周期参考电流矢量位于第一扇区时的计算表达式；式(2-2)为一个调制周期参考电流矢量位于第二扇区时的计算表达式；式(2-3)为一个调制周期参考电流矢量位于第三扇区时的计算表达式；式(2-4)为一个调制周期参考电流矢量位于第四扇区时的计算表达式；式(2-5)为一个调制周期参考电流矢量位于第五扇区时的计算表达式；式(2-6)为一个调制周本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向高频链AC‑DC矩阵变换器拓扑，其特征在于：所述变换器拓扑由网侧EMI滤波器、三相‑单相矩阵变换器、等效漏感L、高频变压器、H桥变换器、电池侧LC滤波器、蓄电池依次相连构成。

【技术特征摘要】
1.一种双向高频链AC-DC矩阵变换器拓扑，其特征在于：所述变换器拓扑由网侧EMI滤波器、三相-单相矩阵变换器、等效漏感L、高频变压器、H桥变换器、电池侧LC滤波器、蓄电池依次相连构成。2.根据权利要求1所述双向高频链AC-DC矩阵变换器，其特征在于：三相-单相矩阵变换器由12个IGBT和二极管构成，每个IGBT和一个二极管反并联连接形成一个双向开关，其中二极管作为续流通道；每两个共发射极的双向开关形成一个桥臂，每两个桥臂串联形成一个变换支路；Sap1和Sap2这两个双向开关构成A相上桥臂，San1和San2这两个双向开关构成A相下桥臂，Sbp1和Sbp2这两个双向开关构成B相上桥臂，Sbn1和Sbn2这两个双向开关构成B相下桥臂，Scp1和Scp2这两个双向开关构成C相上桥臂，Scn1和Scn2这两个双向开关构成C相下桥臂。每条支路的上下桥臂的中间点和EMI滤波器以及电容Cf相连，每条支路的上桥臂公共连接端以及下桥臂的公共连接端分别接在高频变压器原边的两侧。3.根据权利要求2所述双向高频链AC-DC矩阵变换器，其特征在于，所述H桥变换器由4个IGBT和二极管构成，每个IGBT和一个二极管反并联连接形成一个双向开关，其中二极管作为续流通道；每个双向开关作为一个桥臂，每两个桥臂串联形成一个变换支路；上桥臂S1和下桥臂S2这两个双向开关构成一个变换支路，上桥臂S3和下桥臂S4这两个双向开关构成另外一个变换支路。每条支路的上下桥臂的中间点和高频变压器的副边相连，每条支路的上桥臂公共连接端以及下桥臂的公共连接端分别接在电池侧滤波电路(LC)的两侧，最后滤波电路(LC)接蓄电池。4.根据权利要求1～3中任意一项所述的双向高频链AC-DC矩阵变换器的控制方法，其特征在于，充放电的步骤包括：1)将蓄电池的工作模式分为恒功率充放电(CP)、恒流充放电(CC)和恒压充电(CV)。CP模式下，充放电电流指令idc*由有功功率指令Po除以电池端电压u0得到，idc*>0表明电池充电，idc*<0表明电池放电；跳转执行步骤4)；2)当根据计算得到大于电池所允许的最大充放电电流时，切换到CC模式，以进行充放电；跳转执行步骤4)；3)当恒功率或恒流充电使得电池电压达到充电上限时，切换到CV模式。电压上限指令值与蓄电池的端电流检测值u0比较计算出差值u0*-u0，将差值作为控制量输入PI控制器得到电池电流指令值idc*；跳转执行步骤4)；4)将电池端电流指令值idc*与电池端电流测量值idc做差作为控制量输入PI控制器,PI输出得到移相控制角；根据网侧和电池侧有功功率守恒，电池端电流指令值idc*与电池端电压测量值u0相乘得到网侧有功功率指令值P*，通过abc-dq坐标变换且网侧电压定向在d轴，可以计算得到网侧d轴电流的指令值isd*,根据需要可以设定网侧无功大小，进而得到网侧q轴电流的指令值isq*；5)分别将d、q轴电流指令值和网侧d、q轴电流测量值做差，将差值作为控制量输入PI控制器，PI输出值和网侧d、q轴电流各自的前馈解耦项相加得到参考电流矢量的d轴分量icd和q轴分量icq；6)在得到参考电流矢量的d轴分量icd和...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓文浪，刘洪华，何义，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43