一种三相电流型变换器的代数调制方法技术

一种三相电流型变换器的代数调制方法，在于将占空比的分配问题转化为非齐次线性方程组的求解问题。该方法的具体步骤如下：首先根据系统数学模型，构造出占空比的非齐次线性方程组，借助线性代数相关理论，求得占空比矩阵的通解；其次，根据占空比的物理约束，借助几何方法获得自由变量的可行解范围；然后，在可行解区域中选取一点作为自由变量的值，确定最终的占空比矩阵；最后，根据具体性能要求(低损耗、低共模电压、低直流电流纹波等)合理安排开关动作次序，获得各开关的驱动脉冲。该调制方法避免了三角函数计算，节省了系统运算成本，具有实现容易、灵活性高、通用性强的特点。通用性强的特点。通用性强的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种三相电流型变换器的代数调制方法


[0001]本专利技术属于交流电能变换装置
，涉及一种三相电流型变换器的代数调制方法。

技术介绍

[0002]电流型变换器具有固有的短路保护、可调功率因数以及易于可再生等特点，这也使得其在中压驱动、分布式发电系统和高压直流(HVDC)系统等工业应用中十分具有吸引力。特别是对于分布式发电系统的应用，电流型变换器只需要一次转换，就能将分布式发电系统(例：太阳能和燃料电池)的直流电压转换为并网交流电压。因此，电流源型变换器的优良特征使其受到了越来越多的关注。
[0003]调制策略会直接影响到电流型变换器的性能。目前三相电流型变换器中的主流调制策略是空间矢量调制(SVM)和载波调制(CBM)。空间矢量调制中每个矢量都具有明确的物理意义，因此在性能优化方面显得非常灵活，通过合理地选择有效矢量、零矢量，合理地安排开关序列，即可实现共模电压、直流电流纹波和系统效率的优化。然而，由于空间矢量调制需进行三角函数的计算，因此其计算负担相较与载波调制来说会更大，故载波调制中占空比计算更为简单。
[0004]三相电流型变换器的载波调制方法有很多，例如梯形波PWM调制(TPWM)、二
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三逻辑SPWM调制(BTL
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SPWM)、六步直接调制(SS
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DPWM)、直接占空比PWM调制(DDPWM)、双级载波调制(TS
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CBM)和直接载波调制(DCBM)等。TPWM的直流电流利用率最高，但交流电流质量较差。BTLr/>‑
SPWM是通过电压型变换器调制的对偶性推导而来，但是该方法的直流电流利用率小于0.866，且参考信号需要预处理以补偿超前的相位角。SS
‑
DPWM和DDPWM可克服上述问题，但是其开关模式不能灵活调整。TS
‑
CBM是为了提高开关模式灵活性而提出的，通过调整第二级的电压补偿来实现不同的性能指标需求。DCBM通过在不同扇区选择不同的电流参考来降低交流电流开关谐波和减少共模电压。但是与空间矢量调制相比，上述载波调制的方案在性能优化方面较为复杂。为此，亟需提出一种既能保证开关模式排列灵活、占空比计算简单的调制策略。

技术实现思路

[0005]针对以上问题，本专利技术提出了一种三相电流型变换器的代数调制方法。该方法的在于将占空比的分配问题转化为非齐次线性方程组的求解问题。该方法的具体步骤如下：首先根据系统数学模型，构造出占空比的非齐次线性方程组，借助线性代数相关理论，求得占空比矩阵的通解；其次，根据占空比的物理约束，借助几何方法获得自由变量的可行解范围；然后，在可行解区域中选取一点作为自由变量的值，确定最终的占空比矩阵；最后，根据具体性能要求(低损耗、低共模电压、低直流电流纹波等)合理安排开关动作次序，获得各开关的驱动脉冲。该调制方法避免了三角函数计算，节省了系统运算成本，具有实现容易、灵活性高、通用性强的特点。
[0006]本专利技术的创新点如下：
[0007]1)提出了一种新的调制框架——代数调制，具有简单、易于实现的特点；
[0008]2)所提代数调制方法灵活性高，其很好地继承了SVM的优点，可以灵活调整有效矢量与零矢量的分配，以实现不同性能指标的优化；
[0009]3)所提的代数调制方法通用性强，可方便地扩展到其他电力电子变换器中。
[0010]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0011]一种三相电流型变换器的代数调制方法，包括如下步骤，其特征在于：
[0012]S1，将占空比的分配问题转化为非齐次线性方程组求解，利用线性代数理论求出占空比矩阵的通解；
[0013]S2，基于占空比的物理约束，借助几何方法确定自由变量的可行解区域；
[0014]S3，在可行解区域选取一点作为自由变量的解，确定最终的占空比矩阵；
[0015]S4，根据具体性能需求，所述性能需求包括低开关损耗、低共模电压和低直流电流纹波等，确定开关序列，获得开关的驱动脉冲。
[0016]作为本专利技术进一步改进，所述S1所述的占空比矩阵的通解含有两个自由变量，具体过程如下：
[0017]根据安秒平衡原理有：
[0018][0019]其中，d
m
，m＝1,2,
…
,6是个电流型变换器开关S
i
的占空比，i
dc
是直流侧电流，i
i
，i＝a,b,c是输入
[0020]电流；由于三相电流型变换器输入侧不能短路，且直流侧不能开路，有：
[0021][0022]联立式(1)、(2)，得到如下非齐次线性方程：
[0023][0024]其中，三相期望输入电流为I
m
为期望输入电流峰值，ω
i
为输入电压角频率，为输入电压和输入电流的相位角；
[0025]由(3)式知，该方程有4个未知变量，矩阵A的秩为2，由线性代数相关理论知该方程自由变量为2，故通解表示为：
[0026]x＝λ1h1+λ2h2+p
ꢀꢀꢀ
(4)
[0027]其中，λ1和λ2为自由变量；h1，h2为四维列向量，是齐次方程组Ax＝0的通解；四维列向量p为非齐次方程组Ax＝b的特解，取h1＝[1100]T
,h2＝[0011]T
,p＝[i
a*
/i
dc
0i
b*
/i
dc
0]T
；
[0028]因此联立(2)～(4)，得占空比矩阵D的通解为：
[0029][0030]根据以上分析得，当将电流型变换器扩展到N，N≥3相时，D的通解相应的扩展为：
[0031][0032]作为本专利技术进一步改进，S2中所述的占空比矩阵通解的自由变量可行解区域的确定，具体如下：
[0033]物理可实现的占空比必须满足如下约束：
[0034]0≤d
m
≤1,(m＝1,2,3,4,5,6)
ꢀꢀꢀ
(7)
[0035]因此，将(5)式代入不等式(7)，可得下列自由变量的约束条件：
[0036][0037]值得注意的是，不等式组的六个边界值的位置与期望电流的极性有关，以λ1为横坐标，λ2为纵坐标，根据上式推导得到，无论电流关系怎么变化，自由变量(λ1，λ2)的可行解范围都在一个三角形内，且顶点的位置随边界条件的变化而变化，自由变量范围限制在三角形ABC内部及边界上，点A是l2的l3交点，点B是直线l1的直线l6交点，点C是l1的l3交点。
[0038]作为本专利技术进一步改进，S3中所述的最终占空比矩阵的确定依赖于自由变量的选取，具体如下：
[0039]所述的自由变可行解区域为三角形ABC内部及边界上，其中的任意一点均可作为自由变量的值。
[0040]A、B、C三点的坐标表示为：
[0041]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三相电流型变换器的代数调制方法，包括如下步骤，其特征在于：S1，将占空比的分配问题转化为非齐次线性方程组求解，利用线性代数理论求出占空比矩阵的通解；S2，基于占空比的物理约束，借助几何方法确定自由变量的可行解区域；S3，在可行解区域选取一点作为自由变量的解，确定最终的占空比矩阵；S4，根据具体性能需求，所述性能需求包括低开关损耗、低共模电压和低直流电流纹波，确定开关序列，获得开关的驱动脉冲。2.根据权利要求1所述的一种三相电流型变换器的代数调制方法，其特征在于：所述S1所述的占空比矩阵的通解含有两个自由变量，具体过程如下：根据安秒平衡原理有：其中，d
m
，m＝1,2,
…
,6是个电流型变换器开关S
i
的占空比，i
dc
是直流侧电流，i
i
，i＝a,b,c是输入电流；由于三相电流型变换器输入侧不能短路，且直流侧不能开路，有：联立式(1)、(2)，得到如下非齐次线性方程：其中，三相期望输入电流为I
m
为期望输入电流峰值，ω
i
为输入电压角频率，为输入电压和输入电流的相位角；由(3)式知，该方程有4个未知变量，矩阵A的秩为2，由线性代数相关理论知该方程自由变量为2，故通解表示为：x＝λ1h1+λ2h2+p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，λ1和λ2为自由变量；h1，h2为四维列向量，是齐次方程组Ax＝0的通解；四维列向量p为非齐次方程组Ax＝b的特解，取h1＝[1 1 0 0]
T
,h2＝[0 0 1 1]
T
,p＝[i
a*
/i
dc 0 i
b*
/i
dc 0]
T
；因此联立(2)～(4)，得占空比矩阵D的通解为：
根据以上分析得，当将电流型变换器扩展到N，N≥3相时，D的通解相应的扩展为：3.根据权利要求1所述的一种三相电流型变换器的代数调制方法，其特征在于：S2中所述的占空比矩阵通解的自由变量可行解区域的确定，具体如下：物理可实现的占空比必须满足如下约束：0≤d
m
≤1,(m＝1,2,3,4,5,6)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)因此，将(5)式代入不等式(7)，可得下列自由变量的约束条件：值得注意的是，不等式组的六个边界值的位置与期望电流的极性有关，以λ1为横坐标，λ2为纵坐标，根据上式推导得到，无论电流关系怎么变化，自由变量(λ1，λ2)的可行解范围都在一个三角形内，且顶点的位置随边界条件的变化而变化，自由变量范围限制在三角形ABC内部及边界上，点A是直线的交点，点B是直线的直线交点，点C是直线l1的交点。4.根据权利要求1所述的一种三相电流型变换器的代数调制方法，其特征在于：S3中所述的最终占空比矩阵的确定依赖于自由变量的选取，具体如下：所述的自由变可行解区域为三角形ABC内部及边界上，其中的任意一点均可作为自由变量的值；A、B、C三点的坐标表示为：
观察式(5)和式(9)，当选用三角形的三个顶点时，总有两个开关处于关断状态，因此，选用三角形ABC的顶点作为自由变量的解。5.根据权利要求1所述的一种三相电流型变换器的代数调制方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊文静，蒋枋楠，刘厅，易书栋，林建亨，孙尧，粟梅，韩华，刘永露，宁光富，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：