申请/专利权人：中南大学

申请日：2023-05-22

公开（公告）日：2024-02-09

公开（公告）号：CN116633161B

主分类号：H02M5/04

分类号：H02M5/04;H02M5/22;H02M5/293

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.09#授权;2023.09.08#实质审查的生效;2023.08.22#公开

摘要：一种扩展矩阵变换器输入无功能力的代数调制方法，将复杂的调制问题转化为数学方程求解问题，通过合理选择自由变量扩展矩阵变换器的无功功率能力。步骤如下：1、基于矩阵变换器的输入、输出关系式，构造出输入电压、期望输出电压和调制矩阵的非齐次线性方程，求得调制矩阵的通解；2、以最大化输入无功功率为目标，设计了调制自由度的解析表达式，并给出具体参数计算方法；3、根据调制矩阵中占空比的物理约束，通过几何方法获得偏移矩阵的可行解范围，从而可确定最终调制矩阵；4.为优化输出电流质量和共模电压特性，合理安排开关动作次序，获得各开关管的驱动脉冲信号。其具有易于实现、灵活性高、通用性强的特点，完善了矩阵变换器的调制理论。

主权项：1.一种扩展矩阵变换器输入无功能力的代数调制方法，包括如下步骤，其特征在于：S1，根据矩阵变换器的输入、输出电压的关系式，构造出输入电压、期望输出电压和调制矩阵的非齐次线性方程，利用线性代数相关理论求得调制矩阵通解；S1所述的输入电压、期望输出电压和调制矩阵的非齐次线性方程，具体过程如下：根据矩阵变换器拓扑结构得出输入电压电流和输出电压电流关系： 其中，diji＝A,B,C；j＝a,b,c为各开关的占空比Sij,ij和uj分别为输入电流和电压，根据输入端不能短路，输出端不能开路，得出限制条件如下：dia+dib+dic＝13联立式1和式3得到如下非齐次线性方程： 式中为三相期望输出电压，式4是一个含有9个未知变量并且秩为3的非齐次方程，根据线代理论得出其通解表达式应由六个对应的齐次方程组Ax＝0的特解与自由变量λm的乘积和一个非齐次方程Ax＝b的特解组成，通解表达式如下： 选取特解如下： 将占空比分为初始调制矩阵和偏移项两个部分，初始调制矩阵用于合成参考电压，偏移项用于保证最终的占空比能够满足物理约束：D＝D′+D07初始调制矩阵通解D′和偏移项D0的表达式如下： D0＝[XYZXYZXYZ]T9式中的d′ij为初始调制矩阵，X,Y,Z为三个偏移项；S2，以最大化矩阵变换器输入无功功率为目标，设计了调制矩阵通解的六个自由变量的解析表达式，并说明具体参数计算方法；S2中所述的调制矩阵通解的六个自由变量的解析表达式具体如下：开关占空比应满足输出电流的合成，将占空比代入到式2得： 其中po是输出功率,并且在采用三线制接线和三相平衡的情况下，零序电流为零，为便于后续分析，将参数k设为0： 基于瞬时功率pq理论，MC的输入瞬时有功功率和无功功率表示为： 将10代入12得 由13发现，自由变量λ1、λ2和λ3用来调节输入无功功率，为了便于对输入无功功率进行调节，说明如下： 根据上述式14，输入无功功率计算为： 由15可知，第一部分与有功功率有关，第二部分与负荷无功功率有关，因此，通过调整k1有效地调节输入无功功率，采用所提出代数调制策略的矩阵变换器无功能力取决于k1和k2的可行范围； 因此，有功电流和无功电流的幅值表示为: 式中q为电压传输比q＝UomUim，是负载功率因数角，Uim为输入电压幅值，Iom为输出电流幅值，Uom为输出电压幅值，矩阵变换器输入电流幅值应当满足以下条件： 优化目标为扩大变换器的无功输入能力，为使矩阵变换器输入无功功率最大化，选取参数k2为： 将式20代入式18，无功电流的表达式转化为： 让得： 当输入无功电流取最大值时，输入无功功率达到最大，根据输出阻抗角参数k1和k2的取值如下： 选取合适的参数k1和k2，初始调制矩阵中的六个自由变量将得到确定，针对I类、II类负载的输入无功功率，I类电流源负载，输出电流幅值Iom固定，不依赖于输出电压，II类阻感性负载包括电阻R和电感L，输出电流幅值Iom随负载的变化而变化，负载的阻抗角则由负载本身决定，当矩阵变换器采用上述扩展无功功率调制策略时，矩阵变换器最大电压传输比qmax＝0.866，分别计算出I类负载最大无功功率|Qimax|I和II类负载最大无功功率|Qimax|II如下： S3，根据调制矩阵中占空比的物理约束，通过几何方法获得偏移矩阵的可行域，进而确定最终调制矩阵；S3中根据调制矩阵中占空比的物理约束，通过几何方法获得偏移矩阵的可行解范围，在可行域内选择偏移项X、Y和Z,进而确定最终调制矩阵，具体过程如下：最终的调制矩阵需要在确定初始调制矩阵的基础上添加偏移项来满足物理约束，根据占空比应满足的物理约束，得以下不等式:0≤dij≤1i＝A,B,C；j＝a,b,c27根据上述不等式，得偏移量需要满足以下不等式: 以X为横轴，Y为纵轴，偏移项的可行域的六条边界线均取决于初始调制矩阵，值得注意的是，无论期望电压和输入电压如何变化，自由变量的可行解始终落在三角形ABC内，顶点随边界线变化，边界线定义如下： 三角形顶点A为边界线l1和l6的交点，顶点B为边界线l1和l3的交点，顶点C为边界线l3和l6的交点，得顶点对应的偏移项X，Y，Z表达式如下： S4，为优化输出电流质量和共模电压特性，开关顺序和偏移项选取根据不同的实际性能需求进行调整，合理安排开关动作次序，获得各开关管的驱动脉冲信号；S4中的开关顺序和偏移项选取根据不同的实际性能需求进行调整，选用不同偏移项X,Y和Z和开关次序将产生不同的调制效果，据输入侧三相电压之间的大小关系将其划分为6个扇区，即扇区Ⅰ～Ⅵ，在不同扇区选用不同的偏移项叠加初始调制矩阵合成最终调制矩阵；实际性能为电能质量和减少共模电压，偏移项均取自于可行域的边界点ABC,以在第I扇区，此时的输入三相电压大小关系为uaubuc，选择A点作为偏移项；而当位于第II扇区时，输入电压大小关系为ubuauc，选择C点为偏移项，在此模式中三相中的最大相和最小相在一个载波周期内仅进行2次开关动作，能够减少开关损耗，并且能够限制共模电压峰值低于为减少矩阵变换器输入输出波形的谐波畸变，开关序列按双边对称模式进行安排，最终获得驱动开关的PWM信号；在扇区Ⅰ，Ⅳ时三相输入电压大小关系为uaubuc和ucubua时，选择顶点A作为偏移项，开关顺序分别为a-b-c-b-a和c-b-a-b-c，当位于扇区Ⅱ，Ⅴ时，三相输入电压大小关系为ubuauc和ucuaub时，则选择顶点C作为偏移项，开关动作顺序分别为b-a-c-a-b和c-a-b-a-c，当在扇区Ⅲ，Ⅵ时，三相输入电压大小关系为ubucua和uaucub时，选择顶点B为偏移项，开关顺序分别为b-c-a-c-b和a-c-b-c-a，值得注意的是，“a-b”指对应的开关Siai＝A,B,C先导通，然后关断Sia，开通Sib；归纳如下：可将三相输入电压按照取值大小划分为最大相、中间相和最小相，并用符号pmax，pmid和pmin来表示，那么采用双边对称模式时，开关动作次序为pmax-pmid-pmin-pmid-pmax。

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