一种隔离型AC-DC矩阵变换器回流功率控制方法

一种隔离型ac-dc矩阵变换器回流功率控制方法
技术领域
1.本发明涉及矩阵变换器领域，具体涉及一种隔离型ac-dc矩阵变换器及其回流功率的抑制方法。


背景技术：

2.隔离型ac-dc矩阵变换器是在ac-dc矩阵变换器的基础上发展得到的一种新型的ac-dc变换器，具有功率密度高、输入功率因数可控、能量可双向流动、无需中间的直流储能环节等优点。在电池储能、风力发电、电动汽车v2g、新能源发电等领域具有很好的应用价值。隔离型ac-dc矩阵变换器是通过移相控制技术来实现能量的双向传输，但传统的移相控制都会导致变换器中产生大量的回流功率，回流功率是由于三相-单相矩阵变换器的输出电压与传输电感电流反向造成的，回流功率的存在会降低变换器的整机效率，因此需要采取一定的措施对隔离型ac-dc矩阵变换器进行控制，来提高变换器的能量传输效率。目前对于回流功率的研究主要就集中在双向全桥dc-dc变换器中，对于矩阵变换器中回流功率问题的研究是空白的。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种隔离型ac-dc矩阵变换器回流功率的控制方法。本发明提出了一种基于隔离型ac-dc矩阵变换器的双重移相控制方法，该方法与传统的单移相控制方法相比，可以完全消除隔离型ac-dc矩阵变换器在进行能量传输时产生的回流功率。此外，该方法可以做到：对隔离型ac-dc矩阵变换器给定不同的直流电压u，利用所提出的隔离型ac-dc矩阵变换器回流功率控制方法可以得到此时满足回流功率为零时的最优内外移相比组合，当满足最优内外移相比时，基本都可以消除iamc的回流功率。
4.为了实现以上目的，具体的技术方案为：
5.本发明所述的隔离型ac-dc矩阵变换器的拓扑结构由输入滤波器、输出滤波器、三相-单相矩阵变换器、传输电感、高频变压器、h桥变换器组成。
6.三相-单相矩阵变换器是由6对igbt和反并联二极管构成的双向开关，其中每一对的双向开关是由两个共发射极的igbt相连，二极管作为它们的续流通道，从而形成了一个桥臂，每两个桥臂串联成为一个变换支路，在三相-单相矩阵变换器中共有6个桥臂。双向开关sap1和sap2组成a相的上桥臂，双向开关san1和san2组成a相的下桥臂；双向开关sbp1和sbp2组成b相的上桥臂，双向开关sbn1和sbn2组成b相的下桥臂；双向开关scp1和scp2组成c相的上桥臂，双向开关scn1和scn2组成c相的下桥臂。每条支路的上下桥臂的中间点与输入滤波器相连，每条支路中下桥臂的公共连接端与每条支路中上桥臂的公共连接端分别接在高频变压器的两端。
7.h桥变换器是由4组igbt与反并联的二极管组成的双向开关，反并联的二极管起到了续流的作用；每个双向开关形成一个桥臂，两个桥臂串联形成一个变换支路，上桥臂s1与下桥臂s2组成一个变换支路，同理，上桥臂s3与下桥臂s4组成一个变换支路。每条支路的上
下桥臂的中间点与变压器副边相连，此外，每条支路上桥臂的公共端与下桥臂的公共端分别接在输出滤波器的两侧，其后与直流有源负载相连。
8.提供一种隔离型ac-dc矩阵变换器回流功率的控制方法，具体步骤包括：
9.步骤1)将隔离型ac-dc矩阵变换器在双重移相控制下的工作模态分为11个，由于电感电流的波形具有一定的对称性，所以在分析时候，只给出前6个工作模态的电感电流表达式。
10.模态1的电感电流如下：
[0011][0012]
模态2的电感电流如下：
[0013][0014]
模态3的电感电流和模态2是相同的，故其电感电流表达式如(2)所示。
[0015]
模态4的电感电流如下：
[0016][0017]
模态5的电感电流如下：
[0018][0019]
模态6的电感电流如下：
[0020][0021]
步骤2)由于隔离型ac-dc矩阵变换器的工作模态可分为11个，根据电感电流的波形具有一定的对称性，所以在一个pwm周期中，各个时刻的电感电流值的大小存在一定的相等或者相反的数量关系，具体的大小关系如下：
[0022][0023][0024][0025][0026][0027]
步骤3)若不考虑隔离型ac-dc矩阵变换器的传输损耗，那么它在双重移相控制下的传输功率为：
[0028][0029]
若不考虑变换器的传输损耗，那么隔离型ac-dc矩阵在传统单移相控制下的传输功率为：
[0030][0031]
步骤4)在一个pwm周期中，隔离型ac-dc矩阵变换器在双重移相控制下的回流功率的表达式为：
[0032][0033]
步骤5)同样是在一个pwm周期中，隔离型ac-dc矩阵变换器在传统单移相控制下的回流功率表达式为：
[0034][0035]
步骤6)根据矩阵变换器的相关知识可知，在任意的一个pwm周期中，三相-单相矩阵变换器输出的两级线电压及其占空比可视为常数，且满足：
[0036][0037]
步骤7)根据步骤4可知，如果要完全消除隔离性ac-dc矩阵变换器的回流功率，只需要满足下面的关系式：
[0038]
2nu0(d
1-d2)+(u
abdab
+u
acdac-nu0)＝0
ꢀꢀ
(16)
[0039]
本发明采用的控制方法具有如下优点：本发明针对隔离型ac-dc矩阵变换器在传统单移相控制时会产生大量的回流功率，故提出了一种基于隔离型ac-dc矩阵变换器的双重移相控制方法，使用该方法仍可保证网侧是单位功率因数运行，直流侧输出电压的超调小，响应速度快，所以可以保证变换器的基本性能不受损坏。
[0040]
本发明采用的控制方法可以在给定变换器不同的直流电压以及外移相比的情况下，都可以确定实现隔离型ac-dc矩阵变换器回流功率为零时的最优内外移相比组合，当满足该移相比组合时，可以消除变换器的回流功率。此外，本发明在降低变换器回流功率的同时，该控制方法也可有效降低电流应力，提高了变换器的整机效率。
附图说明
[0041]
图1为本发明的隔离型ac-dc矩阵变换器拓扑结构图。
[0042]
图2为本发明实施例的隔离型ac-dc矩阵变换器在单移相控制下工作原理图。
[0043]
图3为本发明实施例的隔离型ac-dc矩阵变换器在双重移相控制下工作原理图。
[0044]
图4为本发明实施例的单移相控制下的系统波形图
[0045]
图5为本发明实施例的双重移相控制下的系统波形图
具体实施方式
[0046]
如图1所示，本实施例采用的是隔离型ac-dc矩阵变换器，它是由三相交流电、输入滤波器、三相-单相矩阵变换器、传输电感、高频变压器t、h桥变换器、输出滤波器、直流有源负载组成。三相-单相的矩阵变换器是由6组双向功率开关构成，它可以将网侧的三相正弦电转换为单相高频正负交错的交流电，然后通过高频变压器实现输入与输出侧之间的电气隔离以及灵活变压后，最经过h桥将交流电转换为直流电，该变换器可以实现电能的双向流动。
[0047]
如图2所示，隔离型ac-dc矩阵变换器在采用传统移相控制时，在一个pwm周期中，t
c-t
01
，t
3-t4时间段内变压器原边电压v1与流经传输电感l的电流il是极性相反的，该变换器的输入功率为负，表明在该时间段内功率经过高频变压器由直流有源负载侧回流至一次侧的交流电源中，定义这部分的功率为该变换的回流功率，回流功率的增加，变换器的整机效率自然下降了，所以体现了本发明的还是具有一定的研究意义的。
[0048]
如图3所示，通过分析了图2所示的隔离型ac-dc矩阵变换器中回流功率的产生机理后，本发明采用的是一种适用于隔离型ac-dc矩阵变换器的双重移相控制方法，具体的步骤包括：
[0049]
1)通过在三相-单相的矩阵变换器中引入移相控制，将图2所示的t
c-t
01
，t
3-t4时间段进行拆分，分别拆分为图3所示的t
0-ta、t
a-tb及t
p-te、t
e-tf，在t
0-ta以及t
p-te时间段内，三相-单相矩阵变换器的输出电压为零，即回流功率为零，如果在ta和te时刻前降为零，则可以完全消除该变换器的回流功率。
[0050]
2)根据所提出的双重移相控制的原理，将隔离型ac-dc矩阵变换器的运行情况分为11个工作模态，确定每个模态下开关管的导通情况以及传输电感电流的表达式，结合传输电感电流在每个pwm周期中的对称性，得到了一个pwm周期中每个时刻电感电流的具体表达式。
[0051]
3)根据(2)中的条件，确定出隔离型ac-dc矩阵变换器在传统单移相控制与双重移相控制下的传输功率以及回流功率的表达式，并结合矩阵变换器的有关知识对表达式进行合理的化简。
[0052]
4)根据所推导的变换器在双重移相控制下回流功率的表达式，可以得到满足回流功率为零时的最优内外移相比组合，当隔离型ac-dc矩阵变换器在不同的工况下都满足最优内外移相比时，就可以消除该变换器的回流功率。
[0053]
上述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、替代、修饰、简化、组合，均应为等效的置换方式，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。