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专利号: 2013106555019
申请人: 西南交通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 发电、变电或配电
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种AC-DC串联谐振矩阵变换器的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:

a.实时采集负载电压V0和三相电压源的三相输入相电压ua,ub,uc;

b.根据实时采集到的三相输入相电压ua,ub,uc的相对大小关系,将每个输入相电压周期划分为12个区间,每个区间内相电压的极性和大小确定,且保持单调变化,所述12个区间具体为:区间Ⅰ:ua>uc>ub,UP=ua,UM=uc,UN=ub;

区间Ⅱ:ua>ub>uc,UP=ua,UM=ub,UN=uc;

区间Ⅲ:ua>ub>uc,UP=uc,UM=ub,UN=ua;

区间Ⅳ:ub>ua>uc,UP=uc,UM=ua,UN=ub;

区间Ⅴ:ub>ua>uc,UP=ub,UM=ua,UN=uc;

区间Ⅵ:ub>uc>ua,UP=ub,UM=uc,UN=ua;

区间Ⅶ:ub>uc>ua,UP=ua,UM=ub,UN=uc;

区间Ⅷ:uc>ub>ua,UP=ua,UM=ub,UN=uc;

区间Ⅸ:uc>ub>ua,UP=uc,UM=ub,UN=ua;

区间Ⅹ:uc>ua>ub,UP=uc,UM=ua,UN=ub;

区间Ⅺ:uc>ua>ub,UP=ub,UM=ua,UN=uc;

区间Ⅻ:ua>uc>ub,UP=ub,UM=uc,UN=ua;

其中,Up表示幅值最大相电压,UM表示幅值最小相电压,UN表示相电压;定义高线电压Uj=|UP-UN|,低线电压Uk=|UP-UM|;

c.采用低线电压Uk、高线电压Uj以及0电压共同参与的组合方式完成激励,即采用6过程的工作模式,谐振电流正半周和负半周均进行2次换流且均包含3个工作过程,正负半周激励电压的极性相反,具体为:第1个工作过程采用低线电压Uk,第2个工作过程采用高线电压Uj,第3个工作过程采用0电压,第4个工作过程采用低线电压-Uk,第5个工作过程采用高线电压-Uj,第6个工作过程采用0电压;假设在1-2工作过程中,从UM相流出电荷量为Q1,从UN相流出电荷量为Q2,在4-5工作过程中,流出UM相的电荷量为Q3,流出UN相的电荷量为Q4,根据电荷量分配的调制策略,在一个谐振电流半周期内,使不同相流出或流入的电荷量之比等于各自的相电压绝对值之比,可得电荷分配比例K为:d.根据谐振电容电压峰值ucmax和负载电压V0,获取顺序接入的低线电压Uk、高线电压Uj和0电压中每个电压需要接入的时间以及三个电压的切换时间点;

e.根据工作时刻电网相电压所处的区间以及需要输出的电流方向,并根据步骤c所述的工作过程,分配对应的功率开关的开关状态组合;

f.根据步骤d所得的三个电压的切换时间点生成通用的时序控制信号,控制各工作过程之间的切换;

g.根据步骤f的控制完成三相相间的选择和切换,判断工作是否结束,若是,则退出,若否,则回到步骤a。

2.根据权利要求1所述的一种AC-DC串联谐振矩阵变换器的控制方法,其特征在于,步骤d的具体方法为:根据串联谐振变换器工作特性,以谐振电容电压为横轴、谐振电流i与特征阻抗Z的乘积值为纵轴构建平面直角坐标系,谐振电路特征阻抗 其中Lr为谐振电感值,Cr为谐振电容值,假设谐振电流正半周的3个工作过程对应的轨迹为分别以O1、O2、O3为圆心并分别以R1、R2、R3为半径的相连接的圆弧,连接点为P1和P2,激励电压分别为高线电压Uj,低线电压Uk和0电压,定义O1=Uk-V0,O2=Uj-V0,O3=-V0,在电流正半周期内,假设第

1和第2工作过程对应的谐振电容电压变化量分别为Δuc1和Δuc2,Δuc1和Δuc2的比值与这两过程对应的电荷量Q1和Q2的比值相等,电容电压峰值为ucmax,稳态工作时,谐振电容电压正最大值与负最大值相等,因而在电流为0的开始时刻对应谐振电容起始电压可定为-ucmax,设连接点P1和P2分别对应的横坐标值为u1和u2,即u1为第1过程结束后谐振电容电压,u2为第2过程结束后谐振电容电压,通过公式:前两项可得:

简化后得:

根据电荷分配约束条件:

可得:

根据ucmax、O1、O2、O3和K值可得到u1和u2的值;

设第一工作过程轨迹对应的弧度为θ1、第二工作过程轨迹对应的弧度为θ2、第三工作过程轨迹对应的弧度为θ3,其对应的表达式分别为:其中,θ2_1为O2与P1的连接线与水平面的夹角对应的弧度、θ2_2为O2与P2的连接线与水平面的夹角对应的弧度,根据θ=ωt,可得:第一工作过程结束时间t1=θ1/ω,第二工作过程结束时间t2=(θ1+θ2)/ω,第三工作过程结束时间t3=(θ1+θ2+θ3)/ω;其中ω为谐振角频率, 可分别得到切换点时间t1、t2和t3。

3.一种AC-DC串联谐振矩阵变换器的控制装置,包括三相电源(2)、滤波器(3)、EMI滤波器(4)、整流硅堆(17)和滤波电路(18),其特征在于,还包括开关矩阵(1)、触发驱动电路(16)、故障保护电路、过零比较器电路(5)、相位检测单元(6)、电压采集模块(15)、负载电压采集电路(11)、闭环控制单元(10)、控制参数计算单元(9)、时序生成单元(8)和开关状态控制单元(7),所述故障保护电路包括电网故障检测电路(12)、过流检测电路(13)和过温检测电路(14);所述三相电源(2)的相电压通过滤波器(3)与开关矩阵(1)连接,三相电源(2)的中性线和相电压通过EMI滤波器(4)分别与电网故障检测电路(12)、过零比较器电路(5)和电压采集模块(15)连接;过零比较器电路(5)与相位检测单元(6)的输入端连接,相位检测单元(6)的一个输出端和电压采集模块(15)的输出端与控制参数计算单元(9)的输入端连接,控制参数计算单元(9)的输出端与时序生成单元(8)的输入端连接,时序生成单元(8)的输出端、相位检测单元(6)的另一个输出端以及过流检测电路(13)和过温检测电路(14)的输出端与开关状态控制单元(7)的输入端连接,开关状态控制单元(7)的输出端与触发驱动电路(16)的输入端连接,开关矩阵(1)连接触发驱动电路(16)的输出端、整流硅堆(17)的输入端和过流检测电路(13)的输入端,过温检测电路(14)的输入端插入安装有高频变压器和整流硅堆(17)的油箱,整流硅堆(17)的另一端连接滤波电路(18)和负载电压采集电路(11),负载电压采集电路(11)的输出端连接闭环控制器(10)的输入端,闭环控制器(10)的输出端连接控制参数计算单元(9)的输入端;其中,过零比较器电路(5)将三相电源(2)输入的各相电压通过与零线的过零比较转变为与各相电压极性一致的数字信号,该数字信号经数字滤波之后传输给相位检测单元(6);

负载电压采集电路(11)采集实际输出到负载部分的电压并传递到闭环控制单元(10),闭环控制单元(10)根据设定值与实际输出值比较计算得到控制量并输入给控制参数计算单元(9);

相位检测单元(6)对电网极性信号进行跟踪和同步,对极性信号宽度进行测量以识别电网是否有故障,根据极性信号的前后变化得到电网相序,同步计数器值与电网的相位对应,根据此值可以间接得到电网的相位,用于辅助处理同一电网极性下的不同区间,并得到不同时刻需要的电荷分析比例K,相位检测单元(6)得到的数据传输给控制参数计算单元(9)和开关状态控制单元(7);

控制参数计算单元(9)根据接收到的相位检测单元(6)、电压采集模块(15)传输的数据和闭环控制器(10)输出的信号,得出当前状态下的电流周期和需要切换相的时间,将得到的时间控制量传输到时序生成单元(8);

时序生成单元(8)根据接收到的信号产生控制开关的时序信号,并将控制信号传输到开关状态控制单元(7);

开关状态控制单元(7)根据接收到的时序信号和相位检测单元(6)提供的数据,判断电网所处区间,以及正负交替的电流输出方向选择与时序生成单元(8)输出的12路信号相对应的开关编号,开关状态控制单元(7)输出的与实际开关位置相对应的控制信号经触发驱动电路(16)驱动开关矩阵(1)完成变换器主电路的控制。