CN113595405A - 一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法，在低电压传输比下将有效矢量的共模电压峰值抑制了71％，零矢量的共模电压峰值抑制了50％。在整流级零电流矢量作用时，逆变级进行矢量切换实现逆变级开关管的零电压开通和关断，并解决了由死区效应引起的共模电压尖峰问题。

Description

一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子技术领域，具体涉及一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法。

背景技术

矩阵变换器(Matrix Converter,MC)是在周波变换器基础上发展起来的一种直接AC-AC交流变换器，具有输出电压波形可控、输入输出电流正弦、输入功率因数可控且不受输出功率因数的限制、集成度高、能量密度大等优势，成为极具潜力的新一代电能变换装置。矩阵变换器从拓扑结构上可分为直接矩阵变换器(Direct Matrix Converter,DMC)和间接矩阵变换器(Indirect matrix converter,IMC)。相比于DMC，IMC具有适当减少开关管数量，可以实现多逆变级等优点，因此IMC颇有发展潜力。

阵变换器在运行过程中会在负载中性点处产生高频，高幅值变化的共模电压，共模电压会影响矩阵变换器驱动的电机系统中的电机绕组绝缘，同时会产生流入地线的高频漏电流，产生强烈的电磁干扰(EMI)问题，影响周围设备的正常运行。

现有抑制间接矩阵变换器共模电压的方法可分为硬件补偿和调制方法两大类。第一类，在间接矩阵变换器拓扑结构中增加硬件补偿。通过增加硬件可以实现有效的共模电压，然而也破坏了矩阵变换器结构紧凑的特点，降低了IMC运行可靠性。第二类，优化调制方法，该类方法保持了矩阵变换器结构特点，只通过改变调制方法，易于实现。传统的调制方法是以牺牲电压传输比或输入输出波形质量、增加开关转换次数为代价来减小共模电压，导致变换器驱动电机系统调速范围窄、能量损耗大等问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法，在整流级所在扇区选择最小共模电压峰值的有效矢量和零电流矢量，来实现共模电压进一步抑制，并利用IMC零电流矢量的特性可以消除死区效应引起的共模电压尖峰。

本发明的技术方案如下：

一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法，其步骤包括：

S1，将输入电压划分为12个扇区，每个扇区都存在两个最小线电压峰值和一个最小相电压峰值，分别为0.866V_in和0.5V_in；

S2，在每个整流级扇区内，参考电流矢量由两个相邻的有效电流矢量和一个零电流矢量合成；输出电压矢量根据不同的整流级扇区由两个奇数有效电压矢量或偶数有效电压矢量合成；在每个输入电压扇区采用两个相邻有效电流矢量I_m和I_n下，合理选择有效电压矢量，将共模电压降到最小线电压峰值0.866V_in的

倍，即0.29V_in；

S3，整流级零电流矢量选择对应输入相电压幅值最小的零电流矢量；在每个输入扇区下，整流级合理选择零电流矢量，将共模电压峰值降到0.5V_in；

整流级采用零电流矢量时，共模电压u_cm与逆变级开关状态无关，只与零电流矢量有关。

进一步，步骤S2中，当输入扇区为12,1,4,5,8,9时，逆变级输出电压矢量选择奇数有效电压矢量。

进一步，步骤S2中，当输入扇区为2,3,6,7,10,11时，逆变级输出电压矢量选择偶数有效电压矢量。

进一步，步骤3中，为保证每个扇区的共模电压峰值小于等于0.5V_in；两个相邻的有效电流矢量I_m、I_n，一个零电流矢量I_zero，两个奇数或偶数有效电压矢量V_α,V_β的选择如下表所示：

进一步，步骤2中，逆变级参考电压矢量由两个相差120度的有效电压矢量合成，其参考电流矢量I_ref和参考电压矢量V_ref分别为：

I_ref＝[(d_{α_m}+d_{β_m})I_m+(d_{α_n}+d_{β_n})I_n+d_zI_z]

其中，

θ₁为I_ref与I_m的夹角；θ₂为V_ref与V_α的夹角，u_{PN_m}与u_{PN_n}分别为d_m与d_n作用时的直流母线电压，其中d_m为参考电流I_m的占空比，d_n为参考电流I_n的占空比；当k_in＝12,1,4,5,8,9时，θ₂范围为0～π/3；当k_in＝2,3,6,7,10,11时，θ₂范围为π/3～2π/3。

进一步，电压传输比m最大值为0.5。

本发明的技术效果如下：

本发明的一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法，利用IMC不同有效矢量或零矢量，产生的共模电压不同；不同相电压峰值不同，其有效矢量产生的共模电压峰值也不同。所以在整流级所在扇区选择最小共模电压峰值的有效矢量和零电流矢量，来实现共模电压进一步抑制。

利用IMC零电流矢量作用下的共模电压与逆变级开关状态无关的特性，在整流级应用零电流矢量时逆变级实现开关切换。逆变级在开关切换时，无论死区时间的等效矢量为有效电压矢量还是零电压矢量，由于整流级采用零电流矢量，此时的共模电压与逆变级开关状态无关。从而避免了逆变级矢量切换的死区效应带来的共模电压尖峰，以及零电流矢量作用下的直流母线电压为0的特性。

综上所述，本发明一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法，在低电压传输比下将有效矢量的共模电压峰值抑制了71％，零矢量的共模电压峰值抑制了50％。在整流级零电流矢量作用时，逆变级进行矢量切换实现逆变级开关管的零电压开通和关断，并解决了由死区效应引起的共模电压尖峰问题。

在电压传输比为m＝0.2和m＝0.4的情况下，通过实验对本发明的共模抑制方法和传统SVM进行比较后可以看出，本发明的共模抑制方法中共模电压较传统方法下降了50％，且没有出现死区效应引起的共模电压尖峰。从而证明本发明共模抑制方法的可行性和有效性同传统SVM调制方法相比，在减小共模电压峰值的同时，本发明的共模抑制方法的输入输出性能没有下降。

附图说明

图1是间接矩阵变换器的拓扑结构示意图

图2是IMC整流级和逆变级各矢量的空间排布示意图

图3是本发明将输入电压划分为12个扇区的三相输入电压示意图

图4(a)是本发明的调制原理，整流级位于第12、1、4、5、8、9扇区的参考电流矢量I_ref和参考电压矢量V_ref示意图

图4(b)是本发明的调制原理，整流级位于第2、3、6、7、10、11扇区的参考电流矢量I_ref和参考电压矢量V_ref示意图

图5是本发明的逆变级开关模式示意图

图6是传统SVM方法实验波形，电压传输比m＝0.2。

图7是本发明的共模抑制方法实验波形，电压传输比m＝0.2。

图8是传统SVM方法实验波形，电压传输比m＝0.4。

图9是本发明的共模抑制方法实验波形，电压传输比m＝0.4。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，从拓扑结构来看，将间接矩阵变换器(Indirect matrix converter,IMC)分为两级：整流级和逆变级。整流级的结构与电流型整流器结构相同，逆变级的结构与电压型两电平逆变器结构相同。为防止IMC输入短路、输出开路，IMC整流级和逆变级的开关状态需满足：

其中，S_px,S_nx(x＝a,b,c)为整流级开关管，S_Py,S_Ny(y＝A,B,C)为逆变级开关管。为了分析方便，定义开关管S导通为1，关断为0。

如图2所示，IMC整流级有9种开关状态即S_aa、S_ab、S_ac、S_ba、S_bb、S_bc、S_ca、S_cb、S_cc对应9个电流矢量。由于整流级不允许开路，因此上下桥臂各有一个开关管导通；以S_ab为例，S_ab表示上桥臂a管导通，下桥臂b管导通。其中6个有效电流矢量I_active(I_ab,I_ac,I_bc,I_ba,I_ca和I_cb)以及3个零电流矢量量I_zero(I_aa,I_bb和I_cc)。

IMC逆变级有8种开关状态，即S₀₀₀、S₀₀₁、S₀₁₀、S₀₁₁、S₁₀₀、S₁₀₁、S₁₁₀、S₁₁₁对应8种电压矢量。由于逆变级不允许短路，因此逆变级同一桥臂的上下开关管不能同时导通；以S₁₀₀为例，S₁₀₀表示上桥臂a管导通，下桥臂b管和c管导通。其中6个有效电压矢量V_active(V₁,V₂,V₃,V₄,V₅和V₆)和2个零电压矢量V_zero(V₀和V₇)。

对于IMC的共模电压u_cm是指负载中性点n与电源地点o之间的电压，如图1所示当矩阵变换器驱动三相对称负载时，共模电压u_cm为：

u_cm＝(u_Ao+u_Bo+u_Co)/3 (3)

其中u_Ao，u_Bo和u_Co分别为三相输出A，B，C点电压到o点之间的电压。将u_Ao，u_Bo和u_Co表示为IMC的开关函数，得到共模电压u_cm表达式为

根据式(4)可知，IMC共模电压的幅值与逆变级开关状态(输出电压矢量)，整流级开关状态(输入电压矢量)和三相输入电压幅值有关。

将IMC有效矢量的开关状态带入式(4)，可获得IMC整流级和逆变级有效矢量作用下的共模电压等于1/3倍的输入线电压，如表1所示。

表1：

当IMC整流级采用零电流矢量I_xx(x＝a,b,c)，式(4)为

根据式(2)和式(5)可知，此时共模电压u_cm只与零电流矢量有关，与逆变级电压矢量无关。根据式(2)和式(5)可知，零电流矢量输入为I_aa,则共模电压u_cm＝u_a/3，零电流矢量输入为I_bb,则共模电压u_cm＝u_b/3，此时u_cm＝u_x/3(x＝a,b,c),因此此时共模电压u_cm与逆变级电压矢量无关，只与零电流矢量有关。

当IMC逆变级采用零电压矢量V₇，式(4)为

根据式(6)可知，此时共模电压u_cm只与整流级上桥臂的开关状态有关，与整流级下桥臂的开关状态无关。同理可获得当IMC逆变级采用零电压矢量V₀，共模电压u_cm只与整流级的下桥臂开关状态有关，与整流级的上桥臂开关状态无关。

根据式(5)和(6)可知，零矢量作用下的共模电压等于输入相电压，如表2所示,其中x＝(a,b,c),k＝(0,1,2,3,4,5,6,7)。

表2：

由表1和表2可知，对于IMC不同有效矢量或零矢量，产生的共模电压不同；不同线电压峰值不同，其有效矢量产生的共模电压峰值也不同。因此，选择最小线电压幅值的共模电压的有效矢量可以进一步抑制有效矢量作用下的共模电压峰值。

另外，不同相电压峰值不同，其零矢量产生的共模电压峰值也不同。因此，选择最小相电压幅值的共模电压的零矢量可以抑制零矢量作用下的共模电压峰值。

本发明的调制方法的原理为：利用IMC零电流矢量作用下的共模电压与逆变级开关状态无关的特性，在整流级应用零电流矢量时逆变级实现开关切换，整流级所在扇区选择最小共模电压峰值的有效矢量和零电流矢量，来实现共模电压进一步抑制。并利用IMC零电流矢量的特性在逆变级在开关切换时，无论死区时间的等效矢量为有效电压矢量还是零电压矢量，由于整流级采用零电流矢量，此时的共模电压与逆变级开关状态无关。从而避免了逆变级矢量切换的死区效应带来的共模电压尖峰。

本发明的调制方法包括以下步骤：

S1，将输入电压划分为12个扇区，每个扇区都存在两个最小线电压峰值和一个最小相电压峰值，分别为0.866V_in和0.5V_in；如图3所示，以第①扇区为例，线电压u_bc和u_cb的峰值最小，其线电压峰值为0.866V_in；相电压u_b的峰值最小，为0.5V_in；

S2，在每个整流级扇区内，参考电流矢量由两个相邻的有效电流矢量和一个零电流矢量合成；输出电压矢量根据不同的整流级扇区由两个奇数有效电压矢量或偶数有效电压矢量合成。在每个输入电压扇区采用两个相邻有效电流矢量I_m和I_n下，合理选择有效电压矢量，将共模电压降到最小线电压峰值0.866V_in的

倍，即0.29V_in。

当IMC整流级在每个输入扇区只采用两个相邻有效电流矢量I_m和I_n时，根据图3、表1，可获得不同输入扇区下有效电压矢量对应的共模电压峰值，如表3所示：

表3

从表3可知，当输入扇区为12,1,4,5,8,9时，奇数有效电压矢量作用下的共模电压峰值为0.29V_in，偶数有效电压矢量作用下的共模电压峰值为0.577V_in；因此，当整流级位于第12、1、4、5、8、9扇区，逆变级选择奇数有效电压矢量。

从表3可知，当输入扇区为2,3,6,7,10,11时，偶数有效电压矢量作用下的共模电压峰值为0.29V_in，奇数有效电压矢量作用下的共模电压峰值为0.577V_in；因此，当整流级位于2、3、6、7、10、11扇区，逆变级选择偶数有效电压矢量。

以上可证明，在每个输入扇区采用两个相邻有效电流矢量I_m和I_n下，合理选择有效电压矢量，可将共模电压降到0.29V_in。

S3，整流级零电流矢量则选择对应输入相电压幅值最小的零电流矢量；在每个输入扇区下，整流级合理选择零电流矢量，可将共模电压峰值降到0.5V_in。

根据图3和表2，可获得不同输入扇区下零电流矢量对应的共模电压峰值，如表4所示。

表4

从表4可知，在每个输入扇区下，合理选择零电流矢量，可将共模电压峰值降到0.5V_in。

根据表3和表4，本发明的一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法，其调制原理如图4所示。在每个整流级扇区内，参考电流矢量由两个相邻的有效电流矢量和一个零电流矢量合成；输出电压矢量根据不同的整流级扇区由两个奇数有效电压矢量或偶数有效电压矢量合成。

图中I_m，I_n为相邻的两个有效电流矢量，I_zero为零电流矢量，V_α,V_β为奇数电压矢量或偶数电压矢量。

为保证每个扇区的共模电压峰值小于等于0.5V_in。两个相邻的有效电流矢量I_m、I_n，一个零电流矢量I_zero，两个奇数或偶数有效电压矢量V_α,V_β的选择如表5所示。

表5

由于IMC每个扇区的切换方式一样，只是作用的矢量不同，如图5所示，以整流级和逆变级都位于第一扇区为例展示了矢量排布方案。根据式(2)和式(5)可知，此时共模电压u_cm只与零电流矢量有关，与逆变级电压矢量无关。零电流矢量输入为I_aa,则共模电压u_cm＝u_a/3，零电流矢量输入为I_bb,则共模电压u_cm＝u_b/3，此时u_cm＝u_x/3(x＝a,b,c),因此此时共模电压u_cm与逆变级电压矢量无关，只与零电流矢量有关。

因此逆变级在开关切换时，无论死区时间的等效矢量为有效电压矢量还是零电压矢量，由于整流级采用零电流矢量，此时的共模电压与逆变级开关状态无关。本发明的共模抑制方法利用IMC零电流矢量作用下的共模电压与逆变级开关状态无关的特性，在整流级应用零电流矢量时逆变级实现开关切换。从而避免了逆变级矢量切换的死区效应带来的共模电压尖峰。

根据图4和图5可知，本文所采取的调制方法整流级参考电流矢量由两个相邻的有效电流矢量和一个零电流矢量合成，逆变级参考电压矢量由两个相差120度的有效电压矢量合成，其参考电流矢量I_ref和参考电压矢量V_ref分别为：

I_ref＝[(d_{α_m}+d_{β_m})I_m+(d_{α_n}+d_{β_n})I_n+d_zI_z] (7)

其中，

其中，θ₁为I_ref与I_m的夹角；θ₂为V_ref与V_α的夹角，图5和式(11)可知，u_{PN_m}与u_{PN_n}分别为d_m与d_n作用时的直流母线电压，其中d_m为参考电流I_m的占空比，d_n为参考电流I_n的占空比。当k_in＝12,1,4,5,8,9时，θ₂范围为0～π/3；当k_in＝2,3,6,7,10,11时，θ₂范围为π/3～2π/3。

为保证式(10)中d_α和d_β的和不大于1，本发明提出的改进方法的电压传输比m最大值为0.5。

为了进一步验证在本发明的调制方法下IMC的共模抑制效果、输入输出电压质量特性、消除死区效应共模电压尖峰。

图6和图7分别为电压传输比m为0.2的传统SVM方法和本发明的共模抑制方法的实验结果。从上至下分别为共模电压u_cm，直流母线电压u_pn，A相输出电流i_A，a相输入电流i_a。

经对比，图6中传统SVM方法的共模电压峰值为80V，与输入电压峰值相同；图7中共模抑制方法的共模电压通过放大观察，该调制方法共模电压峰值约为40V，且没有出现死区效应引起的共模电压尖峰，较传统方法下降了50％。

图8和9为电压传输比m为0.4的传统SVM方法和本发明的共模抑制方法的实验结果。实验证明了本发明的共模抑制方法整体地抑制了IMC的共模电压，并且其输入输出电流依然保持了正弦性。

综上所述，在电压传输比为m＝0.2和m＝0.4的情况下，通过实验对本发明的共模抑制方法和传统SVM进行比较后可以看出，本发明的共模抑制方法中共模电压较传统方法下降了50％，没有出现死区效应引起的共模电压尖峰。从而证明本发明共模抑制方法的可行性和有效性同传统SVM调制方法相比，在减小共模电压峰值的同时，本发明的共模抑制方法的输入输出性能没有下降。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (6)

1.一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法，其步骤包括：

S1，将输入电压划分为12个扇区，每个扇区都存在两个最小线电压峰值和一个最小相电压峰值，分别为0.866V_in和0.5V_in；

S2，在每个整流级扇区内，参考电流矢量由两个相邻的有效电流矢量和一个零电流矢量合成；输出电压矢量根据不同的整流级扇区由两个奇数有效电压矢量或偶数有效电压矢量合成；在每个输入电压扇区采用两个相邻有效电流矢量I_m和I_n下，合理选择有效电压矢量，将共模电压降到最小线电压峰值0.866V_in的

倍，即0.29V_in；

S3，整流级零电流矢量选择对应输入相电压幅值最小的零电流矢量；在每个输入扇区下，整流级合理选择零电流矢量，将共模电压峰值降到0.5V_in；

整流级采用零电流矢量时，共模电压u_cm与逆变级开关状态无关，只与零电流矢量有关。

2.如权利要求1所述一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法，其特征在于：步骤S2中，当输入扇区为12,1,4,5,8,9时，逆变级输出电压矢量选择奇数有效电压矢量。

3.如权利要求1所述一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法，其特征在于：步骤S2中，当输入扇区为2,3,6,7,10,11时，逆变级输出电压矢量选择偶数有效电压矢量。

4.如权利要求1所述一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法，其特征在于：步骤3中，为保证每个扇区的共模电压峰值小于等于0.5V_in；两个相邻的有效电流矢量I_m、I_n，一个零电流矢量I_zero，两个奇数或偶数有效电压矢量V_α,V_β的选择如下表所示：

5.如权利要求1所述一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法，其特征在于：步骤2中，逆变级参考电压矢量由两个相差120度的有效电压矢量合成，其参考电流矢量I_ref和参考电压矢量V_ref分别为：

I_ref＝[(d_{α_m}+d_{β_m})I_m+(d_{α_n}+d_{β_n})I_n+d_zI_z]

其中，

θ₁为I_ref与I_m的夹角；θ₂为V_ref与V_α的夹角，u_{PN_m}与u_{PN_n}分别为d_m与d_n作用时的直流母线电压，其中d_m为参考电流I_m的占空比，d_n为参考电流I_n的占空比；当k_in＝12,1,4,5,8,9时，θ₂范围为0～π/3；当k_in＝2,3,6,7,10,11时，θ₂范围为π/3～2π/3。

6.如权利要求5所述一种用于间接矩阵变换器的共模电压尖峰问题抑制方法，其特征在于：电压传输比m最大值为0.5。

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