[发明专利]一种使用矩阵变换器的共模电压抑制调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子换流器的共模电压抑制领域，特别涉及一种使用矩阵变换器的共模电压抑制调制方法。

背景技术

三相矩阵变换器是通过可控的功率半导体双向开关阵列直接把三相输入连接到三相负载，可以变压变频输出的强制换流的变换器。它由九个双向开关按3×3排列，三相输入中的任意一相可与三相输出的任意一线相连，如图1所示。

当矩阵变换器的各双向开关在数学上被理想为开关函数后，输入输出端的电压及电流关系可表示为：

S_Ka+S_Kb+S_Kc＝1，K＝{A,B,C}，

其中V和v表示电压，I和i表示电流，大写的下标表示输出端，小写的下标表示输入端，S表示开关函数，当对应的开关处于导通状态时其值为1，处于阻断状态时其值为0。

电力电子换流设备在脉宽调制作用下，会在负载中性点与参考地之间产生共模电压。三相-三相的矩阵变换器的调制方法本质上也是一种脉宽调制(PWM)，因此其输出也会产生一序列阶梯状高频共模电压波形。共模电压的幅值及其变化率dv/dt过大时，将会击穿电机轴承的油膜隔离，导致电机绕组损坏和轴承故障。

为减少矩阵变换器的高频共模电压，学者推出了许多方法。一种直观的方案是，在带载为开端绕组电机的双结构换流器中只采用定向开关状态所对应的旋转矢量。这些定向开关状态对应的输出共模电压为零，因此可以将大幅度减少共模电压。但因为这一方案采用了两套换流器，这需要更多的半导体，因此会大幅增加矩阵变换器的成本和控制复杂度。

另一种减缓共模电压的不利影响的方案是通过软件编程的方式来修改调制策略，尽量采用共模电压幅值低的开关状态。常用的优化方法有三种。1)从三个零矢量中选择对应三相输入电压中瞬时值位于中间的一相，以减少零矢量对应的共模电压的幅值。但在该方法中，零矢量被放置的位置要根据输入电压在扇区中所处的位置而决定。2)使用方向相反的有效矢量来代替零矢量。这种方法使用了比传统空间矢量方法更多的有效矢量，因此在一个开关周期内的开关次数增加，这增加了半导体器件的开关损耗。3)使用三个最邻近参考矢量的有效矢量来减少零矢量。与第二种方法相比，这个方法不仅在一个开关周期内使用了较多的开关状态，它还有另外一个限制，即只能应用在电压传输比高于0.667的场合。

在上述方法中，输出共模电压为零的定向开关状态均被忽略而没有使用。到目前为止，定向开关状态仍未被充分研究。有学者使用相位互差120度的三个定向开关状态来减少共模电压。但该方法不能满足矩阵变换器每次仅换流一个输出相的安全工作要求。这会造成半导体开关器件承受大电压应力，开关损耗大，输出波形的总谐波系数大。其他学者尝试用预测控制方法将控制算法与调制算法整合在一块，建立包括共模电压在内的成本函数，通过优化的方法在全部27种开关状态中选择使得成本函数最低的开关状态。但这一方法也难以满足矩阵变换器每次仅换流一个输出相的安全工作要求，并且该方法的计算量比较大，难以使用主流的数字处理器完成计算。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种使用矩阵变换器的共模电压抑制调制方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种使用矩阵变换器的共模电压抑制调制方法，包含以下顺序的步骤：

对矩阵变换器的全部开关状态矩阵的空间矢量形式应用奇异值分解，并以此为基础把矩阵变换器的全部开关状态划分为三类，然后利用矩阵变换器不同类别的开关状态间的等效关系，在矩阵变换器的调制矩阵计算及开关次序中优先选择对应共模电压值小的开关状态，并通过优化开关次序减少输出共模电压的变化率。

所述的矩阵变换器不同类别的开关状态间的等效关系，具体为：

S_abc＝S_abb+S_bbc＝S_acc+S_cbc S_acb＝S_abb+S_bcb＝S_acc+S_ccb

S_cab＝S_caa+S_aab＝S_cbb+S_bab，S_bac＝S_bcc+S_cac＝S_baa+S_aac，