[發明專利]基于狀態空間平均模型的Y源雙級矩陣變換器分析方法

在審

• 申請號: 202010591130.2
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111740614A
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 王汝田;趙鵬飛;袁帥;王雪;賈松達;鐘哲夫
• 申請（專利權）人: 東北電力大學
• 主分類號: H02M5/458
• 分類號: H02M5/458
• 代理公司: 吉林市達利專利事務所 22102
• 代理人: 陳傳林

一種基于狀態空間平均模型的Y源雙級矩陣變換器分析方法，其特點是，對于整流級，計算在每個開關周期內的平均電壓，得到整流級的輸出平均電壓的穩態分量和波動分量；對于Y源網絡，分別在穩態時和在穩態工作點受到小擾動時對電容電壓進行分析，通過電容電壓得到逆變級的輸入電壓與整流級的輸出平均電壓的關系；對于逆變級，在空間電壓矢量調制的基礎上，計算各電壓矢量的占空比，并根據逆變級的輸入電壓實時修正調制系數；引入直通矢量提高矩陣變換器的電壓傳輸比，根據修正的逆變級調制系數的變化范圍，計算最大電壓傳輸比；將整流級與逆變級的占空比有效組合，繪制各電壓矢量作用的順序圖，得到各功率開關的驅動信號。

技術領域

本發明屬于交流-交流電能變換裝置的技術領域，具體涉及一種基于狀態空間平均模型的Y源雙級矩陣變換器分析方法。

背景技術

雙級矩陣變換器作為一種AC-AC兩級變換器，不僅能夠使輸入輸出為良好的正弦波形，同時還具備能量的雙向傳遞、四象限運行、無需大容量儲能元件、輸入功率因數可調且能近似達到1等優點。雖然雙級矩陣變換器優點眾多，但其電壓傳輸比低，最大電壓傳輸比僅為0.866，嚴重限制了它的應用與推廣。將阻抗網絡拓展到雙級矩陣變換器中，在不增加功率開關數量的前提下，達到提高電壓傳輸比的目的。

目前引入阻抗網絡的雙級矩陣變換器以Z源矩陣變換器為主要代表，雖然性能優越，但無源器件較多影響其輸入輸出特性。T-Z源、trans-Z源、Γ-Z源，這類變換器利用耦合變壓器獲得較高的電壓增益同時保證元件數量最少，但存在一些不足，如T-Z源矩陣變換器直通占空比變化范圍有限；trans-Z源、Γ-Z源存在發生諧振的可能性，會產生較大的諧振電流損傷元件，而且電感電流紋波過大。 Y源網絡的提出，彌補了上述三者阻抗網絡的缺陷，利用Y源網絡組成的逆變器，實現了電壓增益的提升，因此能夠將Y源網絡引入矩陣變換器來提高電壓傳輸比。但是雙級矩陣變換器中整流級輸出的是具有波動的直流電壓，會對Y源網絡造成一定的影響，導致變換器輸出電壓質量不高，波形差。

發明內容

本發明的目的是，提出一種科學合理，適用性強的基于狀態空間平均模型的 Y源雙級矩陣變換器分析方法，旨在解決Y源雙級矩陣變換器中整流級輸出電壓的波動造成變換器輸出電壓質量差的問題。

實現本發明的目的采用的技術方案是，一種基于狀態空間平均模型的Y源雙級矩陣變換器分析方法，包括整流級、逆變級和Y源網絡；整流級是由六組雙向功率開關組成的三相橋式整流電路，逆變級是由六組功率開關組成的三相逆變電路，Y源網絡是由一個功率二極管、一個電容和一個三繞組變壓器組成；對于整流級，將輸入相電壓劃分成六個扇區，在每個扇區內選擇兩個最大且極性為正的線電壓來合成輸出電壓，作為Y源網絡的輸入電壓；其特征是，包括以下內容：

1)整流級輸出電壓u_dc不是恒定的直流電壓，計算u_dc在每個開關周期內的平均電壓并分析的穩態分量U_dc和波動分量表達式為：

其中，U_im為輸入相電壓幅值，ω_i為輸入相電壓角頻率；

其中，H_n為中的各次諧波幅值，

2)對于Y源網絡，存在兩種工作模式，直通狀態和非直通狀態；依據兩種狀態作出等效電路，以勵磁電感電流i_M、電容電壓u_Cap為狀態變量，整流級的輸出平均電壓Y源網絡輸出電流i_o為輸入變量，列寫系統狀態空間平均方程為：

其中，