雙級矩陣變換器雙空間矢量調(diào)制策略研究

【摘要】介紹了雙級矩陣變換器（TSMC）的主電路拓撲結(jié)構(gòu)，分析了TSMC的基本原理，推導了TSMC雙空間矢量調(diào)制（SVM）策略，搭建了Matlab/Simulink模型對所述調(diào)制策略進行了仿真驗證，仿真結(jié)果表明所述調(diào)制策略的正確性。

【關(guān)鍵詞】矩陣變換器；雙級；空間矢量調(diào)制；仿真

1、引言

隨著電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電力變換技術(shù)已廣泛應用于電動機驅(qū)動、變頻調(diào)速、能量回饋控制以及不間斷電源等方面，據(jù)統(tǒng)計，我國發(fā)電量的60%～70%用于拖動電動機，其中90%的電動機是交流電動機，大部分為直接拖動，由于直接恒速拖動，造成大量的電能浪費，全國每年浪費的用電總量十分驚人[1]，因此發(fā)展電氣節(jié)能十分必要。

變流器是電力變換的核心部件，當前應用廣泛的AC-DC-AC變換器和相控AC-AC變頻器，均存在其固有的缺陷。對于AC-DC-AC變換器，因為整流側(cè)為不控整流，輸入側(cè)功率因數(shù)低，輸入交流電流波形畸變，對電網(wǎng)諧波污染嚴重；同時直流側(cè)儲能元件體積大，且壽命有限，造成系統(tǒng)不易維護、集成度低、可靠性降低等問題。而AC-AC變頻器輸出頻率變化范圍窄，一般上限為1/3～1/2電網(wǎng)頻率，所以僅適用于低速場合。

美國學者Lixiang Wei和Thomas. A Lipo于2001年提出了一種新型雙級矩陣變化器（Two-stage matrix converter-TSMC）[2]，該拓撲具有輸入、輸出電流正弦，輸出頻率任意可調(diào)，輸入功率因數(shù)可控為1，且直流側(cè)不需要笨重的儲能元件，只需簡單的嵌位電路，具有“綠色變頻器”的特性[3]，成為目前很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N交-交直接功率變換器。

2、TSMC的主電路結(jié)構(gòu)

TSMC的主電路由整流級和逆變級構(gòu)成，與交-直-交PWM變換器不同的是，TSMC的整流級采用雙向開關(guān)，共需要18個IGBT[4]；當控制直流側(cè)電壓時，TSMC直流側(cè)僅需要一個簡單的嵌位電路，而不需要直流側(cè)儲能電容。TMSC主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1所示18開關(guān)TSMC的主電路結(jié)構(gòu)，主要由輸入濾波器、整流級、箝位電路、逆變級構(gòu)成，其中整流級的雙向開關(guān)采用共射極接法，逆變級采用IPM模塊構(gòu)成。從圖1可以看出TSMC相對于傳統(tǒng)的直接式MC具有更簡單的箝位電路，TSMC的箝位電路由DC和CC串聯(lián)后并接在TSMC的直流側(cè)[3]。

3、TSMC的雙空間矢量調(diào)制

3.1整流級空間矢量調(diào)制

設三相對稱輸入電壓的表達式為式（1）：

（1）

其中Uim為輸入相電壓幅值，ωi為輸入角頻率。

為獲得最大直流側(cè)電壓，提高電壓利用率，將輸入電壓的一個基波周期劃分為六個扇區(qū)，在每個扇區(qū)內(nèi)，一相電壓絕對值最大，另兩相電壓極性與其相反[5]。下面以電壓在第1扇區(qū)為例展開分析。

第1扇區(qū)內(nèi)ua極性為正且絕對值最大，ub和uc極性為負，為了達到整流級調(diào)制目的，1個開關(guān)周期T內(nèi)開關(guān)開關(guān)Sanp和Sann一直導通，Sbpp和Sbpn、Scnp和Scnn輪流導通，則直流側(cè)電壓滿足，直流側(cè)電壓分別由線電壓uab、uac構(gòu)成，為保證其輸入功率因數(shù)為1，即各相電流與輸入電壓保持同相位，則需滿足式（1）。

（1）

則其占空比分別為d1和d2。

（2） （3）

同理可以分析其它扇區(qū)，由式（3）可知直流側(cè)電壓Udc的局部平均值為隨而變的波動量。其中：

（4）

3.2逆變級空間矢量調(diào)制

TSMC逆變級的空間矢量調(diào)制和一般的逆變器調(diào)制類似。由前面分析可知在1個開關(guān)周期T內(nèi)，因直流側(cè)電壓udc由兩個輸入線電壓分別導通d1T和d2T時間構(gòu)成，為了得到恒定的輸出電壓矢量幅值，TSMC的逆變級的調(diào)制系數(shù)mv需進行修正以抵消udc的波動，這點與一般逆變器不同。逆變級的輸出線電壓空間矢量分布和合成如圖3所示。

逆變級修正后的占空比計算公式如式（5）所示，

（5）

其中為輸出相電壓幅值，為輸出線電壓的扇區(qū)角。

3.3整流級和逆變級協(xié)調(diào)控制

由于直流側(cè)在1個T周期內(nèi)由兩段線電壓構(gòu)成，所以逆變級應該在兩段線電壓下分別調(diào)制，協(xié)調(diào)控制過程矢量分布示意圖如圖4所示。按圖4所示安排逆變級的零電壓矢量即可實現(xiàn)整流級雙向開關(guān)的零電流換流。圖中：

；

。

4、TSMC仿真驗證

為驗證所提策略的正確性，搭建了基于Matlab/Simulink的仿真模型，仿真參數(shù)如表一所示。

輸入側(cè)功率因數(shù)可控驗證仿真波形如圖5、圖6、圖7所示，圖5為電流超前電壓30°波形，圖6為電流滯后電壓30°波形，圖7為單位功率因數(shù)波形。

由圖5、圖6、圖7可見，矩陣變換器可實現(xiàn)輸入功率因數(shù)可調(diào)，輸入電流可超前、滯后、等于電壓相位。需注意的是，為保持直流側(cè)電壓為正，功率因數(shù)的調(diào)節(jié)范圍為。

直流側(cè)電壓波形如圖8所示，上圖為濾波前波形，下圖為濾波后波形。

從圖8可以看出直流側(cè)電壓恒為正，由兩個線電壓構(gòu)成，且在一個基波周期內(nèi)平均值為6脈波的脈動量，為保證逆變側(cè)輸出電壓不受影響，需對逆級調(diào)制系數(shù)進行實時修正。

輸出電壓變頻功能驗證仿真波形如圖9、圖10、圖11所示，上圖為線電壓UAB濾波前波形，下圖為濾波后波形。

由圖9、圖10、圖11可知，輸出電壓頻率可在輸入頻率上下自由調(diào)節(jié)，具有較寬的調(diào)節(jié)范圍，可方便實現(xiàn)變頻功能。

5、結(jié)論

本文在介紹雙級矩陣變換器（TSMC）的主電路拓撲結(jié)構(gòu)的基礎上，首先分析了TSMC的基本原理，其次對TSMC雙空間矢量調(diào)制策略進行了詳細的推導，并給出了整流級和逆變級空間矢量的協(xié)調(diào)方法，最后，搭建了Matlab/Simulink模型對所述調(diào)制策略進行了仿真驗證。從仿真波形可以看出，TSMC具有輸入輸出正弦、輸入單位功率因數(shù)和輸出頻率調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)良特性，仿真結(jié)果表明所述調(diào)制策略的正確性。

參考文獻

[1]孫凱，周大寧，梅楊.矩陣式變換器技術(shù)及其應用[M].機械工業(yè)出版社，2007.

[2]L Wei，T A Lipo.A Novel Matrix Converter Topology with Simple Commutation[C].2001 Thirty-Sixth IAS Annual Meeting.2001（3）：1749- 1754.

[3]Lixiang Wei. Lipo， T.A. Ho Chan. Matrix converter topologies with reduced number of switches[C].Power Electronics Specialists Conference.2002（1）：57- 63.

[4]鄧文浪，楊欣榮，朱建林等.18開關(guān)雙級矩陣變換器的空間矢量調(diào)制策略及其仿真研究[J].中國電機工程學報，2005，25（15）：84-90.

[5]李剛，孫凱，黃立培.雙級矩陣變換器輸入電壓不平衡控制策略[J].電工電能新技術(shù)，2009，28（4）：6-9.