[3×4]矩陣變換器新型調(diào)制策略的研究

摘 要：3×4矩陣變換器具有優(yōu)良的帶不平衡負(fù)載能力，針對該矩陣控制算法非常復(fù)雜，控制難度大的缺點(diǎn)，采用直接檢測輸入輸出側(cè)的電壓與電流信號的方法，簡化了常規(guī)的第N相占空比計算、虛擬逆變、虛擬整流的SVPWM調(diào)制策略，達(dá)到諧波及脈動成分小，線電壓扇區(qū)判斷及占空比計算準(zhǔn)確的目的。通過仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)可輸出較為理想的三相對中性線的對稱波形，具有速度快、穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 3×4矩陣變換器； 三相不平衡負(fù)載； 直接檢測； 線電壓扇區(qū)判斷； 占空比計算

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0155?04

Research on new modulation strategy of 3×4 matrix converter

FU Guangjie1， LIU Zihang1， LIU Wenfu2， ZHANG Lei3

（1. Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China； 2. Refinery of Daqing Petrochemical Company， Daqing 163711， China；

3. Tianjin Shiprepairing Technology Research Institute， Xuzhou 300456， China）

Abstract： The 3×4 matrix converter has excellent unbalanced load capacity， for its control algorithm is complex and difficult to control， the method of direct detection for the voltage and current signals on the input and output sides is adopted， which can simplify the conventional SVPWM modulation strategies of N?phase duty?cycle calculation， virtual inversion and virtual rectification， and achieve the little harmonic and pulsation component， and accurate line voltage sector judgment and duty cycle calculation. The simulation results verify that the system can output perfect three?phase symmetrical waveform， and has fast speed， good stability and high precision.

Keywords： 3×4 matrix converter； three?phase unbalanced load； direct detection； line voltage sector judgment； canculation of duty?cycle

矩陣變換器MC（Matrix Converter）有無中間直流環(huán)節(jié)、能量直接傳遞且雙向流動等優(yōu)點(diǎn)，很有發(fā)展前景。在實(shí)際應(yīng)用中，[3×3]矩陣帶不對稱負(fù)載具有很大的局限性。對于現(xiàn)有的[3×4]矩陣該矩陣調(diào)制策略過于繁瑣，使控制難度加大且輸出含有大量諧波?；谏鲜鲈虮疚牟捎弥苯訖z測電壓電流，優(yōu)化虛擬整流、虛擬逆變環(huán)節(jié)，最后聯(lián)合兩個環(huán)節(jié)得到[3×4]矩陣的調(diào)制策略。并且應(yīng)用搭建仿真驗(yàn)證理論的正確性。

1 [3×4]矩陣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

圖1（a）為[3×4]矩陣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，圖 1（b）等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，負(fù)載為阻感負(fù)載，N相與中性點(diǎn)連接[1]。

矩陣變換器分析過程，等效成交?直?交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行，并分為虛擬整流、虛擬逆變、消去中間虛擬的直流環(huán)節(jié)三部分。圖1（b）即為等效后的交?直?交路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。[a，b，c]為輸入側(cè)；[p，n]為虛擬的直流環(huán)節(jié)；[u，v，w，N]為輸出側(cè)。圖中輸入側(cè)不能短路，輸出側(cè)不能開路，即每一相只有一個開關(guān)導(dǎo)通。

圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中虛擬整流部分開關(guān)函數(shù)為[Sik]、虛擬逆變部分開關(guān)函數(shù)為[Skj]，則有式（1）的輸入/輸出關(guān)系[2]：

[UuUvUwUN=SupSap+SunSanSupSbp+SunSbnSupScp+SunScnSvpSap+SvnSanSvpSbp+SvnSbnSvpScp+SvnScnSwpSap+SwnSanSwpSbp+SwnSbnSwpScp+SwnScnSNpSap+SNnSanSNpSbp+SNnSbnSNpScp+SNnScnUaUbUc] （1）

所以只需調(diào)節(jié)式（1）中的開關(guān)矩陣，就起到了調(diào)節(jié)矩陣變換器的目的。

2 新型虛擬逆變SVPWM調(diào)制策略

三相對稱電壓與電壓空間矢量有如下關(guān)系（[i]，[j]為[α]，[β]參考軸的單位矢量）：

[UOL=23Uu+Uvei2π3+Uwe-i2π3 =23Uu-Uv+Uw2i+32Uv-Uwj] （2）

圖2為逆變側(cè)電壓空間矢量調(diào)制圖[4]。圖2（a）為電壓空間矢量圖，其中6個非零矢量分別位于正六邊形的6個頂點(diǎn)位置，并且將空間劃分為Ⅰ?Ⅵ六個扇區(qū)。

2個矢量[U0]，[U7]位于原點(diǎn)位置。圖2（b）為[UOL]在第一扇區(qū)內(nèi)的合成，這也是計算占空比的依據(jù)。簡化虛擬逆變，主要是使扇區(qū)判斷與占空比計算兩個環(huán)節(jié)更加簡潔。

圖2 虛擬逆變側(cè)空間矢量調(diào)制

2.1 扇區(qū)判斷

由圖2（b）可知，當(dāng)[UOL]落入第一扇區(qū)時，有如下關(guān)系：

[Uu-Uv+Uw2>0Uv

整理式（3）可知，在第一扇區(qū)內(nèi)的最大電壓為[Uu]，最小電壓為[Uv]。則扇區(qū)的判斷依據(jù)可表示為：[max（Uuv，Uvw，Uwu）=Uuv]，同理其他扇區(qū)的判斷以此類推。

2.2 占空比的計算

在圖2（b）中根據(jù)正弦定理得出常規(guī)調(diào)制策略中所應(yīng)用的占空比算式[4]如下：

[dα=3UOLsinπ3-θUpndβ=3UOLsinθUpnd0=1-dα-dβ] （4）

如果采用式（4）的占空比調(diào)制，需要電壓矢量的幅值、復(fù)平面內(nèi)的夾角以及虛擬直流側(cè)的電壓三個變量，正是由于復(fù)雜的計算導(dǎo)致了算法的冗余。因此為了能夠使占空比的計算更加簡便，分別分析式（4）中的[UOL]，[θ]。圖2（a）中的矢量電壓[UOL]與三相電壓有如下關(guān)系式：

[UOL2=49Uu2+Uv2+Uw2-UuUv-UwUv-UuUw] （5）

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系角[θ]有如下關(guān)系式：

[csc2θ=1+cot2θ] （6）

式（5），式（6）代入到式（4）中得出本文所應(yīng)用的占空比：

[da=-UvwUpndβ=-UwuUpnd0=1-UuvUpn] （7）

式（7）較式（4）占空比的計算量大幅減小，式（7）中的占空比只是簡單的比值，且不需要計算復(fù)平面內(nèi)的角度，因此無論是在計算的精度上，還是速度上都得到了相應(yīng)的提高。

由于輸入電壓與電流同相位，則常規(guī)的第N相占空比[3]計算如下：

[dN=Urzupndα+dβ+0.5] （8）

將本文簡化后的式（7）中占空比[dα]，[dβ]相加，代入式（8），即為本文所推導(dǎo)出的占空比計算式：

[dN=UrzUuv+0.5=Urzmax（Uuv，Uvw，Uwu）+0.5] （9）

式中的占空比計算只需要檢測輸出側(cè)的最大線電壓即可，較式（4）中常規(guī)的第N相占空比的計算量有所減少。

3 新型虛擬整流調(diào)制策略

3.1 扇區(qū)判斷

與虛擬逆變級同理，虛擬整流級的區(qū)間判斷依然以第i區(qū)間為例，此處有[maxia，ib，ic=ia]其他扇區(qū)的判斷依據(jù)以此類推。

3.2 計算占空比

對于占空比的計算，本文以第i區(qū)間為例，其他區(qū)間同理，計算相應(yīng)的占空比[3]即：

[iaibic=dμ+dγ -dμ -dγ?Ipn] （10）

為了化簡虛擬整流側(cè)的占空比，由式（10）可得： [ia=dμ+dγ?Ipn]，[ib=-dμIpn]，[ic=-dγ]。整理與化簡進(jìn)一步得到本文的占空比計算式：

[dμ=-ibIpndγ=-icIpnd0=1-dμ+dγ=1-iaIpn] （11）

式（11）的占空比計算式達(dá)到了與虛擬逆變側(cè)同等的簡化效果。

4 消去直流環(huán)節(jié)

首先排列第N相的開關(guān)順序，為了盡量減少開關(guān)動作次數(shù)，避免開關(guān)損耗，輸入電壓在Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ區(qū)間按組合1（a，b，c，a，a）次序，而Ⅱ，Ⅳ，Ⅵ則按照組合2（b，a，c，b，b）次序進(jìn)行切換[3]。

聯(lián)合新型虛擬整流與虛擬逆變的調(diào)制策略，消去中間直流環(huán)節(jié)[5]。為了不失一般性，仍以第一扇區(qū)為例，其中逆變側(cè)含有[U1]，[U6]，整流側(cè)含有[I1]，[I6]，分別兩兩組合，形成含有零矢量的共5種狀態(tài)。如表1所示。

表1 矢量組合與開關(guān)實(shí)例

5 仿真驗(yàn)證

本文基于Matlab/Simulink及S函數(shù)搭建仿真模型。系統(tǒng)參數(shù)：380 V，50 Hz三相可編程交流電源，設(shè)定輸出頻率為30 Hz，負(fù)載采用阻感負(fù)載，其中[R=15 Ω L=30 mH]。不平衡負(fù)載電阻分別為[15 Ω，][10 Ω，7 Ω]，[L=30 mH。]

通過對該系統(tǒng)帶平衡負(fù)載時的仿真，可得圖3所示的輸出仿真結(jié)果。由圖可知輸出側(cè)電壓與電流均三相對稱。由于整個系統(tǒng)輸出線電壓，直接由程序線電壓信號指令控制，所以諧波及脈動成分為零。平衡負(fù)載時中性點(diǎn)電位為零，N相橋臂中并無電流流過，所以圖中[iN]幅值為零。系統(tǒng)在0.01 s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在0.05 s處加入擾動后，間隔0.02 s再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，充分驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗擾動性。

圖3 對稱負(fù)載時三相輸出電壓與電流

通過帶對不平衡負(fù)載時的仿真，輸出側(cè)的電流波形仿真結(jié)果如圖4所示。其中電壓波形同圖3中無擾動時的電壓波形。分析圖4可知，由于系統(tǒng)帶不平衡負(fù)載，所以輸出側(cè)的電流波形已不再是三相對稱的。由于中性點(diǎn)發(fā)生了移動，所以導(dǎo)致N相中電流不再為零。而對于輸出側(cè)的電壓，只是相對于第N相對稱。

圖4 不平衡負(fù)載時輸出側(cè)電流

圖5是輸入級中a相的電壓與電流波形仿真結(jié)果，電流波形近似于正弦波。由于系統(tǒng)輸入側(cè)濾波器中電容的影響，電流波形略超前電壓，但是功率因數(shù)仍然接近于1，對整體影響不大。圖6為a相電流在未加入濾波器時的頻譜分析結(jié)果，諧波畸變率小，滿足電流的要求，驗(yàn)證了[3×4]矩陣具有優(yōu)良的帶不平衡負(fù)載的能力。

圖5 [a]相輸入電壓與電流波形

圖6（a）為a相電流在未加入濾波器時的頻譜分析結(jié)果，諧波畸變率為1.83%滿足電流的要求；圖6（b）為[3×3]矩陣帶不平衡負(fù)載時a相的頻譜圖，諧波畸變率為13.52%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。從而驗(yàn)證了[3×4]矩陣具有優(yōu)良的帶不平衡負(fù)載的能力。

圖6 頻譜分析

6 結(jié) 語

本文通過簡化矩陣變換器的調(diào)制策略，縮短了系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間，提高了帶不對稱負(fù)載的能力與系統(tǒng)的精度。盡管負(fù)載的不平衡，系統(tǒng)仍然可以輸出較為理想三相對中性線的對稱波形。該系統(tǒng)不但輸出側(cè)不含次諧波，同時滿足了負(fù)載對電壓的需求。輸入側(cè)的電流波形達(dá)到正弦的標(biāo)準(zhǔn)，且功率因數(shù)接近于1，凸顯了他的能量直接傳動傳輸效率高等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] KOBRAVI K， IRAVANI R， KOJORI H A. Three?leg/four?leg matrix converter generalized modulation strategy?part I： a new formulation [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013， 60（3）： 848?859.

[2] 粟梅李，丹云，孫堯，等.雙級矩陣變換器的過調(diào)制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2008（3）：47?52.

[3] 王汝田.矩陣變換器的調(diào)制策略研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[4] 郭有貴，喻壽益，朱建林.提高矩陣變換器電壓傳輸比的新型調(diào)制策略[J].控制理論與應(yīng)用，2006，23（4）：542?546.

[5] 湯寧平，王建寬，吳漢光.矩陣變換器的SPWM控制技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)[J].電工技術(shù)學(xué)報，2003（4）：25?29.

[6] 胡文麗，趙永濤，鄭永強(qiáng).一種新型矩陣式高頻鏈逆變器控制方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（19）：188?190.