矩陣變換器矢量過調制策略范文

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《電工技術學報》2015年第S1期

與傳統交-直-交變頻器相比，矩陣變換器具有以下優點［1］:①可以實現輸出、輸入電流的正弦控制;②輸入功率因數可調，可用于無功功率補償;③能量可雙向流動，節約能源;④不需要直流儲能環節，功率密度高。隨著未來對能源利用效率和網側電能質量要求不斷提高，矩陣變換器是目前很有前景的電力變換裝置。為此，很多專家學者對其進行了研究和探索，并取得了豐碩的成果，主要體現在輸入濾波器設計、換流方法、系統穩定性分析［5］、輸出共模電壓抑制、調制策略和電壓傳輸比等方面。傳統空間矢量調制在線性區域電壓傳輸比最大為0.866，在滿磁調速時，電壓傳輸比低會導致調速范圍低，電動機帶載能力弱;在弱磁調速時，電動機雖然可工作在額定轉速，但會增加電動機損耗。因此，提高電壓傳輸比成為很多專家學者研究的一個課題。

傳統變頻器空間矢量調制與矩陣變換器存在一種等價關系，使得在傳統變頻器中獲得的基于空間矢量調制的策略均適用于矩陣變換器間接空間矢量調制，文獻［10-12］將傳統基于雙模模式下的空間矢量過調制用于矩陣變換器過調制中，有效提高了電壓傳輸比，但該方法需要較大的存儲空間，計算量大且輸出電壓諧波含量高。文獻［13］同樣采用雙模過調制模式，將矩陣變換器電壓調制比提高到1，同時對輸出電壓諧波特性進行了分析。文獻［14］將雙模過調制模式用于雙級矩陣變換器，并進行了仿真研究和實驗分析。文獻［15］對直接空間矢量過調制方法進行了分析，指出通過放棄使用零矢量和校正參考輸出電壓矢量角度可提高電壓傳輸比，同時對輸入電流進行了分析，但該方法存在輸出電壓諧波含量高且運算量大的缺點。文獻［16］利用圓形矢量和基本矢量，提出一種基于電壓基波幅值線性化過調制計算方法，有效提高了輸出電壓傳輸比，且易于數字化實現，但輸出電壓諧波含量偏高。文獻［17］對矩陣變換器驅動電動機過調制區域轉矩紋波產生的原因及特性進行了分析，并提出采用BF(beat-free)控制進行抑制，獲得了較好的效果。文獻［18］將過調制區域分為兩部分，針對不同區域采用不同的矢量組合，提出基于多軌跡矢量加權的過調制方法，相比于傳統的單模和雙模過調制策略，該方法原理簡單，易于數字化實現，輸出電壓諧波含量低，但六邊形矢量和基本矢量存在選取不盡合理的問題。以上文獻基本都是從間接空間矢量逆變級過調制方法入手來提高電壓傳輸比，但當輸入電流沿六邊形矢量旋轉時，此時實際輸出電壓與期望輸出電壓之間誤差較大，且輸入電流諧波含量高，很少有文獻從整流級和逆變級對矩陣變換器間接空間矢量過調制方法協調設計，即將電壓傳輸比、輸入電流和輸出電壓諧波同時進行考慮。本文首先對矩陣變換器拓撲結構及間接空間矢量調制原理進行了介紹;其次，對基于多軌跡矢量加權過調制(在本文此后將其稱為傳統過調制策略)的基本原理進行了分析，對六邊形矢量和基本矢量對輸出電壓基波幅值和輸出電壓諧波含量的影響進行了探討;再次，從整流級和逆變級入手，對其調制策略同時進行了改進，提出一種新的基于間接空間矢量調制的過調制策略;最后，對改進前后的過調制策略對矩陣變換器輸入和輸出性能的影響進行了仿真研究與實驗驗證。

1矩陣變換器拓撲結構及間接空間矢量調制原理

1.1矩陣變換器基本結構圖1為三相輸入-三相輸出直接型矩陣變換器結構，由輸入濾波器、雙向流動的開關管和鉗位電路組成。輸入濾波器用于濾除高頻諧波，鉗位電路用于防止電壓突變對系統造成沖擊，雙向開關管用于合成期望的輸出電壓和輸入電流。1.2間接空間矢量調制原理間接空間矢量是將矩陣變換器等價于一交-直-交結構，輸入側為整流，輸出側為逆變，其等效的結構如圖2所示。圖中Sjk為開關矩陣變量，j∈{a，b，c，A，B，C}，k∈{p，n}。在此基礎上對虛擬整流部分和虛擬逆變部分分別進行空間矢量調制。圖3為輸入電流扇區劃分，用于合成虛擬直流電壓。由圖可知，輸入電流由6個扇區組成，針對輸入電流矢量位于不同扇區時，采用不同的基本矢量Ix組合來進行合成，x為扇區1～6。Isin和Ihex分別為最大內切圓矢量和六邊形矢量。圖4為輸出電壓扇區劃分，由6個扇區組成，針對輸出電壓矢量位于不同扇區，采用不同的基本矢量Ux組合來進行合成，x為扇區1～6。Usin和Uhex為最大內切圓矢量和六邊形矢量。

2傳統過調制策略原理及六邊形矢量和基本矢量對其過調制性能的影響

2.1傳統過調制原理［18］在整流級，即輸入側，輸入電流矢量沿六邊形旋轉。

2.2六邊形矢量對過調制性能的影響由式(4)可知，此時輸出電壓基波幅值為圖5為輸出電壓諧波含量隨變量k的變化曲線。由圖可知，隨著k的增加，輸出電壓諧波畸變率同樣會逐漸增大。由式(7)可知，隨著k的增加，輸出電壓基波幅值會逐漸增大。由此可進一步得出在由圓形矢量和六邊形矢量合成的參考電壓矢量中，增大圓形矢量在參考電壓矢量中的權重(1－k)，即減小k，輸出電壓基波幅值和諧波含量將會減小。圓形矢量的輸出電壓基波有效值和輸出電壓有效值相等，使得圓形矢量對輸出電壓諧波含量的貢獻為零，而其只對輸出電壓基波幅值有影響。同理，可以對基本矢量對輸出電壓基波幅值和輸出電壓諧波畸變率的影響進行分析，其與六邊形矢量對輸出電壓性能影響結果一致，這里不再詳細論述。

3一種新的矩陣變換器間接空間矢量過調制方法

3.1整流級改進調制原理將輸入電流矢量分為兩部分，一部分由圓形矢量合成，另一部分由六邊形矢量合成。當M=0.866時，參考電流矢量不需要使用六邊形矢量，而當M=1時，參考電流矢量必須沿六邊形矢量旋轉，這里將六邊形矢量在參考電流矢量中的權重簡單的線性化設計。

3.2逆變級改進過調制原理逆變級同樣將過調制分為兩個區域:過調制區域Ⅰ(0.866＜M≤0.909)和過調制區域Ⅱ(0.909＜M≤1)。綜上所述，與傳統多軌跡矢量加權過調制方法相比，本文所提過調制方法在整流級和逆變級同時對參考電流矢量和參考電壓矢量的矢量組成及權重進行了設計，在保證輸出電壓跟蹤期望電壓的前提下，盡可能減小六邊形矢量和基本矢量在參考矢量中的權重，由2.2節分析可知，輸出電壓和輸入電流諧波含量將會有效降低。

4仿真研究與實驗驗證

下面將針對傳統過調制策略(整流級輸入電流矢量沿六邊形旋轉，逆變級采用傳統多軌跡矢量加權策略)、逆變級改進過調制策略(整流級輸入電流矢量仍然沿六邊形旋轉，逆變級采用3.2節改進過調制策略)和整流級與逆變級同時改進過調制策略(整流級采用3.1節調制方法，逆變級采用3.2節改進過調制策略)之間的過調制性能進行對比研究。

4.1仿真研究利用Matlab軟件搭建了直接型矩陣變換器的仿真模型，參數設置見表1。圖6～圖8分別為3種不同過調制策略下輸出電壓基波幅值、輸出相電流以及輸入相電流與調制比之間的關系。其中，輸出線電壓諧波畸變率為輸出線電壓經一截止頻率160Hz低通濾波器后得到。由圖6可知，采用本文所提過調制策略時，輸出電壓與參考電壓之間的誤差最小，這是由于在輸入級減小了六邊形矢量的使用，而在逆變級在不同扇區減小了六邊形矢量和基本矢量，只對逆變級進行改進時輸出電壓與參考電壓誤差有所減小。說明減小六邊形矢量和基本矢量的作用時間，可減小輸出電壓基波幅值。由圖7、圖8可看出，相比于傳統過調制策略，只對逆變級進行改進時，輸出相電流諧波含量有所減小，而輸入相電流諧波在低調制比時明顯減小，在高調制比時兩者輸入相電流諧波含量相差不大;在對整流級和逆變級同時進行改進時，輸出相電流諧波略微減小，而輸入相電流諧波含量減小顯著，說明對整流級進行改進，可有效降低輸入電流諧波含量。仿真結果與理論分析一致，表明本文所提新的基于間接空間矢量調制的過調制策略是正確可行的。

4.2實驗驗證在實驗室搭建一基于DSP+FPGA的5kW矩陣變換器樣機進行實驗驗證，如圖9所示。實驗參數與仿真參數一致。圖10、圖11是調制比分別為0.88和0.92時采用傳統過調制策略(策略一)、逆變級改進過調制策略(策略二)和本文所提整流級和逆變級同時改進過調制策略(策略三)下輸出線電壓、相電流和輸入相電流波形。表2為調制比分別為0.88和0.92時采用3種過調制策略輸出電壓誤差、輸入和輸出電流諧波畸變率實驗結果。由圖10和圖11也可看出，相比于傳統過調制策略，只對逆變級進行改進時，輸出和輸入電流波形質量在低調制比時有所提高，但高調制比變化不大。而采用本文所提整流級和逆變級同時改進過調制策略時，輸出電流和輸入電流波形質量明顯提高，特別是在過調制區域Ⅰ。由表2可知，所提整流級和逆變級同時改進過調制策略具有最小的輸出電壓與參考電壓誤差。實驗結果與理論分析和仿真結果一致，證明理論分析是正確的和本文所提過調制策略是切實可行的。

5結論

針對傳統過調制策略輸出電壓與參考電壓誤差大和輸入電流諧波含量高的缺點，利用間接空間矢量調制特點，提出了逆變級改進和整流級與逆變級同時改進的兩種過調制策略。仿真結果表明，本文所提整流級和逆變級同時改進過調制方法具有最小的輸出電壓誤差和輸入相電流諧波含量，實驗結果證明理論分析是正確的和本文所提過調制方法是可行的。

作者：夏益輝 喬鳴忠 張曉鋒 魏永清 單位：海軍工程大學電氣工程學院