宋衛(wèi)章， 邢飛雄， 賀瑾， 鐘彥儒， 汪春華， 汪麗娟

(1.西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西西安710048;2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049;3.西安航空學(xué)院 電氣學(xué)院，陜西西安710077)

0 引言

雙級(jí)矩陣變換器(two－stage matrix converter，TSMC)作為一種新型綠色電力電子變換器，不僅具有常規(guī)矩陣變換器(conventional matrix converter，CMC)許多優(yōu)點(diǎn)［1－4］，而且克服了常規(guī)矩陣變換器存在的控制策略復(fù)雜、箝位電路龐大等不足［5－7］成為目前最具有發(fā)展?jié)摿Φ碾娏ψ儞Q器。

矩陣變換器采用雙向開關(guān)，工作時(shí)必須同時(shí)滿足輸入側(cè)不能短路和輸出側(cè)不能開路兩個(gè)約束條件，需特殊換流模式［4－8］。N.Burany 提出了四步換流策略［8］，通過檢測(cè)輸出電流的方向?qū)崿F(xiàn)雙向開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，從理論上解決了換流問題。M.Ziegler等人提出了半自然兩步換流策略［9］，通過檢測(cè)輸入側(cè)電壓進(jìn)行判斷，但沒有解決輸入兩相電壓相近處換流失敗的問題。L.Empringham提出了通過檢測(cè)開關(guān)管壓降進(jìn)行輸出電流方向檢測(cè)的電流型兩步換流法［10］，提高換流可能性，但增加了成本。文獻(xiàn)［11－12］則是對(duì)兩步電壓換流策略研究的進(jìn)一步延伸。

針對(duì)TSMC，文獻(xiàn)［13］提出了需整流級(jí)和逆變級(jí)同時(shí)協(xié)調(diào)的零電流換流策略，由于整流級(jí)是高頻調(diào)制，整流級(jí)開關(guān)切換點(diǎn)全部利用零電流換流實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要時(shí)刻追蹤整流級(jí)開關(guān)切換點(diǎn)，具體實(shí)現(xiàn)為:逆變級(jí)載波波峰或波谷對(duì)應(yīng)零矢量，于是利用逆變級(jí)載波峰值點(diǎn)時(shí)刻追蹤整流級(jí)開關(guān)切換點(diǎn)，逆變級(jí)輸出零電壓矢量，迫使直流側(cè)輸出開路時(shí)，直流側(cè)電流近似為零，此時(shí)整流級(jí)開關(guān)在零電流狀態(tài)下切換從而實(shí)現(xiàn)窄脈沖零電流換流，這就需要逆變級(jí)產(chǎn)生一個(gè)峰值時(shí)刻跟蹤整流級(jí)開關(guān)切換點(diǎn)的變化三角載波［2，13］，該三角波峰值點(diǎn)時(shí)刻變化，為一動(dòng)態(tài)波形，非規(guī)則動(dòng)態(tài)三角載波給工程實(shí)現(xiàn)帶來了較大困難。同時(shí)由于逆變級(jí)零矢量寬度有限，整流級(jí)寬脈沖處逆變級(jí)零矢量追蹤覆蓋存在較大困難，寬脈沖處零電流換流失效［11－13］。

為此，本文提出一種混合式換流方案，將脈沖分為寬窄脈沖，寬脈沖采用四步換流，窄脈沖處采用零電流換流。TSMC采用傳統(tǒng)X型6扇區(qū)劃分，電壓型四步換流策略較難實(shí)現(xiàn)，將6扇區(qū)細(xì)分為12扇區(qū)，同時(shí)解決扇區(qū)切換處誤換流問題。針對(duì)零電流換流協(xié)調(diào)下載波不規(guī)則問題，提供了一種依據(jù)整流級(jí)開關(guān)占空比調(diào)整逆變級(jí)信號(hào)波的簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)方法，上述措施有效解決了換流失效的問題，消除了過電流/電壓尖峰，提高了系統(tǒng)可靠性。

1 TSMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及調(diào)制策略

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

TSMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由整流級(jí)和逆變級(jí)組成，整流級(jí)可視為電流型整流器［6－7］，逆變級(jí)可視為電壓型逆變器。

圖1 TSMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The topology of TSMC

1.2 調(diào)制策略

無零矢量空間矢量調(diào)制策略是TSMC目前普遍采用的一種調(diào)制策略。為了獲得較高直流電壓的同時(shí)確保優(yōu)良的網(wǎng)側(cè)性能，將一個(gè)周期中三相輸入電壓分成X型的6個(gè)扇區(qū)［7］，如圖2所示。

圖2 6扇區(qū)的劃分Fig.2 6 sectors

每個(gè)扇區(qū)中，一相電壓絕對(duì)值最大，另兩相電壓極性相反，絕對(duì)值最大相對(duì)應(yīng)開關(guān)處于恒導(dǎo)通狀態(tài);另兩相的開關(guān)處于調(diào)制狀態(tài)。各區(qū)間開關(guān)狀態(tài)如表1所示。

表1 6扇區(qū)開關(guān)狀態(tài)Table 1 Switching state of 6 intervals

TSMC逆變級(jí)與傳統(tǒng)逆變器一樣，故采用性能優(yōu)良的電壓型空間矢量調(diào)制策略(SVPWM)［7］。

2 混合換流法

在每個(gè)扇區(qū)與相鄰扇區(qū)切換的區(qū)域，調(diào)制生成的PWM脈沖較窄，脈沖寬度小于最小換流時(shí)間，于是不能提供足夠的時(shí)間完成四步換流［11－12］，四步換流失效，如圖3所示，窄脈沖處換流失敗則會(huì)導(dǎo)致任兩相直通，從而損壞功率開關(guān)，目前已有的解決措施多是將窄脈沖吃掉不換流［13－14］，如圖4所示，這會(huì)直接導(dǎo)致輸出波形質(zhì)量變差。

圖3 PWM的窄脈沖圖Fig.3 Narrow-pulse

圖4 PWM窄脈沖消除Fig.4 adjust Narrow-pulse region

2.1 窄脈沖判斷

每一步換流時(shí)間為T，四步換流所需時(shí)間為4T，在計(jì)算所得的右半個(gè)開關(guān)周期Ts指令波形中，判斷左右兩個(gè)矢量作用時(shí)間，脈沖寬度小于4T的脈沖為窄脈沖，如圖5所示，例如:如果t1＜4T，則該相在開關(guān)周期中間存在一個(gè)0→1→0的窄脈沖。

圖5 窄脈沖的判斷Fig.5 Judgment of narrow pulse

2.2 混合換流

TSMC整流級(jí)窄脈沖較窄較難實(shí)現(xiàn)四步換流，但零電流換流策略下逆變級(jí)零矢量作用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，卻很容易追蹤和覆蓋整流級(jí)窄脈沖，故零電流換流能較好解決窄脈沖換流問題。同時(shí)由于逆變級(jí)零矢量寬度有限，整流級(jí)寬脈沖處逆變級(jí)零矢量追蹤覆蓋較困難，零電流換流寬脈沖處失效。

為了實(shí)現(xiàn)TSMC各種脈沖(寬、窄脈沖)可靠換流，采用一種混合式換流方案，如圖6所示:當(dāng)t1＞4T，即寬脈沖采用四步換流策略，四步換流步驟如圖中所示，t1≤4T，窄脈沖采用零電流協(xié)調(diào)換流。

圖6 混合換流方案Fig.6 Map of hybrid commutation

3 寬脈沖換流

3.1 扇區(qū)細(xì)分

四步換流是一種針對(duì)傳統(tǒng)矩陣變換器的換流策略，而TSMC整流級(jí)采用的是一種無零矢量空間矢量調(diào)制策略，不同于傳統(tǒng)矩陣變換器虛擬整流級(jí)所用的電流型空間矢量調(diào)制策略，傳統(tǒng)X型6扇區(qū)下電壓型四步換流(如圖2所示)在TSMC整流級(jí)中較難實(shí)現(xiàn):同一扇區(qū)中相同極性的兩相電壓在陰影區(qū)域兩側(cè)的相對(duì)大小不同，根據(jù)電壓型換流的原則，該陰影區(qū)域兩側(cè)四步換流順序不同［11］，即換流時(shí)序不同，傳統(tǒng)X型6扇區(qū)劃分無法滿足該陰影區(qū)域兩側(cè)不同換流時(shí)序的要求。

為了確保TSMC整流級(jí)雙向開關(guān)較好實(shí)現(xiàn)四步換流，將一個(gè)扇區(qū)細(xì)分為2個(gè)扇區(qū)，傳統(tǒng)X型6扇區(qū)細(xì)分為12扇區(qū)，如圖7所示。

圖7 12扇區(qū)劃分Fig.7 12 sectors

細(xì)分后12扇區(qū)中，第1(細(xì)分后扇區(qū)號(hào)被重新分配)扇區(qū)和第2扇區(qū)以u(píng)a=uc為界，第1扇區(qū)ua＜uc，第2扇區(qū)為ua＞uc，以第1扇區(qū)和第2扇區(qū)為例對(duì)扇區(qū)細(xì)分后TSMC整流級(jí)雙向開關(guān)四步換流策略進(jìn)行分析。

3.2 扇區(qū)細(xì)分下整流級(jí)寬脈沖處四步換流

第1扇區(qū)

從a相上橋臂換流到c相上橋臂，第一步開通Sc1;第二步關(guān)斷Sa1;第三步開通Sc2;第四步關(guān)斷Sa2。再換回到a相上橋臂，第一步開通 Sa2;第二步關(guān)斷Sc2;第三步開通Sa1;第四步關(guān)斷Sc1。

第2扇區(qū)

從a相上橋臂換流到c相上橋臂，第一步開通Sc2;第二步關(guān)斷Sa2;第三步開通Sc1;第四步關(guān)斷Sa1。再換回到a相上橋臂，第一步開通 Sa1;第二步關(guān)斷Sc1;第三步開通Sa2;第四步關(guān)斷Sc2。兩扇區(qū)下的開關(guān)狀態(tài)如圖8所示。

圖8 12扇區(qū)下的四步換流示意圖Fig.8 Four-step commutation strategy under 12 sectors

圖中1表示開通，0表示關(guān)斷;六個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)的開關(guān)分別為 Sa1，Sa2，Sb1，Sb2，Sc1，Sc2。矩形框表示穩(wěn)態(tài)，橢圓形框表示換流。

在電壓型四步換流策略中，由于電壓檢測(cè)元件與檢測(cè)電路的延時(shí)和檢測(cè)信號(hào)的誤差，在每個(gè)扇區(qū)切換區(qū)域，極性相同兩相電壓在相等時(shí)刻附近(如圖2、圖7中陰影區(qū)域)較難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測(cè)，易造成誤換流［11－12］，如圖9 所示。

圖9 扇區(qū)切換處的PWMFig.9 PWM under sector change region

針對(duì)陰影區(qū)域誤換流問題，采用多種措施聯(lián)合解決，首先通過比較電路將電壓信號(hào)變成帶相位信息或相對(duì)大小信息的12扇區(qū)方波信號(hào)，如圖10所示，12扇區(qū)的采用一定程度上解決了陰影區(qū)域幅值相近兩相電壓的大小判斷問題，其次對(duì)12扇區(qū)信號(hào)的上升沿和下降沿進(jìn)行多次采樣和比對(duì)，多次比對(duì)結(jié)果如相吻合則換流，否則不換流，即在陰影區(qū)域無脈沖切換:一相導(dǎo)通，另一相關(guān)斷，如圖10所示，從而解決陰影區(qū)域誤換流問題，提高系統(tǒng)可靠性。

圖10 扇區(qū)切換處的PWM調(diào)整Fig.10 PWM adjustment under sector change region

4 窄脈沖換流及易實(shí)現(xiàn)方案

窄脈沖處的零電流換流需要逆變級(jí)零矢量時(shí)刻追蹤整流級(jí)窄脈沖開關(guān)切換點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)零電流換流。逆變級(jí)載波波峰或波谷對(duì)應(yīng)零矢量，于是利用逆變級(jí)載波峰值點(diǎn)時(shí)刻追蹤整流級(jí)開關(guān)切換點(diǎn)，逆變級(jí)輸出零電壓矢量，迫使直流側(cè)輸出開路時(shí)，直流側(cè)電流近似為零，整流級(jí)開關(guān)在零電流狀態(tài)下切換從而實(shí)現(xiàn)窄脈沖零電流換流，窄脈沖處整流級(jí)與逆變級(jí)協(xié)調(diào)換流示意圖如圖11所示，圖中上面是整流級(jí)的調(diào)制原理和開關(guān) Sb3，Sb4，Sc3，Sc4波形，下面是協(xié)調(diào)前后的三角載波波形和協(xié)調(diào)后的逆變級(jí)開關(guān)波形。

上述零電流換流中逆變級(jí)載波峰值點(diǎn)時(shí)刻追蹤整流級(jí)開關(guān)切換點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致三角載波為非規(guī)則波形，如圖12所示，該三角波峰值點(diǎn)時(shí)刻變化，為一動(dòng)態(tài)波形，非規(guī)則動(dòng)態(tài)三角載波給工程實(shí)現(xiàn)帶來了較大困難。于是本文提出一種改進(jìn)的易實(shí)現(xiàn)方案:逆變級(jí)載波峰值點(diǎn)會(huì)隨整流級(jí)開關(guān)占空比(第一扇區(qū)占空比為:dab和dac，且dab+dac=1)大小變化，于是可產(chǎn)生斜率為1/Ts(Ts為開關(guān)周期)和－1/Ts的規(guī)則鋸齒載波，將逆變級(jí)信號(hào)波由mxp調(diào)整成dabmxp和(1－dab)mxp=dacmxp兩段，分別與上述規(guī)則鋸齒載波比較，便可生成零矢量時(shí)刻追蹤整流級(jí)開關(guān)切換點(diǎn)的逆變級(jí)開關(guān)信號(hào)，如圖12所示。由于dabmxp+(1－dab)mxp=mxp，逆變級(jí)的零矢量時(shí)刻在變化，但逆變級(jí)的有效矢量作用時(shí)間卻始終不變，于是上述方法在確保不影響輸出波形質(zhì)量的前提下，能有效解決零電流協(xié)調(diào)換流較難實(shí)現(xiàn)的難題。

圖11 TSMC協(xié)調(diào)零電流換流示意圖Fig.11 Relation position between rectifier and inverter reference vector

圖12 信號(hào)波調(diào)整后的零電流換流示意圖Fig.12 Achievement map of zero current commutation

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提方法的正確性和可行性，制作了一臺(tái)雙級(jí)矩陣變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:輸入相電壓100 V，輸入濾波器:L=1.4 mH，C=30 μF，輸出設(shè)定頻率25 Hz，開關(guān)頻率5 kHz，換流時(shí)間1.2 μs，TMS320F2812 DSP+EPM240T CPLD 控制器，1.1 kW鼠籠異步交流電機(jī)負(fù)載。

圖13為扇區(qū)細(xì)分前扇區(qū)1下PWM波和6扇區(qū)細(xì)分為12扇區(qū)時(shí)的扇區(qū)波形，圖中PWM波形中的寬脈沖為6扇區(qū)下陰影區(qū)域扇區(qū)脈沖誤分配所致。

圖13 扇區(qū)細(xì)分與同步優(yōu)化Fig.13 Subdividing and synchronous optimization for sector

圖14為12扇區(qū)下的第1扇區(qū)和第2扇區(qū)寬脈沖四步換流波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合，從而驗(yàn)證了扇區(qū)細(xì)分下寬脈沖處四步換流策略的有效性。

圖14 四步換流開關(guān)時(shí)序圖Fig.14 Switch relation for four-step commutation

圖15 (a)為僅采用四步換流方案時(shí)的輸入濾波前電流波形，由于窄脈沖下四步換流無法實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)較高過電流尖峰;圖15(b)為僅采用零電流換流策略時(shí)的輸入濾波前電流波形，由于逆變級(jí)零矢量寬度有限，不能完全追蹤覆蓋整流級(jí)寬脈沖切換點(diǎn)，仍然存在換流失敗情況，導(dǎo)致較高過電流尖峰;圖15(c)為混合換流下的輸入濾波前電流波形，由波形對(duì)比知，輸入濾波前電流無過電流尖峰，較好解決了寬、窄脈沖處換流失敗的問題，從而驗(yàn)證了文中混合式換流方案的可行性。

圖15 換流波形對(duì)比Fig.15 Comparison for commutation

圖16 輸入相電壓和濾波后相電流波形Fig.16 Input phase voltage and current with filtered

圖16為混合換流下輸入相電壓和濾波后的輸入相電流波形。由波形知輸入電流為諧波含量較少的正弦波，且具有相對(duì)較高功率因數(shù)，因?yàn)檩斎霝V波電容的原因，輸入電流相位稍超前電壓，從而表明文中方案在提高系統(tǒng)換流可靠性的同時(shí)對(duì)輸入性能無影響。

圖17為采用文中混合換流方案后拖動(dòng)電機(jī)負(fù)載，輸出頻率設(shè)定為25 Hz時(shí)，輸出線電壓和相電流波形。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果知輸出電流正弦度均較好，諧波含量較少，從而驗(yàn)證了采用文中混合換流方案后的系統(tǒng)仍具有優(yōu)良的傳動(dòng)性能。

圖17 輸出線電壓和相電流波形Fig.17 Output phase to phase voltage and phase current

6 結(jié)語

本文提出了一種適用于TSMC整流級(jí)的混合式換流方案，寬脈沖采用四步換流，窄脈沖采用零電流協(xié)調(diào)換流，并設(shè)計(jì)了一種依據(jù)整流級(jí)開關(guān)占空比調(diào)整逆變級(jí)信號(hào)波的簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)方法，解決了零電流換流協(xié)調(diào)導(dǎo)致的逆變級(jí)載波動(dòng)態(tài)不規(guī)則，較難實(shí)現(xiàn)的難題。在樣機(jī)上對(duì)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，上述方案的采用在確保系統(tǒng)具有優(yōu)良網(wǎng)側(cè)性能和輸出傳動(dòng)性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了安全可靠換流，有效消除了由換流失敗導(dǎo)致的過電流/電壓尖峰，提高了系統(tǒng)可靠性，為TSMC進(jìn)一步工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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