熊劍，胡彥奎，王紅紅，李乾宇

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州 730070）

混合式雙級矩陣變換器的簡化調制方法

熊劍，胡彥奎，王紅紅，李乾宇

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州 730070）

為了解決混合式雙級矩陣變換器（混合式TSMC）直流側電壓波動較大，以及控制策略復雜的問題，為此對整流級提出一種簡化的脈寬調制方法（PWM），該方法占空比計算簡單，而且能使整流級在一個開關周期內(nèi)輸出直流電壓為常數(shù)，便于逆變級應用SVPWM方法調制，綜合了常規(guī)算法的優(yōu)點。最后在Matlab/Simull-ink中進行了建模和仿真，驗證了新調制方法的正確性。

混合式雙級矩陣變換器；整流級；脈寬調制；占空比；調制方法

1 引言

矩陣變換器作為一種交-交變換器，有優(yōu)于傳統(tǒng)電力變換器的優(yōu)點。其輸出電壓、頻率可調；輸入功率因數(shù)接近1；具有無中間儲能環(huán)節(jié)，體積小，結構緊湊；能量實現(xiàn)雙向流動等優(yōu)點，因此矩陣變換器在交流傳動系統(tǒng)中具有一定的應用價值。雙級矩陣變換器不僅與矩陣變換器有相同的性能，而且開關器件較少，換流簡單，但其控制策略復雜，限制了矩陣變換器在實際工業(yè)中的應用［1-2］。

混合式TSMC以雙級矩陣變換器為基礎的新型拓撲結構的矩陣變換器。具有雙級矩陣變換器優(yōu)點的同時，還在直流環(huán)節(jié)串了一個由H橋控制電容充放電的電路來調節(jié)直流電壓，有更高的電壓傳輸比，能抑制輸入電壓不平衡和負載擾動。是目前非常具有潛力的一種新型矩陣變換器。

混合式TSMC的拓撲分為3個部分。前端是整流級、中間是H橋、最后輸出為逆變級。其調制方法也是由以上3個部分的調制方法組合構成。當前，整流級的調制方法有兩種：一是脈寬調制，二是空間矢量脈寬調制。H橋控制相對簡單，只有兩種開關狀態(tài)，這里不作陳述。逆變級大多采用SVPWM。如整流級用SVPWM需合成矢量判斷扇區(qū)。需要進行坐標變換，并且占空比的計算中含有三角函數(shù)，計算相當復雜。文獻［3-4］應用的PWM方法中占空比計算精簡，但中間平均直流電壓是變化的。為了跟隨這變化的平均直流電壓，需要對逆變級的調制比進行實時更正。為了讓混合式TSMC控制簡單，便于工業(yè)應用。本文提出一種新的精簡調制方法應用于前端整理部分。此方法占空比算法簡單，計算量少，并能使整流級在一個開關周期內(nèi)輸出直流電壓為常數(shù)，便于逆變級應用SVPWM方法調制，綜合了常規(guī)算法的優(yōu)點［5］。

2 整流級的新型精簡調制方法

混合式TSMC的拓撲結構如圖1所示。ia，ib，ic，ua，ub，uc為三相輸入電流和電壓；Sxp，Sxn分別是整流級上下橋臂的雙向開關；Syp，Syn分別是逆變級上下橋臂的雙向開關；iu，iv，iw為三相輸出電流；L1，C1分別為輸入濾波器的電容和電感；L2，C2為三相負載，udc為直流電壓。

圖1 混合式TSMC的拓撲Fig.1 The topology structure of hybrid TSMC

整流側的調制目的有兩點：一是在一個開關周期內(nèi)，輸出電壓平均值為常值，并獲得最大的電壓利用率；二是使輸入電流跟隨輸入電壓按正弦規(guī)律變化，使輸入側功率因數(shù)為1。

式中：Uim為電壓的幅值；ωi為輸入角頻率。

將輸入相電壓一個周期分成6個區(qū)間，任意區(qū)間的兩相相電壓值極性相同，且第3相電壓極性相反絕對值最大，如圖2所示。

圖2 三相輸入電壓波形及扇區(qū)劃分Fig.2 Three-phase input voltage waveforms and vectors demarcation

目的1：使輸出直流電壓udc盡可能的大，以及更高的電壓利用率，則需要在一個周期內(nèi)，用幅值差較大的線電壓來合成udc。目的2：要使udc在每一個開關周期的平均值為常數(shù)，這時需要用零電壓（uaa，ubb，ucc）來調整平均直流電壓。為達到上述目的，在此將每個開關周期分為3段。由圖2可知，在區(qū)間1內(nèi)，幅值差較大的2個線電壓，即ua-ub，ua-uc，則在一個開關周期的第1階段udc=uab；第2階段udc=uac；第3階段udc=uaa=0。同理可得其余5個區(qū)間的開關狀態(tài)，如表1所示。

表1 整流級開關狀態(tài)Tab.1 Switching states of rectifier

在采樣頻率遠遠高于工頻時，線電壓在這個高頻周期內(nèi)可看作一個定值，這個定值可以用采樣點的值來代替。假定在第1區(qū)間時，Udc為整流側輸出最大平均直流電壓。則有：

式中：d1，d2，d0，t1，t2，t0分別為3個階段的占空比和持續(xù)時間；Ts為開關周期。

由于要使輸入側功率因數(shù)為1，則每相的輸入電壓和電流同相位。所以有：

由式（2）～式（4）求解得：

由于3個占空比的值均大于等于零，則由式（2）的第4式變形得：

由式（1）、式（5）、式（6）聯(lián)立解得：

因為假定在第1區(qū)間，則有-π/6≤ωit≤π/6，代入式（7）得Udc≤1.5Uim，則Udc(max)＝1.5Uim，將Udc(max)代入式（5）可求得占空比的表達式為

依此類推，可以求得其余5個區(qū)間時占空比的表達式。

此方法在判斷電壓分區(qū)，可以由三相電壓瞬時值的正負來判斷。在占空比的計算方面，占空比等于相應的相電壓測量值與Uim相除。綜上所述，新的精簡調制方法計算簡單，并且在一個開關周期內(nèi)合成的平均直流電壓值為常數(shù)，有利于SVPWM調制方法在逆變級中的應用［6］。

3 H橋變換器調制策略

圖3為H橋拓撲。它的開關組合狀態(tài)為［SL1SˉL1SL2SˉL2］，1 表示開通，0 表示關斷。通過控制H橋變換器，把電容當作可控電壓源。當整流級輸出的局部平均電壓值小于逆變級輸入電壓參考值時，開關組合為［0 1 1 0］，此時H橋變換器的輸出電壓和整流級輸出電壓極性相同，電容和電網(wǎng)一起給負載供電，電容電壓下降，提高了逆變級的輸入電壓；相反，當開關組合為［1 0 0 1］，整流側輸出電壓與H橋變換器輸出電壓極性相反，電容吸收能量，逆變側的輸入電壓降低。

圖3 H橋變換器拓撲Fig.3 The topology of H-bridge converter

4 逆變級調制策略

圖4 空間矢量合成圖Fig.4 Composition graph of space vector

由空間矢量調制原則以及正弦定理求得各矢量的作用時間：

即得到：

式中：m為調制系數(shù)；Ts為采樣周期；Tα，Tβ，T0為Uα，Uβ，U0在一個采樣周期中的作用時間；dα，dβ，d0為占空比。

SVPWM與傳統(tǒng)的正弦脈寬調制（SPWM）相比不僅提高了直流電壓利用率和動態(tài)響應速度，還降低了輸出波形中所含的諧波量，并且便于數(shù)字化實現(xiàn)［10］。

5 仿真分析

論文所用仿真軟件為Matlab7.1/Simulink，PWM周期為0.01 ms，其中混合式TSMC的雙向開關用理想功率開關器件代替。輸入LC濾波器L=5.5e-3 H，C=60e-6 F，負載（阻感性）R=5 Ω，L=5e-3 H。輸出LC濾波器L=1 mH，C=5e-5 F。

圖5為整流級輸入側a相電壓、電流波形。都為正弦波，由于濾波器的關系，輸入電流的相位略超前輸入電壓。

圖6為整流側輸出直流電壓波形，脈動的直流電壓，幅值在220～380 V之間，與理論值吻合。

圖5 整流級輸入側a相電壓、電流Fig.5 a-phase voltage and current of rectifier input

圖6 整流級輸出直流電壓Fig.6 The DC voltage of rectifier output

圖7為逆變級輸出側的電流以及電壓波形。電流波形為正弦波，電壓波形為PWM波形。它的頻率以及相位與逆變側給定的調制信號相對應。由于負載為阻感性負載，因此其電壓相位略超前于電流相位，和預想情況一樣。

圖7 逆變級輸出電壓、電流Fig.7 Voltage and current of inverter input

圖8和圖9分別為濾波前和濾波后的三相輸出線電壓。圖8中三相輸出線電壓波形基本為PWM波，該PWM波的頻率和相位與給定的調制信號是相同的，但存在一定的諧波；圖9為濾波后的電壓波形，成正弦規(guī)律變換，符合負載要求。

圖8 未加濾波器的三相輸出線電壓Fig.8 Without a filter of three-phase output line voltage

圖9 加濾波器后的三相輸出線電壓Fig.9 With a filter of three-phase output line voltage

6 結論

本文針對混合式TSMC控制策略復雜及直流電壓波動問題。對整流級提出了一種新的簡化調制方法，其算法簡單，計算量少，而且能使整流級在一個開關周期內(nèi)輸出直流電壓為常數(shù)，便于逆變級應用SVPWM方法調制，綜合了常規(guī)算法的優(yōu)點。推導出了完整的占空比計算公式。并且應用Matlab7.1/Simulink對其進行了仿真，仿真結果驗證了理論分析的正確性。

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修改稿日期：2013-10-17

Simplified Modulation Method for Hybrid Two-stage Matrix Converter

XIONG Jian，HU Yan-kui，WANG Hong-hong，LI Qian-yu
（School of Automution&Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou730070，Gansu，China）

In order to solve the problem of complex control strategies and high voltage fluctuations of DC bus of hybrid TSMC ，for which a simplified method of pulse width modulation（PWM）was proposed in the rectifier stage.This method can simplify the calculation of duty and can make the rectifier stage to output direct voltage with constant average value in every switching cycle，and the SVPWM modulation method is convenient to be used in level inverter stage，so it contains the advantage of the conventional method.Finally，modeling and simulation was carried out in Matlab/Simullink to verify the correctness of the new modulation method.

hybrid two-stage matrix converter；rectifier stage；pulse width modulation（PWM）；duty cycle；modulation method

TM46

A

熊劍（1988-），男，在讀碩士研究生，Email：524566800@qq.com

2013-08-15