張　勇,潘　宏

(1.瀘州醫(yī)學院,四川 瀘州 646000;2.電子科學技術大學,成都 610054)

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矩陣式變換器空間矢量過調制策略研究*

張勇1,2*,潘宏1,2

(1.瀘州醫(yī)學院,四川 瀘州 646000;2.電子科學技術大學,成都 610054)

摘要:針對矩陣變換器調制策略電壓傳輸比低的問題,在深入研究矩陣式變換器空間矢量調制策的基礎上,提出了一種通過改變電壓調制系數(shù)提高電壓傳輸比的空間矢量過調制策略。根據(jù)電壓矢量軌跡與空間矢量六邊形位置的關系,將電壓空間矢量調制區(qū)域分為線性調制區(qū)和過調制區(qū),通過改變電壓調制系數(shù),從而實現(xiàn)過調制策略。最后建立MATLAB/Simulink仿真,結果表明空間矢量過調制策略可以有效提高電壓傳輸比到0.955。

關鍵詞:空間矢量;過調制;電壓傳輸比;矩陣變換器

隨著微電子技術和電力電子技術的迅猛發(fā)展,各種電能變換器在社會經(jīng)濟發(fā)展[1]中得到了廣泛的應用。矩陣變換器作為交—交直接變換裝置,具有無中間直流儲能,能四象限運行,輸入功率因素可調等優(yōu)點[1,3],受到國內外專家和學者廣泛研究與關注。

由于受控制策略的影響,使矩陣變換器的電壓傳輸比最高為86.6%,電壓傳輸比低制約矩陣變換器發(fā)展[4]。因此,如何提高矩陣變換器的電壓傳輸比已成為一項非常緊迫的任務。本文在分析傳統(tǒng)矩陣變換器控制原理的基礎上,提出了空間矢量過調制策略,通過改變電壓調制系數(shù),使得電壓傳輸比最大可提高到0.955,有效提高了電壓傳輸比。

1　空間矢量調制原理

空間矢量調制是基于空間矢量變換的一種方法,將矩陣變換器等效為一個6開關的整流器和一個6開關的逆變器經(jīng)過中間虛擬的直流環(huán)節(jié)的對接,它將變換器虛擬為一個整流器和一個逆變器經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)串聯(lián),如圖1所示,然后對輸入整流器和輸出逆變器分別進行電壓空間矢量和電流空間矢量調制,再消去中間直流環(huán)節(jié),就可以得到整個變換器的空間矢量調制[5]。

圖1　矩陣變換器虛擬等效示意圖

2　空間矢量過調制策略

定義電壓傳輸比M,即輸出電壓幅值Uo與輸入電壓幅值Ui之比:

(1)

2.1虛擬整流級空間矢量過調制

虛擬整流級空間矢量過調制,就是實現(xiàn)虛擬整流部分交—直變換過調制。其原理是通過改變輸入空間矢量調制比使參考電壓矢量沿空間矢量六邊形旋轉,從而提高電壓傳輸比。為了使輸入功率因素為1,最大限度提高中間直流電壓值,任意時刻、任意空間位置的電流矢量IK只利用相鄰的2個電流矢量Iα,Iβ來合成而不加入零矢量,如圖2所示。

圖2　虛擬整流級過調制原理

2.2虛擬逆變級空間矢量過調制

在矩陣式變換器虛擬逆變級中,見圖1(b),共有6個功率開關,分別從正負母線接到三相輸出。在工作過程中每次各有一種與三相連接的功率開關閉合。6只功率開關管共有8種開關組合,對應狀態(tài)量用V1～V6電壓矢量表示,其余為零矢量[6]。

定義電壓調制系數(shù):

(2)

式中Ur為給定電壓矢量,Udc為直流母線電壓。按照空間矢量調制軌跡與空間矢量六邊形的半徑關系,可將空間矢量調制分為,區(qū)域1線性調制區(qū),電壓矢量六邊形的內切圓內,mv≤1;區(qū)域2過調制Ⅰ區(qū),內切圓與外接圓之間,1

圖3　空間矢量過調制控制區(qū)域

2.2.1線性調制

當電壓空間矢量位于線性調制時,參考電壓矢量位于正六邊形的內切圓內,其軌跡為圓形,對應的線電壓輸出波形為標準正弦波。此時保持參考電壓矢量的幅值和相位角不變,由空間矢量調制原理可知,參考電壓矢量由相鄰2個有效矢量和零矢量合成,從上式可以看出,電壓傳輸比最大為0.866,當參考電壓矢量V*軌跡為正六邊形的內切圓時,線性調制達到最大范圍。

2.2.2過調制模式Ⅰ

當參考電壓矢量超出六邊形,位于區(qū)域2時,矩陣式變換器在過調制I模式,此時參考電壓矢量運行在六邊形區(qū)域內仍然按照線性區(qū)域的方法計算占空比,超出六邊形的部分,必須拉回到六邊形上計算占空比[8-9]。設Vr為給定參考電壓矢量,Vref為任意給定軌跡,α為保持角即Vr與六邊形交點和六邊形頂點間的夾角,如圖4所示。在過調制Ⅰ模式下,a相輸出電壓函數(shù)在(0,Π/2)范圍內可用f1,f2,f3,f4表示。

圖4　過調制模式Ⅰ原理圖

(3)

式中φ=ωt為旋轉角速度,α是空間矢量過調制模式Ⅱ下的變化范圍控制角。利用調制信號的偶對稱性和半波對稱性,可對其四分之一個周期進行傅里葉變換分析。可得過調制模式Ⅰ電壓傳輸比M1與mv的關系式為:

(4)

為了便于分析,令cosφi=1,電流調制系數(shù)mc=1,過調制模式Ⅰ下M1與mv的曲線關系如圖5所示。

從圖5可以看出電壓傳輸比與電壓調制系數(shù)成正關系,隨調制系數(shù)增加不斷增大,當mv為1時,電壓傳輸比最小為0.866;當mv為1.15時,電壓傳輸比達到最大值,最大為0.91。

圖5　過調制模式Ⅰ下電壓傳輸比與電壓調制系數(shù)關系

2.2.3過調制模式Ⅱ

當給定電壓矢量位于區(qū)域3時,矩陣變換器進入過調制模式Ⅱ。在該模式下,實際電壓矢量V1的軌跡必須保持在正六邊形的頂點一段時間,然后在剩余周期內沿著正六邊形邊界移動。

圖6　過調制模式Ⅱ原理圖

在過調制模式Ⅱ下,將實際電壓矢量軌跡按照與正六邊形的位置關系將分為f1,f2,f3,f4四段分別進行調制,如圖6所示。利用三角函數(shù)和空間位置關系可求得各段函數(shù)表達式:

(5)

利用調制信號的偶對稱性和半波對稱性,通過傅里葉變換分析可得電壓傳輸比M2與mv關系為:

(6)

過調制模式Ⅱ下電壓傳輸比M2與電壓調制系數(shù)mv關系可用曲線表示,如圖7所示。

圖7　過調制模式Ⅱ下電壓傳輸比與電壓調制系數(shù)關系

圖8　mv=1輸出線電壓及電流仿真圖

從圖中可知過調制模式Ⅱ下電壓傳輸比與電壓調制系數(shù)成比例關系,當電壓調制系數(shù)mv為2時,電壓傳輸比達到最大值0.955。

3　仿真分析

在上述控制策略下,在MATLAB/Simulink環(huán)境下,建立系統(tǒng)仿真模型。設置仿真參數(shù),輸入相電壓幅值為311V,頻率50Hz,輸出負載三角形連接,R=10Ω,L=0.000 5H;開關頻率fs=5kHz,仿真算法為ode23tb,仿真時間為0.1ms,輸出頻率fo=20Hz,濾波器L=5mH,C=1μF。

設置電壓過調制比分別為mv=1,1.15,2,觀察輸出波形,如圖8～圖10所示。從圖8～圖10可以看出,隨著增大,系統(tǒng)分別工作在線性區(qū),過調制Ⅰ區(qū)和過調制Ⅱ區(qū)。從電壓輸出波形上看,輸出電壓幅值逐漸增大,幅值分別為461.9、491.5、512.6,對應電壓傳輸比分別為0.857、0.908、0.944,基本滿足過調制策略分析結果;波形橫軸從PWM波,逐漸向方波變化,低次諧波明顯增多,并且諧波變化豐富,在過調制Ⅱ區(qū),諧波率較大達到32.36%。

圖9　mv=1.15輸出線電壓和FFT仿真圖

圖10　mv=2輸出線電壓和FFT仿真圖

4　總結

仿真分析結果表明,本文提出的基于空間矢量調制的矩陣變換器過調制策略是有效可行的。該策略可以通過改變電壓調制系數(shù),來提高電壓傳輸比,當電壓矢量位于線性調制區(qū)時,電壓傳輸比最大為0.866;位于過調制Ⅰ區(qū)時,電壓傳輸比最大為0.91;位于過調制區(qū)域Ⅱ時,電壓傳輸比最大可提高到0.95,從而驗證了調制策略及其簡易實現(xiàn)法的正確性和可行性,對于矩陣變換器樣機實現(xiàn)有較強的指導意義。

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張勇(1976-),男,四川瀘州人,電子科技大學碩士研究生,瀘州醫(yī)學院講師,主要研究方向為計算機應用,zhangyong1976cq@163.com;

潘宏(1979-),男,四川瀘州人,電子科技大學碩士研究生,瀘州醫(yī)學院講師,主要研究方向為計算機應用,120725863@qq.com。

ResearchonModulationStrategyofMatrixConverterwithSpaceVector*

ZHANGYong1,2*,PANHong1,2

(1.Luzhou Medical College,Luzhou Sichuan 646000,China;2.University of Electronic Science and Technology of China,Chendu 610054,China)

Abstract:Based on study of space vector modulation,a novel over-modulation method of matrix converter is proposed for the problem of low voltage transfer ratio of matrix converter.According to the relation of the voltage space vector trace and hexagon trace vector,the control level is divided into linear modulation level and over-modulation level.The over modulation strategy is achieved by transforming the voltage modulation coefficient.The simulation results demonstrate that the voltage transfer ratio can be up to 0.955.

Key words:space vector;over modulation;voltage transfer ratio;space vector

doi:EEACC:811010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.045

中圖分類號:TM301

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0791-04

收稿日期:2013-10-20修改日期:2013-11-03

項目來源:四川省應用基礎研究項目(2011JY0118)