劉 釗，葉曙光，張 倩，鄧海波，李林文，戴卓強(qiáng)

（1.南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039；2.江蘇金思源電力科技有限公司，江蘇 南京 210018；3.上海電力股份公司吳涇熱電廠，上海 200241）

0 引言

可再生能源（如光能、風(fēng)能等）具有間歇性、不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，故需要儲能裝置解決可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與電力負(fù)荷的供需不平衡問題，從而提高可再生能源發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性[1-2]。雙向變流器作為電網(wǎng)與儲能電池之間的連接樞紐，具有相當(dāng)重要的研究意義。與傳統(tǒng)的三相橋式脈寬調(diào)制（PWM）型變流器相比，矩陣式雙向變流器同樣能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電流正弦、功率因數(shù)可調(diào)、能量雙向流動(dòng)等功能，此外其為Buck型降壓整流器，能夠?qū)崿F(xiàn)降壓功能，電壓調(diào)節(jié)范圍大，在0 V到1.5倍的相電壓幅值內(nèi)連續(xù)可調(diào)，而三相橋式變流器為Boost型升壓整流器，因此矩陣式雙向變流器能夠?qū)崿F(xiàn)一級變換，省掉中間直流環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，功率密度大，更適合于液流電池等低壓蓄電池場合[3-4]。

目前矩陣式變換器工業(yè)產(chǎn)品的最高容量為200 V／63 kW和400 V／114 kW，限制其大功率應(yīng)用的主要原因在于開關(guān)管較多、成本高、安全可靠的換流算法以及大功率變流器的電磁兼容設(shè)計(jì)等。換流是矩陣式雙向變流器正常工作的必要條件之一，換流的原則是在保證安全換流的前提下，不使硬件開銷過大，同時(shí)盡可能減小對調(diào)制策略、輸入電流和輸出電壓的影響。國內(nèi)外許多文獻(xiàn)提出了各種換流策略[5-9]，歸納起來可分為基于輸出電流方向的電流型換流策略和基于輸入相電壓的相對大小的電壓型換流策略。由于矩陣式雙向變流器的輸出電流為直流，方向固定，只有在整流和逆變工作狀態(tài)切換的時(shí)候才會出現(xiàn)電流方向改變，電流型換流方法更適合于這種場合。常用的電流型換流策略有四步換流、三步換流、兩步換流等[10-12]，換流步數(shù)較多時(shí)，特別是在低調(diào)制比區(qū)域，換流過程引起的輸出電壓誤差相對于直流輸出電壓較大，通常功率等級越大，開關(guān)管的開通與關(guān)斷時(shí)間越長，此種情況下減小換流步數(shù)顯得更為重要。

文獻(xiàn)[13]采用一種電壓電流型一步換流方法，能夠?qū)崿F(xiàn)安全換流，但輸入相電壓相對大小判斷不準(zhǔn)確時(shí)會因?yàn)檩斎胂鄬?dǎo)通錯(cuò)誤使輸入電流波形畸變。本文對此進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出利用輸入電流扇區(qū)的劃分方法來判斷輸入電壓的相對大小，在可能出現(xiàn)大小相等的電壓相之間采用兩步換流，其他情況下采用一步換流的方法，并根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)對所提換流策略進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不需要外加專門的精確檢測輸入相電壓相對大小關(guān)系的測量裝置，即可實(shí)現(xiàn)矩陣式雙向變流器安全、可靠、快速換流和穩(wěn)定運(yùn)行，且輸入電流波形不受影響。

1 矩陣式雙向變流器基本原理

圖1 矩陣式雙向變流器主電路圖Fig.1 Main circuit of bidirectional converter based on matrix converter

圖1為接電池負(fù)載的矩陣式雙向變流器主電路圖，雙向開關(guān)由2個(gè)IGBT組成，方向可控。其中，ua、ub、uc為網(wǎng)側(cè)輸入相電壓；ia、ib、ic為輸入相電流；Udc、idc分別為變換器側(cè)輸出直流電壓和直流電流；Uo、Io分別為電池端電壓和端電流。

對于儲能電池而言，無論是以恒壓、恒流還是恒功率作為充放電方式，其落腳點(diǎn)都是控制電池的端電壓和端電流，因此充放電模式下對矩陣式雙向變流器的輸出電壓和輸出電流的控制示意圖如圖2所示。其中，為指令充放電電池電壓；為指令充放電電池電流；θu為期望功率因數(shù)角；φs為電網(wǎng)電壓相位角；mu為電壓調(diào)制比；Gcu、Gci分別為電壓和電流調(diào)節(jié)控制器。

圖2 矩陣式雙向變流器控制框圖Fig.2 Control of bidirectional converter based on matrix converter

矩陣式雙向變流器的每相輸出與多相輸入經(jīng)雙向開關(guān)連接，雙向開關(guān)必須滿足輸入不短路、輸出不斷路的原則[14-17]，因此雙向可控開關(guān)的安全換流是在矩陣式雙向變流器應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[18]。

2 電壓電流一步換流策略

電壓電流混合型一步換流策略是利用輸入電壓相對大小的判斷，每個(gè)主開關(guān)狀態(tài)預(yù)導(dǎo)通輔助開關(guān)管，從而省去電流型兩步換流中的第一步，實(shí)現(xiàn)一步換流。根據(jù)輸入電壓相對大小將三相輸入電壓劃分為6個(gè)電壓扇區(qū)，如圖3（a）所示，每個(gè)扇區(qū)內(nèi)三相電壓大小明確，定義輸入電壓最大相為up、中間相為um、最小相為un，則3種輸入相電壓接通輸出端時(shí)的主開關(guān)狀態(tài)如圖3（b）所示，其中二極管表示開關(guān)管僅開通導(dǎo)通電流方向開關(guān)管。由于預(yù)導(dǎo)通了開關(guān)管，3種主開關(guān)狀態(tài)間的切換僅需一步就能實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)輸出電流方向改變時(shí)，由于需要先關(guān)斷預(yù)導(dǎo)通的順管才能開通反向的逆管，因此電流方向切換時(shí)需要4步實(shí)現(xiàn)。開關(guān)狀態(tài)圖如圖4所示，圖中的六位數(shù)字分別表示輸出一相連接到輸入三相a、b、c的雙向開關(guān)，“1”表示開通，“0”表示關(guān)斷。 如：“001001”表示輸出相連接到輸入a相的2個(gè)開關(guān)均關(guān)斷，連接到輸入b相的開關(guān)順管導(dǎo)通、逆管關(guān)斷，連接到輸入c相的開關(guān)順管關(guān)斷、逆管導(dǎo)通。在圖4所示一步換流邏輯狀態(tài)圖中，當(dāng)i>0時(shí)，假設(shè)ua>ub>uc，則ua=up，ub=um，uc=un。 此時(shí)，從 a 相切換到 c 相的開關(guān)順序是同時(shí)關(guān)斷a相和b相的開關(guān)順管，輸入電流由a相切換到c相，換流過程為強(qiáng)制換流；從c相切換到a相的開關(guān)順序是同時(shí)開通a相和b相的開關(guān)順管，輸入電流由c相切換到a相，換流過程為自然換流。同理其他狀態(tài)下各相之間的切換邏輯均類似。

圖3 電壓扇區(qū)劃分及一步換流主開關(guān)狀態(tài)Fig.3 Voltage-sector division and main switch states of one-step commutation

圖4 電壓電流型一步換流狀態(tài)圖Fig.4 State diagram of current-voltage one-step commutation

電壓電流型一步換流策略實(shí)現(xiàn)的前提條件是需要知道當(dāng)前時(shí)刻輸出電流方向以及所在的電壓扇區(qū)。在三相電壓對稱、沒有諧波并且鎖相準(zhǔn)確的情況下，理論上可以根據(jù)劃分好的電壓扇區(qū)來實(shí)現(xiàn)一步換流策略。但由于輸入電壓中存在著諧波、采樣誤差以及三相電壓不平衡等原因，實(shí)際中仍然是根據(jù)三相輸入電壓的大小來判斷扇區(qū)，而在相鄰扇區(qū)切換時(shí)，因?yàn)槿嚯妷褐械膬上嚯妷捍笮∠嘟菀自斐缮葏^(qū)判斷錯(cuò)誤，使PWM周期中所使用的有效矢量不是期望的有效矢量，最終導(dǎo)致輸入電流畸變。

以圖3中的輸入電壓扇區(qū)1為例，在扇區(qū)1與扇區(qū)2交界處，ua與ub大小相近，會出現(xiàn)檢測不準(zhǔn)確的情況。 假設(shè)此時(shí)為扇區(qū) 1，ua>ub>uc，ua=up，ub=um，uc=un，輸出接 a相時(shí)為“101010”，輸出接 b相時(shí)為“001010”，輸出接 c 相時(shí)為“000010”；假如檢測結(jié)果為 ub>ua>uc，ub=up，ua=um，uc=un，輸出接 a 相時(shí)為“100010”，輸出接 b 相時(shí)為“101010”，輸出接 c 相時(shí)為“000010”。此時(shí)電壓差值較大兩相間進(jìn)行切換時(shí)，如a相切換到c相，直接關(guān)斷a相順管即完成換流；b相切換到c相，同時(shí)關(guān)斷a、b相順管即可正確換流。而相近電壓相之間進(jìn)行換流時(shí)，如a相切換到b相，直接開通b相順管即可，但由實(shí)際電壓大?。╱b

圖5 扇區(qū)1內(nèi)輸出電壓時(shí)序圖Fig.5 Timing diagram of output voltage in sector 1

3 改進(jìn)型一步換流策略

為解決輸入電壓扇區(qū)檢測錯(cuò)誤導(dǎo)致輸入電流波形畸變的問題，提出采用“過渡區(qū)間”的方法，對輸入電壓區(qū)間重新劃分，將輸入電壓相近兩相采用兩步換流。如圖6所示，將輸入三相電壓相對大小明確的區(qū)域命為主區(qū)間，兩相電壓相近的區(qū)間定義為過渡區(qū)間（見陰影框部分），在主區(qū)間內(nèi)采用圖3中的一步換流，過渡區(qū)間內(nèi)，電壓差值較大的兩相采用一步換流，而差值較小的兩相采用圖7中的兩步換流，換流的原則是不允許輸入相不確定的狀態(tài)出現(xiàn)。該方法能夠有效解決扇區(qū)判斷不準(zhǔn)確導(dǎo)致輸入電流畸變的問題。由圖6可知，過渡區(qū)間出現(xiàn)在相鄰扇區(qū)的交界點(diǎn)處，即線電壓的過零點(diǎn)位置。設(shè)置過渡區(qū)間時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)保證在過渡區(qū)間內(nèi)檢測電路能夠準(zhǔn)確判斷三相輸入電壓的大小，因此過渡扇區(qū)的寬度要大于采樣輸入電壓的紋波，例如當(dāng)經(jīng)過電壓霍爾采樣到的輸入電壓紋波大小為ur時(shí)，則此時(shí)過渡區(qū)間的寬度應(yīng)該設(shè)置為至少大于ur；其次如果過渡區(qū)間過寬，相鄰扇區(qū)切換時(shí)采用的兩步換流次數(shù)越多，也會影響到輸入電流波形。因此過渡區(qū)間寬度的設(shè)置原則為：在能夠準(zhǔn)確判斷出輸入相電壓之間的相對大小下盡可能地小。

圖6 主區(qū)間與過渡區(qū)間的劃分Fig.6 Division of main and intermediate intervals

圖7 不同電流方向下三相輸入電壓間的換流Fig.7 Commutation among three-phase voltages under different current directions

圖8為改進(jìn)型一步換流過程開關(guān)狀態(tài)圖，例如在圖8（b）中，當(dāng) i>0 時(shí)，假設(shè) ua為最大相（ua=up），ub和uc幅值相近，那么a相和b相、a相和c相之間的切換均為一步換流。假設(shè)ub>uc，從輸入b相切換到輸入c相的開關(guān)順序是先開通c相順管，此時(shí)c相順管開通對變換器無影響，然后關(guān)斷b相順管，輸入電流由b相切換到c相，換流過程為強(qiáng)制換流；如果ub

圖8 換流過程開關(guān)狀態(tài)圖Fig.8 State diagram of switch during commutation

4 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用MATLAB／Simulink構(gòu)建矩陣式雙向變流器仿真模型，仿真條件：輸入線電壓有效值200 V，電阻負(fù)載36Ω，調(diào)制周期200μs（開關(guān)頻率5kHz），調(diào)制比mu=0.6，輸入濾波電感1mH，輸入濾波電容10μF，輸出濾波電感5 mH，輸出濾波電容20 μF。

圖9為電壓電流型一步換流仿真結(jié)果，圖中給出了輸入三相電流波形、輸出直流電壓波形以及輸入電壓扇區(qū)。由仿真波形可以看出在扇區(qū)切換的位置，每個(gè)調(diào)制周期進(jìn)行一次電壓扇區(qū)判斷，存在一定的誤差，使得調(diào)制周期內(nèi)輸出相與輸入相接通錯(cuò)誤從而導(dǎo)致輸入電流波形畸變，但由于每個(gè)調(diào)制周期輸出電壓平均值沒有改變，因而輸入電壓扇區(qū)的判斷錯(cuò)誤不對輸出電壓造成影響。

圖9 電壓電流型一步換流下變換器仿真波形Fig.9 Simulative waveforms of current-voltage one-step commutation

圖10為改進(jìn)型電壓電流型一步換流仿真結(jié)果。

圖10 改進(jìn)型電壓電流型一步換流仿真波形Fig.10 Simulative waveforms of improved current-voltage one-step commutation

過渡區(qū)間的寬度設(shè)置為π／6。從仿真可以看出，整個(gè)波形中不再出現(xiàn)電流波形畸變的情況，通過設(shè)置過渡區(qū)間，能夠有效避免因?yàn)檩斎腚妷捍笮∨袛噱e(cuò)誤導(dǎo)致的輸入相與輸出相接通錯(cuò)誤造成輸入電流波形畸變的情況，證明了換流策略的有效性。

在仿真的基礎(chǔ)上，搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對矩陣式雙向變流器帶蓄電池負(fù)載進(jìn)行了性能測試。實(shí)驗(yàn)條件與仿真條件相同，采用DSP TMS320F28335與FGPA EP2C8為控制核心，由運(yùn)算能力較強(qiáng)的處理器DSP實(shí)現(xiàn)矩陣式雙向變流器的調(diào)制策略，換流策略邏輯性較強(qiáng)，用FPGA實(shí)現(xiàn)較為容易。該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)由12只英飛凌1200V／40A分立IGBT器件IKW40N120T2構(gòu)成，首先通過估算IGBT損耗計(jì)算出其熱阻，然后根據(jù)熱阻選擇散熱器表面積，再通過散熱器廠家提供的手冊選擇合適形狀的散熱器及長度，設(shè)計(jì)時(shí)會考慮一定裕量。12只IGBT均勻布置在散熱器上，散熱器左右兩側(cè)均有風(fēng)機(jī)，一側(cè)吹風(fēng)，另一側(cè)抽風(fēng)。實(shí)驗(yàn)中通過帶額定5kW負(fù)載連續(xù)工作3h，散熱器上溫度達(dá)到穩(wěn)定，最高溫升不超過30℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11為電壓電流型一步換流實(shí)驗(yàn)波形，圖12為改進(jìn)型電壓電流型一步換流實(shí)驗(yàn)波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了所提換流策略的有效性。

圖11 電壓電流型一步換流實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Experimental waveforms of currentvoltage one-step commutation

圖12 改進(jìn)型電壓電流型一步換流實(shí)驗(yàn)波形Fig.12 Experimental waveforms of improved current-voltage one-step commutation

5 結(jié)論

本文對矩陣式雙向變流器電壓電流混合型一步換流策略進(jìn)行了分析，詳細(xì)研究了電壓電流型一步換流中存在的問題，并提出了在過渡區(qū)間采用兩步換流的改進(jìn)型換流策略。該換流策略不需要外加專門的精確檢測輸入相電壓相對大小關(guān)系的測量裝置，能夠有效解決輸入電壓大小判斷錯(cuò)誤時(shí)輸入電流波形畸變的問題。通過仿真和實(shí)驗(yàn)對所提換流策略進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提方法的有效性。