基于空間矢量調(diào)制的升壓型矩陣式變換器的實(shí)現(xiàn)

潘悅維 萬衡， 黃佳 陳文博

(1.華東理工大學(xué) 自動化系，上海 200237 2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，上海201418)

0 引言

矩陣式電力變換器是電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其沒有中間直流環(huán)節(jié)，直接變頻，功率因數(shù)可調(diào)，省去了笨重而昂貴的中間直流環(huán)節(jié)［1］，成為電力變換器的一個研究熱點(diǎn)。由于矩陣變換器在線性調(diào)制區(qū)的最大電壓傳輸比只能達(dá)到0.866［2］，因而嚴(yán)重影響了基于恒壓頻比調(diào)速電機(jī)的調(diào)速范圍等應(yīng)用［3］，所以進(jìn)一步提高電壓傳輸比成為矩陣變換器研究中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)［4］提出了直接頻率變換器(即矩陣式變換器)的兩種預(yù)測空間矢量調(diào)制策略可使電壓傳輸比最大提高到0.99。文獻(xiàn)［5，6］分別采用過調(diào)制法與諧波注入法將電壓傳輸比最大提高到了1.0。如何提高電壓傳輸比，達(dá)到大功率高電壓傳輸比變換，成為矩陣式變換器發(fā)展過程中一個重要課題。本文提出一種具有升壓矩陣式電力變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的空間矢量調(diào)制策略，從機(jī)理上突破了制約電壓傳輸比提高的技術(shù)瓶頸，使其能夠達(dá)到和超過1，符合工程實(shí)用化的要求，為日后樣機(jī)的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 升壓型矩陣式變換器的基本原理

升壓型矩陣式電力變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，Sjk(j={U，V，W}為輸入的相，k={a，b，c}——輸出的相)和 S0U，S0V，S0W是雙向功率開關(guān)。按其功能，可分為兩部分，一部分是電壓傳輸比調(diào)制電路，另一部分為波形調(diào)制變換電路，即矩陣電路;就其在控制電壓傳輸比中的作用而言，前者又可以分成升壓回路和降壓回路。不同的劃分是為了能更明確地說明其工作原理，并不表示其各部分的工作過程是相互孤立的。

升壓電路的工作周期T可以分為Ton和Toff兩個部分［7］。

Ton時 段:SOU、SOV、SOW導(dǎo)通，LIU、LIV、LIW從電源吸收并儲存能量;Toff時段 SOU、SOV、SOW截止，電源與 LIU、LIV、LIW的電勢串聯(lián)，向 CIU、CIV、CIW充電。而此后CIU、CIV、CIW兩端的電壓將是升壓型電路的輸出電壓。選擇適當(dāng)?shù)腡off，使得充電電容電壓大于電源電壓［8，9］。

定義以下開關(guān)函數(shù):

圖1 三相升壓型矩陣式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在時間ts中，開關(guān)滿足以下條件:

圖2描述了升壓型矩陣式變換器控制策略的一般形式。當(dāng)占空比和器件開關(guān)頻率確定以后，各個功率開關(guān)的開關(guān)時間就確定了。在Ton階段，矩陣開關(guān)交替閉合，雙向開關(guān)S0U，S0V，S0W斷開;在Toff階段，矩陣開關(guān)全都斷開，雙向開關(guān)S0U，S0V，S0W閉合。

圖2 控制策略一般形式的描述

2 升壓型矩陣式變換器的空間矢量調(diào)制原理

圖3為矩陣式變換器輸出線電壓矢量合成示意圖［10］。其中U1～U6及I1～I(xiàn)6分別為非零的空間電壓矢量和非零的空間電流矢量，除此之外，還有零矢量U0(包括U7)及I0(包括I7)，圖中未標(biāo)出。

圖3 矩陣式變換器輸出線電壓矢量合成示意圖

為了獲得頻率可變的三相輸出電壓，可以定義一個輸出線電壓的參考矢量，這是一個以 ωo為角速度圍繞中心點(diǎn)做連續(xù)旋轉(zhuǎn)的空間參考矢量。如果采用上述8種空間電壓矢量近似地合成這個參考矢量，就可得到所需的輸出頻率為ωo/(2π)的三相正弦輸出線電壓。逆變器供電時，某一t時刻輸出線電壓參考矢量可以用Uref所在扇區(qū)的兩個非零電壓矢量和零矢量來合成。

按照上述調(diào)制方法即可在整個復(fù)平面內(nèi)采用逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場方式合成出輸出線電壓矢量Uref，從而獲得所需的三相輸出線電壓。

同理，對于虛擬整流器也可采用復(fù)空間表達(dá)方式定義輸入相電流矢量(圖4)，獲得輸入電流矢量調(diào)制方案。

對于升壓型矩陣式變換器來說，同一開關(guān)既要承擔(dān)整流任務(wù)，還要承擔(dān)逆變?nèi)蝿?wù)。在同一個周期中既要進(jìn)行輸出電壓和輸入電流的空間矢量調(diào)制，又要進(jìn)行交流升壓電路的調(diào)制，且一個周期對應(yīng)了6個占空比，每個占空比對應(yīng)一個開關(guān)組合，分別為:

圖4 矩陣式變換器輸入相電流矢量合成示意圖

對于升壓型矩陣式變換器，我們將周期T中的Ton時段設(shè)為Ts，則 Toff，通過改變 SOU、SOV、SOW的開關(guān)占空比達(dá)到調(diào)節(jié)輸入側(cè)電壓傳輸比的目的，同時又實(shí)現(xiàn)了矩陣式變換器的空間矢量調(diào)制。

3 仿真模型的建立

本文使用PSIM 9.0來進(jìn)行升壓型矩陣式變換器的仿真研究［11］。升壓型矩陣式變換器的仿真模型由電壓電流扇區(qū)判斷電路，占空比計(jì)算電路，開關(guān)觸發(fā)電路以及開關(guān)矩陣電路組成。

4 升壓型矩陣式變換器的仿真研究

在PSIM 9.0中采用上述空間調(diào)制策略進(jìn)行升壓型矩陣式變換器的仿真研究。仿真模型中負(fù)載為10 Ω，電感為0.5 mH，電容為50 μF，系統(tǒng)的斬波頻率為10 kHz，輸入電壓為峰值100 V，頻率50 Hz的三相交流電，期望輸出分別設(shè)為60 Hz，ds分別為0.7和0.8。仿真步長設(shè)定為定步長2E-6 s，仿真時間0.5 s，得到三相泵式矩陣變換器的輸入輸出電壓波形以及傅里葉分析圖如圖5和圖6所示(均取一相電壓作為比較)。從圖中可以看出電壓傳輸比均超過1。

由上面的仿真結(jié)果我們可以看到，升壓型矩陣式變換器既有傳統(tǒng)矩陣式變換器變頻的特性，同時又突破了傳統(tǒng)矩陣式變換器電壓傳輸比Q≤0.866的瓶頸，使電壓傳輸較易任意調(diào)節(jié)，符合工程實(shí)際要求。

圖5 ds=0.7時的輸入輸出電壓波形以及FFT分析

圖6 ds=0.8時的輸入輸出電壓波形以及FFT分析

5 結(jié)束語

本文提出了一種新型的升壓型矩陣式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及其相應(yīng)的空間矢量調(diào)制策略。通過PSIM仿真軟件驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及調(diào)制策略的可行性，并且選擇適當(dāng)?shù)膁s，電壓的傳輸比可以超過1，實(shí)現(xiàn)升壓目的。

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