矩阵式变换器空间矢量过调制策略研究*

张　勇,潘　宏

(1.泸州医学院,四川 泸州 646000;2.电子科学技术大学,成都 610054)



矩阵式变换器空间矢量过调制策略研究*

张勇1,2*,潘宏1,2

(1.泸州医学院,四川 泸州 646000;2.电子科学技术大学,成都 610054)

摘要:针对矩阵变换器调制策略电压传输比低的问题,在深入研究矩阵式变换器空间矢量调制策的基础上,提出了一种通过改变电压调制系数提高电压传输比的空间矢量过调制策略。根据电压矢量轨迹与空间矢量六边形位置的关系,将电压空间矢量调制区域分为线性调制区和过调制区,通过改变电压调制系数,从而实现过调制策略。最后建立MATLAB/Simulink仿真,结果表明空间矢量过调制策略可以有效提高电压传输比到0.955。

关键词:空间矢量;过调制;电压传输比;矩阵变换器

随着微电子技术和电力电子技术的迅猛发展,各种电能变换器在社会经济发展[1]中得到了广泛的应用。矩阵变换器作为交—交直接变换装置,具有无中间直流储能,能四象限运行,输入功率因素可调等优点[1,3],受到国内外专家和学者广泛研究与关注。

由于受控制策略的影响,使矩阵变换器的电压传输比最高为86.6%,电压传输比低制约矩阵变换器发展[4]。因此,如何提高矩阵变换器的电压传输比已成为一项非常紧迫的任务。本文在分析传统矩阵变换器控制原理的基础上,提出了空间矢量过调制策略,通过改变电压调制系数,使得电压传输比最大可提高到0.955,有效提高了电压传输比。

1　空间矢量调制原理

空间矢量调制是基于空间矢量变换的一种方法,将矩阵变换器等效为一个6开关的整流器和一个6开关的逆变器经过中间虚拟的直流环节的对接,它将变换器虚拟为一个整流器和一个逆变器经中间直流环节串联,如图1所示,然后对输入整流器和输出逆变器分别进行电压空间矢量和电流空间矢量调制,再消去中间直流环节,就可以得到整个变换器的空间矢量调制[5]。

图1　矩阵变换器虚拟等效示意图

2　空间矢量过调制策略

定义电压传输比M,即输出电压幅值Uo与输入电压幅值Ui之比:

(1)

2.1虚拟整流级空间矢量过调制

虚拟整流级空间矢量过调制,就是实现虚拟整流部分交—直变换过调制。其原理是通过改变输入空间矢量调制比使参考电压矢量沿空间矢量六边形旋转,从而提高电压传输比。为了使输入功率因素为1,最大限度提高中间直流电压值,任意时刻、任意空间位置的电流矢量IK只利用相邻的2个电流矢量Iα,Iβ来合成而不加入零矢量,如图2所示。

图2　虚拟整流级过调制原理

2.2虚拟逆变级空间矢量过调制

在矩阵式变换器虚拟逆变级中,见图1(b),共有6个功率开关,分别从正负母线接到三相输出。在工作过程中每次各有一种与三相连接的功率开关闭合。6只功率开关管共有8种开关组合,对应状态量用V1～V6电压矢量表示,其余为零矢量[6]。

定义电压调制系数:

(2)

式中Ur为给定电压矢量,Udc为直流母线电压。按照空间矢量调制轨迹与空间矢量六边形的半径关系,可将空间矢量调制分为,区域1线性调制区,电压矢量六边形的内切圆内,mv≤1;区域2过调制Ⅰ区,内切圆与外接圆之间,1

图3　空间矢量过调制控制区域

2.2.1线性调制

当电压空间矢量位于线性调制时,参考电压矢量位于正六边形的内切圆内,其轨迹为圆形,对应的线电压输出波形为标准正弦波。此时保持参考电压矢量的幅值和相位角不变,由空间矢量调制原理可知,参考电压矢量由相邻2个有效矢量和零矢量合成,从上式可以看出,电压传输比最大为0.866,当参考电压矢量V*轨迹为正六边形的内切圆时,线性调制达到最大范围。

2.2.2过调制模式Ⅰ

当参考电压矢量超出六边形,位于区域2时,矩阵式变换器在过调制I模式,此时参考电压矢量运行在六边形区域内仍然按照线性区域的方法计算占空比,超出六边形的部分,必须拉回到六边形上计算占空比[8-9]。设Vr为给定参考电压矢量,Vref为任意给定轨迹,α为保持角即Vr与六边形交点和六边形顶点间的夹角,如图4所示。在过调制Ⅰ模式下,a相输出电压函数在(0,Π/2)范围内可用f1,f2,f3,f4表示。

图4　过调制模式Ⅰ原理图

(3)

式中φ=ωt为旋转角速度,α是空间矢量过调制模式Ⅱ下的变化范围控制角。利用调制信号的偶对称性和半波对称性,可对其四分之一个周期进行傅里叶变换分析。可得过调制模式Ⅰ电压传输比M1与mv的关系式为:

(4)

为了便于分析,令cosφi=1,电流调制系数mc=1,过调制模式Ⅰ下M1与mv的曲线关系如图5所示。

从图5可以看出电压传输比与电压调制系数成正关系,随调制系数增加不断增大,当mv为1时,电压传输比最小为0.866;当mv为1.15时,电压传输比达到最大值,最大为0.91。

图5　过调制模式Ⅰ下电压传输比与电压调制系数关系

2.2.3过调制模式Ⅱ

当给定电压矢量位于区域3时,矩阵变换器进入过调制模式Ⅱ。在该模式下,实际电压矢量V1的轨迹必须保持在正六边形的顶点一段时间,然后在剩余周期内沿着正六边形边界移动。

图6　过调制模式Ⅱ原理图

在过调制模式Ⅱ下,将实际电压矢量轨迹按照与正六边形的位置关系将分为f1,f2,f3,f4四段分别进行调制,如图6所示。利用三角函数和空间位置关系可求得各段函数表达式:

(5)

利用调制信号的偶对称性和半波对称性,通过傅里叶变换分析可得电压传输比M2与mv关系为:

(6)

过调制模式Ⅱ下电压传输比M2与电压调制系数mv关系可用曲线表示,如图7所示。

图7　过调制模式Ⅱ下电压传输比与电压调制系数关系

图8　mv=1输出线电压及电流仿真图

从图中可知过调制模式Ⅱ下电压传输比与电压调制系数成比例关系,当电压调制系数mv为2时,电压传输比达到最大值0.955。

3　仿真分析

在上述控制策略下,在MATLAB/Simulink环境下,建立系统仿真模型。设置仿真参数,输入相电压幅值为311V,频率50Hz,输出负载三角形连接,R=10Ω,L=0.000 5H;开关频率fs=5kHz,仿真算法为ode23tb,仿真时间为0.1ms,输出频率fo=20Hz,滤波器L=5mH,C=1μF。

设置电压过调制比分别为mv=1,1.15,2,观察输出波形,如图8～图10所示。从图8～图10可以看出,随着增大,系统分别工作在线性区,过调制Ⅰ区和过调制Ⅱ区。从电压输出波形上看,输出电压幅值逐渐增大,幅值分别为461.9、491.5、512.6,对应电压传输比分别为0.857、0.908、0.944,基本满足过调制策略分析结果;波形横轴从PWM波,逐渐向方波变化,低次谐波明显增多,并且谐波变化丰富,在过调制Ⅱ区,谐波率较大达到32.36%。

图9　mv=1.15输出线电压和FFT仿真图

图10　mv=2输出线电压和FFT仿真图

4　总结

仿真分析结果表明,本文提出的基于空间矢量调制的矩阵变换器过调制策略是有效可行的。该策略可以通过改变电压调制系数,来提高电压传输比,当电压矢量位于线性调制区时,电压传输比最大为0.866;位于过调制Ⅰ区时,电压传输比最大为0.91;位于过调制区域Ⅱ时,电压传输比最大可提高到0.95,从而验证了调制策略及其简易实现法的正确性和可行性,对于矩阵变换器样机实现有较强的指导意义。

参考文献:

[1]王阳,徐加欢,陈军宁.集成微电容式传感器检测电路设计与研究[J].电子器件,2013,36(2):230-234.

[2]Huber L,Borojevic D.Space Vector Modulator for Forced Commutated Cycloconverters[C]//Proceedings IEEE IAS’1989:871-876.

[3]孙凯,周大宁,梅杨.矩阵式变换器技术及其应用[M].机械工业出版社,2007.

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[9]胡源,王效红,田联房.矩阵式变换器的空间矢量控制策略及其仿真研究[J].电气自动化,2009,31(4):133-136.

张勇(1976-),男,四川泸州人,电子科技大学硕士研究生,泸州医学院讲师,主要研究方向为计算机应用,zhangyong1976cq@163.com;

潘宏(1979-),男,四川泸州人,电子科技大学硕士研究生,泸州医学院讲师,主要研究方向为计算机应用,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

中图分类号:TM301

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0791-04

收稿日期:2013-10-20修改日期:2013-11-03

项目来源:四川省应用基础研究项目(2011JY0118)