一种新型的矩阵变换器间接调制策略.pdf

第3 7 卷第1 期 。 中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．1 2 0 0 8 年1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yJ a n ．2 0 0 8 一种新型的矩阵变换器间接调制策略 吴小兰，谭国俊，马星河，曹言敬 中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 2 2 1 1 1 6 摘要基于传统的矩阵变换器间接空间矢量调制思想，提出了一种利用输入电压瞬时值合成虚 拟整流输出电压的策略，使矩阵变换器在非正常输入时期望的虚拟整流输出电压平均值仍能维 持不变．着重对虚拟整流环节进行了分析，给出了具体的调制算法，并通过综合虚拟整流及虚拟 逆变环节，得到了矩阵变换器占空比的计算公式．仿真及实验结果表明所提出的调制策略，不 但使矩阵变换器在理想输入时具有良好的输入、输出性能，且非正常输入时输出电流波形质量也 较好，其T H D 值为2 ．4 ％；而相同条件下传统的间接空间矢量调制策略，其T H D 值为1 2 ．8 9 ％． 新的调制策略能有效地抑制非正常输入引起的输出电压谐波． 关键词矩阵变换器；调制策略；非正常输入；谐波分析 中图分类号T M4 6 4文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 1 - 0 0 9 9 0 5 AN o v e lI n d i r e c tM o d u l a t i o nS t r a t e g yo fM a t r i xC o n v e r t e r W UX i a o l a n ，T A NG u o j u n ，M AX i n g h e ，C A OY a n - j i n g S c h o o lo fI n f o r m a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ．C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t An o v e lm o d u l a t i o ns t r a t e g yo fm a t r i xc o n v e r t e rw a sp r o p o s e db a s e do nt r a d i t i o n a l i n d i r e c ts p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ns t r a t e g y ．T h ei n p u t v o l t a g ei n s t a n t a n e o u sv a l u es y n t h e s i s m e t h o dw a sa d o p t e di nt h ev i r t u a lr e c t i f y i n gp r o c e s s ，w h i c hk e p tt h ea v e r a g ev a l u eo ft h ee x p e c t e dv i r t u a lr e c t i f y i n go u t p u tv o l t a g es t e a d ye v e ni ft h ei n p u tv o l t a g ew a su n b a l a n c e da n dd i s t o r t e d ．T h ev i r t u a lr e c t i f y i n gp r o c e s sw a sm a i n l ya n a l y z e d ，ac o n c r e t em o d u l a t i o na l g o r i t h m w a sg i v e n ，a n dad u t yc y c l ef o r m u l aw a sg a i n e db yi n t e g r a t i n gv i r t u a lr e c t i f y i n gp r o c e s s e da n d i n v e r t i n gp r o c e s s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tm a t r i xc o n v e r t e rp o s s e s s e dg o o di n p u t ／o u t p u tp e r f o r m a n c ei ni d e a li n p u tv o l t a g e ，a n dg o o do u t p u tp e r f o r m a n c ee v e nt h o u g hi na b n o r m a li n p u t ． T h ei n p u tc u r r e n tT H Di sa b o u t2 ．4 ％．U n d e rt h es a m ep a r a m e t e r s ，t h ei n p u tc u r r e n tT H D w i t ht h et r a d i t i o n a li n d i r e c ts p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ns t r a t e g yi s12 ．8 9 ％．T h eo u t p u tv o l t a g e h a r m o n i c sb r o u g h tb yt h ea b n o r m a li n p u tv o l t a g ei sr e s t r a i n e de f f e c t i v e l yu s i n gt h ep r o p o s e d c o n t r 0 1s t r a t e g y ． K e yw o r d s m a t r i xc o n v e r t e r ；m o d u l a t i o ns t r a t e g y ；a b n o r m a li n p u t ；h a r m o n i ca n a l y s i s 矩阵变换器因其简单的结构和诸多的理想特 性成为国内外研究的热点，其最大优点不需中问 直流储能环节；能够四象限运行；具有优良的输入 电流和输出电压波形；可自由控制的功率因数等． 目前，根据控制目标的不同，矩阵变换器的调制策 略有2 类电流控制法‘1 。2 1 和电压控制法‘3 ’4 | ．电压 控制法中的空间矢量调制 S V M 法‘3 3 是研究较多 且较为成熟的控制策略，它既能控制输出电压波 收稿日期2 0 0 7 0 7 0 3 基金项目江苏省普通高校高新技术产业发展项目 J H B 0 5 3 5 作者简介吴小兰 1 9 6 6 ，女，广西省灌阳县人，博士研究生，从事电力电子与电力传动方面的研究 E m a i l w x l 5 1 6 6 9 7 1 6 3 ．c o i nT e l 0 5 1 6 8 3 9 9 5 5 5 7 万方数据 1 0 0中国矿业大学学报第3 7 卷 形，又能控制输入电流波形，并可改变输入功率因 数．但因矩阵变换器无中间直流环节，输人电压的 不对称和畸变等因素会对其输出产生直接的影响， 使输出电压电流中出现大量谐波，导致输出波形质 量下降．而在工业应用中，电网电压因受各种不同 负载的影响，将出现非对称和畸变等情况．因此，对 矩阵变换器非正常输入时的调制策略进行研究，有 助于实现矩阵变换器的工业应用． 针对矩阵变换器S V M 策略，输出受输入电压 非正常因素影响的不足，一些学者提出了改善其输 出波形质量的方法，其中文献E s ] 通过注入负序谐 波分量、文献[ 6 7 ] 采用时变调制比来改善在输入 电压不对称时输出波形的质量；文献E s ] 通过改变 开关函数，使虚拟整流输出电压平均值在输入非正 常 非对称及畸变 情况下维持不变，达到改善输出 波形质量的目的．但这些方法都是在原有的S V M 策略上的改进，且文献[ 5 7 ] 需实时计算输入电压 的正、负序基波分量，增加了算法的复杂性．本文基 于矩阵变换器间接空间矢量调制的思想，通过直接 改变虚拟整流器的调制策略，使其在输入电压非正 常情况下，虚拟整流输出电压平均值仍能维持不 变，保证了虚拟逆变器输出不受输入电压非正常因 素的影响，输出正弦的电压电流波形．该调制策略 算法简便，实现容易，仿真及实验结果验证了其有 效性． 1传统的矩阵变换器间接S V M 策略 三相输入到三相输出矩阵变换器的原理图如 图1 所示，通过9 个双向开关3 个输出相可与任一 输入相相连．通过一定的策略控制这9 个双向开 关，可得希望幅值与频率的三相输出电压． 图1 矩阵变换器原理图 F i g ．1P r i n c i p a ld i a g r a mo fm a t r i xc o n v e r t e r 矩阵变换器的间接空间矢量调制法是一种双 空间矢量调制方法，该法将矩阵变换器等效成虚拟 整流和虚拟逆变2 部分，等效结构如图2 所示．在 整流部分使用空间矢量调制得到正弦的输入电流 和可调的输入功率因数，在逆变部分使用空间矢量 调制得到幅值和频率可调的正弦输出电压，然后将 二者合而为一[ 3 | ． U w P 。l r a b ／／，／／ S 训 S p v S P w S “ S h 1 k 。 r ，／， n ／， S 。。 S 。。 S 。。S 。S b l l l ，。一I 剐，l 一‰Ic o “州一2 n ／3 l ， 1 厶一I三]一j。匕C薹OS{篡mot二--囊庐。二--篡驴oJr-n／；6，]，c2， 4 5 式中m 。，m ，分别为虚拟整流、逆变器的调制系 数；似为输入功率因数角． 矩阵变换器的输入输出关系 f ，。一T n ， 1 汪r ．i o , ∞’ 式中v 。，i 。分别为矩阵变换器三相输出线电压和 输入电流． 虚拟逆变器的输入输出关系 p E n v ．砜一 7 o 况下，对提出的调制策略进行了实验验证，非平衡 电源频率为5 0H z ，U ，w 相幅值为9 8V ，v 相幅值 为7 9V ；其他参数与上述相同．相关实验波形如图 9 所示． 6m s ／d i v 6m s ／d i v b 三相输出电流波形 传统S V M 策略 o 寸 ／／口℃．| | } | ／，『＼ f } j ＼≮，∥≯≮ 61 1 3 S ／d i v c 三相输出电流波形 新调制策略 图9 输入电压非平衡时的相关实验波形 F i g ．9 W a v e f o r m so fe x p e r i m e n tu n d e ru n b a l a n c e di n p u tv o l t a g e 由图9 b ，C 的输出电流波形可以看出，非平衡 输入时，新调制策略的输出电流为对称正弦量而传 统的S V M 策略的输出电流出现了畸变．测得2 种 [ 4 ] 调制策略a 相输出电流的T H D 值分别为1 4 ．2 ％， 4 ．2 ％，与前述的仿真分析基本相一致． 4 结论 1 所提出的调制策略，不但使矩阵变换器在 理想输入时具有良好的输入、输出性能，且非正常 输入时输出电流波形质量好，其T H D 值约为 2 ．4 ％； 而相同条件下传统的间接空间矢量调制策略 约为1 2 ．8 9 ％．所以，新的调制策略能有效地抑制 非正常输入引起的输出电压谐波． 2 由文中矩阵变换器占空比的计算公式推导 可看出，提出的调制策略与传统矩阵变换器间接 S V M 策略相比，没有增加任何复杂的计算，方法简 单，实现方便． 参考文献 [ 5 1 [ 6 ] [ 1 ] 葛红娟，张绍，穆新华，等．矩阵变换器一永磁同步 电机系统的共模电压抑制[ J ] ．中国矿业大学学报， 2 0 0 6 ，3 5 1 7 9 8 3 ．[ 7 ] [ 2 ] [ 3 ] G EH o n g - j u a n ，Z H A N GS h a o ，M UX i n - h u a ，e ta 1 ． R e s t r a i n to ft h ec o m m o nm o d ev o l t a g ei nm a t r i xc o n - v e r t e r - p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm a c h i n es y s t e r n [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，3 5 1 7 9 8 3 ． 张志学，马皓．矩阵变换器的电流控制策略[ J ] ． 中国电机工程学报，2 0 0 4 ，2 4 8 6 1 - 6 6 ． Z H A N GZ h i x u e ，M AH a o ．C u r r e n tC o n t r o ls t r a t e - g i e sf o rm a t r i xc o n v e r t e r [ J ] ．P r o c e e d i n g so ft h e C S E E ，2 0 0 4 ，2 4 8 6 1 6 6 ． H U B E RI 。，B O R O J E V I CD ．S p a c ev e c t o rm o d u l a t e d t h r e e - p h a s et ot h r e e - p h a s em a t r i xc o n v e r t e rw i t hi n - [ 8 ] p u tp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n [ J ] ．I E E ET r a n s ．o nI n d u s t r yA p p l i c a t i o n s ，1 9 9 5 ，3 1 6 1 2 3 4 1 2 4 6 ． 方永丽，唐轶，马星河，等．矩阵变换器四步换流 策略的优化方法研究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 6 ， 3 5 5 6 6 2 6 6 6 ． F A N GY o n g l i ，T A N GY i ，M AX i n g - h e ，e ta 1 ．O p t i m i z a t i o no ff o u r - s t e pc o m m u t a t i o ns t r a t e g yo fam a t r i xc o n v e r t e r [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，3 5 5 6 6 2 6 6 6 ． 陈希有，陈学允，韦奇．改进矩阵变换器在非对称 输入情况下的空间矢量调制策略[ J ] ．电工技术学 报，2 0 0 4 ，1 5 2 7 7 8 2 ． C H E NX i y o u ，C H E NX u e - y u n ，W E IQ i ．T h ei m p r o v e m e n to fs p a c e v e c t o rm o d u l a t i o ns t r a t e g yf o r m a t r i xc o n v e r t e ru n d e ru n b a l a n c e di n p u tv o l t a g e s [ J ] ． T r a n s a c t i o n so fC h i n aE l e c t r o t e c h n i c a l S o c i e t y ， 2 0 0 4 ，1 5 2 7 7 8 2 ． 陈希有，陈学允．矩阵变换器在非对称输入情况下 输出电压波形的改善[ J 1 ．电气传动，2 0 0 0 6 1 6 2 0 ． C H E NX i y o u ，C H E NX u e - y u n ．T h ei m p r o v e m e n t o fo u t p u tv o l t a g e sw a v e f o r m sf o rm a t r i xc o n v e r t e r u n d e ru n b a l a n c e di n p u tv o l t a g e s [ J ] ．E l e c t r i cD r i v e ， 2 0 0 0 6 1 6 - 2 0 ． 王辉，张志学．矩阵变换器在非对称输入电压情 况下的一种改进控制法[ J ] ．电气传动，2 0 0 3 2 2 8 3 1 ． W A N GH u i ，Z H A N GZ h i x u e ．Ai m p r o v e dc o n t r o l m e t h o df o rm a t r i xc o n v e r t e ru n d e rt h eu n b a l a n c e di n p u tv o l t a g e s [ J ] ．1 i l e c t r i cD r i v e ，2 0 0 3 2 2 8 3 1 ． 邓文浪，杨欣荣，朱建林，等．改进矩阵变换器在输 入电压非正常情况下的调制策略[ J ] ．控制与决策， 2 0 0 6 ，2 1 8 9 0 8 - 9 1 2 ． D E N GW e n l a n g ，Y A N GX i n - r o n g ，Z H UJ i a n - l i n ， e ta 1 ．I m p r o v e m e n to fm o d u l a t i o ns t r a t e g yf o rm a t r i x c o n v e r t e ru n d e ra b n o r m a li n p u tv o l t a g e s [ J 1 ．C o n t r o l a n dD e c i s i o n ，2 0 0 6 ，2 1 8 9 0 8 - 9 1 2 ． 责任编辑姚志昌 万方数据