一种带LCL滤波器的新型矩阵变换器控制策略_蔡斌军

器的双空间矢量调制技术又称为间接变换法 、 交直 交等效变换法 ， 是基于空间矢量变换的一种方法 ， 它 将交交变换虚拟为交直和直交变换 ， 求出相应的开 关组合和调制规律 ， 再消除虚拟的中间直流环节 ， 将 2 部分调制向量合成一个开关调制矩阵 。 这样便可 采用目前流行的高频整流和高频 PWM 波形合成技 术 ，变换器的性能可以得到较大的改善 。 它是目前在 矩阵式变换器中研究较多也是较为成熟的一种控制 策略。 这种调制策略既能控制输出电压、电流波形 ，又 能控制输入电流波形 ，可改变输入功率因数 。 矩阵式 变换器等效变换关系如式 （1） 所示 。 Sjk（ j = a ，b，c，A ， B，C；k =p，n）表示一个双向开关函数 ，Sjk = 1 表示开关 接通 ，Sjk = 0 表示开关断开 。 其中 ，A 、B 、C ，a 、b 、c 分 别 表 示 为 矩 阵 变 换 器 输 出 级 与 输 入 的 三 相 ，p 、n 表 示矩阵变换器上桥臂与下桥臂 。
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引言
变频电源的大量使用带来了一些不容忽视的 问 题 ， 其 中 尤 为 严 重 的 是 谐 波 干 扰 问题 。 矩 阵 变 换 器 MC （Matrix Converter ） 输 入 电 流 和 输出电压为品质良好的正弦波形 ， 输入功率因数可 调 ， 结构紧凑 ， 效率高 ， 谐波污染小 ， 与传统的交交变 频器和交直交变频器相比 ， 矩阵式交交变换器具有 以下几个显著特点 ［1 - 3］： 能同时提供正弦输入电流和 输出电压 、 电流 ； 其输入功率因数可任意调节 ， 可超 前 、 可滞后 ， 可调至其逼近于 1； 采用双向开关 ， 能量 可双向流动 ， 尤其适合于电机的四象限运行 ； 无中间 直 流 环 节 ，结 构 紧 凑 ，体 积 小 ，效 率 高 ；控 制 自 由 度 大 ， 输出电压可调 ， 输出频率理论上可为任意值 。 但是 ， 目前矩阵变换器的控制方案仅能稳定输 出电 压 的 幅 度 ， 而 改 善 波 形 质 量 完 全 依 靠 LC 滤 波 环 节 。 为了得到理想的正弦输出波形 ，通常通过加大
其中 ，Udc= 3 mc Uim cos φi， 因此来自出电压与输入电压 、2
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uA ua ua uB = Trec Tinv ub = T ub = uC uc uc Sap SAp + San SAn Sbp SAp + Sbn SAn Scp SAp + Scn SAn Sap SBp + San SBn Sbp SBp + Sbn SBn Scp SBp + Scn SBn Sap SCp + San SCn Sbp SCp + Sbn SCn Scp SCp + Scn SCn ua ub uc
第 30 卷第 5 期 2010 年 5 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol．30 No．5 May 2010
一种带 LCL 滤波器的新型矩阵变换器控制策略
蔡斌军 ，刘国荣
（ 湖南工程学院 应用技术学院 ，湖南 湘潭 411101） 摘要 ： 矩阵变换器由于输出电压 、 电流中存在的谐波成分对所带的负载有很大影响 ， 引入电压 、 电流双闭环 控制策略 ，提出一种带 LCL 滤波器的新型矩阵变换器 。 该变换器包含交 - 直 （ 整流 ） 和直 - 交 （ 逆变 ）2 级电路 ， 其直流侧不需要储能元件 ，整流级和逆变级采用双向开关 ， 在一定的约束条件下可降低开关的数量 。 分析了 矩阵变换器的拓扑结构、双空间矢量调控算法、LCL 滤波器设计及其在矩阵变换器逆变级的应用等。 通过 Matlab ／ Simulink 软件进行了仿真实验 , 结果表明 ， 带 LCL 滤波器的新型矩阵变换器能有效地降低输出电压 、 电流谐 波 ，并能抑制输入侧谐波对输出电压 、 电流的影响 。 关键词 ： 矩阵变换器 ； 谐波 ； 双闭环控制 ； LCL 滤波器 ； 控制策略 中图分类号 ： TM 464 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1006 － 6047 （2010）05 － 0057 － 06 输出 LC 滤波电路的电感量和电容量及降低输出滤 波器截止频率的方法来解决 。 本文基于 SVPWM 调 制的矩阵变 换 器 输 出 电 压 、 电 流 双 闭 环 控 制 策 略 ， 并对目前滤波部分进行改进 ， 设计一 种 新 型 的 LCL 滤波 器 ， 仿 真 实验表明 ， 该方法能够保证输出电压 、 电流波形质量优良 ， 并能极大地抑制谐波分量 ， 且具 有较好的抗扰动性能 。
电 力 自 动 化 设 备
Vpa Vap Ua Ub Uc Cin Vna Van Vnb Vbn Vnc VAn Vcn n VBn VCn Lrin ia ib ic ua ub uc C Vpb Vbp Vpc VAp Vcp A B p VBp VCp
第 30 卷
图 1 18 开关矩阵式变换器的拓扑结构图 Fig.1 Topology of matrix converter with 18 switches
cos（ωo t - φo + 30°） cos（ωi t - φi） T = m cos（ωo t - φo - 90°） cos（ωi t - φi - 120°） = cos（ωo t - φo + 150°） cos（ωi t - φi + 120°） （2 ） Tinv T T rec 其 中 ， ω i 为 输 入 电 压 角 频 率 ； φo 为 输 出 线 电 压 初 相 位 ；ωo 为输出电压角频率 ；φi 为输入功率因数角 ；m = mc mv 为 TSMC 调制系数 ；Trec 为整流级开关函数 ；Tinv
1.1
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Single-stage full-bridge PFC technique based on clamp circuit
WANG Daqing ，BEN Hongqi ，MENG Tao ，LU Zhiben （Harbin Institute of Technology ，Harbin 150001 ，China ） Abstract ： Because of the leak inductance of transformer ，the power switch on-off operation of single-stage full-bridge PFC （Power Factor Corrector ） generates high over - voltage ， which increases the voltage stress of power switch and lowers the stability of corrector. The PFC based on clamp technique is presented ，which realizes the power factor correction and DC ／ DC conversion with single stage structure. The over-voltage is absorbed by the clamp circuit and the voltage stress is lowered. Its working principle is explained. Based on the structure of PFC ，the mechanism of magnetic bias generation in the high frequency transformer is analyzed and the countermeasures are presented. Experimental results show that ，the proposed PFC achieves higher power factor and DC ／ DC conversion efficiency ，which verifies the validity of the theoretical analysis. Key words ： power factor correction ； single-stage ； voltage stress ； clamp ； magnetic bias
收稿日期 ：2009 － 08 － 25 ； 修回日期 ：2009 － 12 － 10 基金项目 ： 湖南省教育厅科研项目 （09C261 ）
1 新型矩阵变换器拓扑结构及其输出谐波 分析
矩阵变换器的拓扑结构 矩阵变换器作为一种新颖的电力变换器 ， 其中 一种新型的拓扑结构如图 1 所示。 从图中可以看 出 ， 它包含交 - 直 （ 整流 ） 和直 - 交 （ 逆变 ）2 级变换电 路 ， 其直流侧不需要储能元 件 ， 整 流 级 和 逆 变 级 采 用 双 向 开 关 （ IGBT 功 率 管 ）， 在 一 定 的 约 束 条 件 下 还可以将其开关数量降低为 15、12、9 个 ［4 - 5］。 1.2 矩阵变换器的 SVPWM 调制算法 本 文 采 用 双 空 间 矢 量 调 制 策 略 ［6］， 矩 阵 式 变 换
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T 为 TSMC 的调制变换矩阵 ：
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（1 ）
输入侧功率因数 、 调制矩阵都有关联 。 1.3 矩阵变换器输出电压 、电流谐波分析 通过对这种矩阵式变换器拓扑结构分析 ， 输出 线电压是一种不等幅的 PWM 调制 。 矩阵变换器输 出 电 压 、电 流 谐 波 成 分 由 2 部 分 组 成 ，一 部 分 是 对 信号波本身进行谐波分析所得的结果 ， 一部分是由 于信号波对载波的调制而产生的谐波 。 以载波周期 为基础 ，利用贝塞尔函数推导出 PWM 波的傅里叶级 数表 达 式 ， 矩 阵 式 变 换 器 输 出 线 电 压 、 电 流 中 所 包 含的谐波角频率 ωh 为 （4 ） ω h = nω c ± k ω r 其中 ，ωc 是载波频率 ，ωr 是调制波频率 。 一般情况下 ωc ≤ ωr，所以 PWM 波形中所含的主要谐波要比基波 频率高得多 。 载波频率越高 ，PWM 波形中谐波频率 就越 高 ， 越 容 易 滤 除 ， 因 而 可 以 适 当 提 高 开 关 采 样 频率 ，将矩阵式变换器的谐波主要集中在高频段 。 矩 阵式变换器从根本上讲是对输入线电压的 6 脉波进 行 调 制 ， 输 入 三 相 线 电 压 各 导 通 120° ， 三 相 波 形 相 同 ，且依次相差 120° 。 将电压波形分解傅里叶级数 ， 如式 （5） 所示 。 由此可得到结论 ： 电压中仅含 6 k ± 1 次谐波 ， 幅值与谐波次数成反比 ， 且与基波幅值的比 值为谐波次数的倒数 ［4- 5］。
k＝1 ，2 ，3
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（5 ）
cos（ωo t - φo + 30°） U0 = mv cos（ωo t - φo - 90°） Udc = Tinv Udc cos（ωo t - φo + 150°）
为逆变级开关函数 。 当输入电压是三相对称正弦 ， 可得输出侧电压 方程式为
1 uAB = 2 姨 3 uab × sin ω t - sin 5 ω t 5 π 1 sin 7 ω t + 1 sin 11 ω t+ 7 11
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t
t
1 sin 13 ω t - … ＝ 2 姨 3 uab sin ω t + 13 π 2 姨 3 u 鄱 （- 1）k 1 sin n ω t ab π n ＝ 6 k +1 n