矩阵变换器四步换流策略的优化方法研究
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方永丽, 唐 轶, 马星河, 刘 昊
221008) ( 中国矿业大学 信息与电气工程学院 , 江苏 徐州
摘要 : 由于矩阵变换器( M C) 电路没有续流路径 , 它的换流过程比交 直 交变换器更为复杂 . 换流 问题是阻碍其工业应用的主要原因之一 . 本文在深入分析换流机理的基础上, 基于双电压合成策 略, 对四步换流策略进行了优化. 通过改变换流顺序、 减小换流所需时间和调整窄脉冲等方法 , 既 提高了换流的可靠性 , 也改善了波形质量 . 最后通过仿真方法验证了结论的正确性和有效性. 关键词: 矩阵变换器 ; 四步换流策略; 双电压合成; 波形质量; 仿真 中图分类号 : T M 46 文献标识码: A
.
收稿日期 : 2005 06 07 基金项目 : 中国矿业大学科技基金项目 ( E200427) 作者简介 : 方永丽 ( 1972 ) , 女 , 黑龙江省绥化市人 , 博士研究生 , 从事电力电子与电力传动方面的研究 . E mail: yonglif ang@ 126. com Tel: 0516 83741657
图 1 矩阵变换器的拓扑结构 F ig. 1 T opolog y o f matrix conver ter
法划分成 6 个区间 , 如图 4 所示.
双向开关一般由 单向自关断器件 ( 如 IGBT ) 和快速恢复二极管组合而成, 它有多种连接形式 , 图 1 中绘出了共集电极的反向串联模式 . 由于 2 个 方向的功率开关可以分别控制 , 这为安全换流提供 了可能. 根据输入电压不能被短路、 输出电路不能突然 开路的条件, 在任意时刻 , 安全换流要求与每一输 出相相连的 3 个双向开关有且只有一个开关导通 . 由于器件的开通时间、 关断时间及驱动电路的时延 都有个体差异, 不能做到严格的同时切换 . 为了解 决这个问题 , N. Bur ny 提出了双向开关的四步换 流法 , 其换流过程可用图 2 的电路来说明. S11 和 S12 是连在同一输出相 a 上的 2 个双向开关, 分 别与输入电压 eA 和 eB 相连. 以 A 输入相换流到 B 输入相为例. 当 e A > eB 时 , 4 步换流顺序为 : 首先
Abstract: Com paring w it h the AC DC AC co nvert er, t he com mut at ion pr ocess of a mat rix co n v ert er( M C) is mor e com plicat ed due t o having no natural free w heeling pat hs. T he com muta t ion problem is one of t he major reasons t hat there are f ew pract ical applicat ions. In this paper, the m echanism inv olved in t he comm ut at ion pr ocess w as analy zed, and based o n tw o line volt ag e sy nt hesis, sev eral m et hods f or opt imizing the commut ation process were proposed, inclu ding t o chang e t he sw it ching sequence, reduce the comm ut at io n t imes and m odif y t he pulse w idt h. T he reliabilit y and w avef orm qualit y w ere bot h enhanced. Sim ulat ion result s demo n st rate t he correct ness and availabilit y o f t he m et hods. Key words: mat rix convert er ; f our st ep commut ation st rateg y; t w o line vo lt ag e sy nt hesis; w av ef orm quality ; simulation 随着电力电子器件和微电子技术的发展及节 能和防治 电力公害 的迫切性 , M C 以其诸多理想 特性成为国内外研究的热点 . M C 是一种全硅的解 决方案, 由于没有中间的直流环节及相应的滤波电 容, 其动态响应快 , 功率密度大 , 可靠性较高. 而且 具有能量可双向传输、 正弦的输入输出波形、 输入 功率因数可控、 输 出频率不受输入 频率限制等特 性
[ 4]
图 4 输入输出电压区间划分 Fig. 4 T he sector par tition of the input and output vo ltag es
三相 输入 电 压 值 根 据 其大 小 , 分 别 标 记 为 em ax , em id , em in , 输入电流期望 值则相应地标 记为 ii m ax , i i mid , i i min . 基准电压 ebase 为具有最大绝对值 的输入相电压 . 从图 4a 中可以看到 e bas e 在 em ax 和 em in 之间交替变化. 同样 , 输出电压期望值根据其大 小, 分别标记为 v max , v m id , v min . 当 ebase = em ax 时 , 令 v m ax = emax , 即在一个开关周期内, 连接 em ax 和 v m ax 的开关始终导通, 连接 v m ax 的另外 2 个开关则
[ 1 3]
ຫໍສະໝຸດ Baidu
与传统的交 直 交变换器相比 , MC 电路没有 提供续流路径 , 这使得 MC 开 关间的换流更 为困 难, 潜在的换流问题是阻碍其工业应用的主要原因 之一 . 文献 [ 4] 中提出的四步换流策略通过严格的逻 辑控制有效地解决了双向开关的换流问题 , 各种新 的换流策略和优化方法也被相继提出[ 5 10] , 用以改 善输入输出波形质量和提高换流的可靠性 . 在实际
电压值大小接近, 一方面由于测量精度等原因的影 响, 容易造成测量错误, 导致两相电压的大小判断 错误 ; 另一方面, 开关矩阵的输入电压不可避免地 含有一定的谐波, 该谐波特别是其中的高次谐波也 可能对输入电压值大小的正确判断产生影响, 从而 造成输入侧电压短路 , 产生较大的电流尖峰, 严重 时可导致器件损坏 . 1) 文献 [ 3] 提出的双电压合成策略, 当输入电 压处于图 4a 的区间 2, 4, 6 时, ebas e = em ax , 开关换 流顺序为 emax # emid # em in # em id # emax , 当 em id 和 em in 的电压值接近时 , 可能出现换流失败. 如果将开 关换流顺序调整为 emid # emax # em in # em ax # em id , 由于换流始终在电压值相差较大的两相之间进行 , 换流将非常可靠. 以图 5 中的情况为例来说明 . 此 时 ebase = em ax = ec , 输入电压处于图 4a 区间 6 的前 半部分, 输出电压处于图 4b 的区间 5. 优化前的换 流顺序为 C # B # A # B # C, 优化后的换流顺序调 整为 B # C # A # C # B. 由于基准电压与另两相电 压反号, 而调整后的换流始终在基准电压相与另两 相之间进行, 因而可以保证换流的可靠性. 2) 同理 , 当输入电压处于图 4a 的区间 1, 3, 5 时, ebase = em in , 优化前的开关换流顺序为 e min # em id # emax # em id # em in , 当 emax 和 em id 的电压值接近时 , 在进行换流时也可能出现换流失败. 此时可以将开 关换流顺序调整为 emid # em in # emax # em in # em id , 换流也始终在电压值相差较大的两相之间进行, 换 流将非常可靠 . 该方法实现简单 , 同时一个周期内 的换流次数保持不变, 仍为 8 次. 3. 2 减小换流所需时间 在 4 步换流中 , 真正的换流时刻发生在第 2 步 或第 3 步 , 取决于进行换流的两相输入电压值的大 小和负载电流的方向 . 这样, 真正的换流时刻比期 望的时刻要延迟 tc 或 2tc . 在 M C 的输出电压期望 值较小时 , 换流时刻的延迟必然引起输出电压的畸 变, 使系统性能恶化 . 使换流时间最小化, 保证换流 发生在期望的时刻 , 对改善波形质量十分重要. 首先 , 由于 IGBT 的开通时间比关断时间要少
图3 F ig . 3 基于输入电压的四 步换流策略 T he input v olt ag e based four step co mmut ation strateg y
2
双电压合成策略
所谓双电压合成, 就是在每一个开关周期内 , 2
个输出线电压用 2 个输入线电压来合成. 不同时刻 使用不同的线电压组合 . 将输入电压和期望的输出电压按照不同的方
开通 S12p, 然后关断 S11p, 接下来开通 S12n, 最后 关断 S11n. 当 e A < eB 时 , 4 步 换流顺 序为 : 开 通 S12n, 关断 S11n, 开通 S12p 和关断 S11p. 图 3 绘 出了这 2 种情况下的 4 步换流顺序, 为简化控制 , 换流时间间隔都设置为 t c .
第5期
方永丽等 : 矩阵变换器四步换流 策略的优化方法研究
663
应用时, 四步换流仍存在以下 3 个方面的问题: 1) 四步换流既可以依据输出电流的方向来进行 , 也可 以依据输入电压值的大小来进行, 其可靠性依赖于 对输出电流方向或换流两相间输入电压值大小的 准确判断 . 当输出电流值较小或两相输入电压值的 大小接近时 , 容易造成判断错误 , 导致换流失败 . 2) 四步换流使真正的换流时刻发生了延时 , 造成 输入输出波形畸变. 3) 完成四步换流需要一定的 时间 , 窄脉冲的存在不仅造成输入输出波形畸变 , 还可能导致换流失败 . 本文在分析双向开关换流机理的基础上 , 针对 文献 [ 3] 中提出的双电压合成策略, 对基于输入电 压的四步换流策略进行了优化 . 优化方法不仅使换 流的可靠性增加 , 输入输出波形质量也得到了较大 的改善.
第 35 卷 第 5 期 2006 年 9 月
中国矿业大学学报
Journal o f China U niv ersity of M ining & T echnolog y
Vo l. 35 N o. 5 Sep. 2006
文章编号 : 1000 1964( 2006) 05 0662 05
矩阵变换器四步换流策略的优化方法研究
Fig. 2
图 2 两相到单相矩阵变换器 A tw o phase to single phase matrix conver ter
1
双向开关和四步换流策略
MC 的拓扑结构如图 1 所示 , 它是由 9 个双向
开关组成的 3 ! 3 矩阵, 三相输出通过双向开关可 以与任意一相输入相连, 按照一定策略控制这 9 个 双向开关 , 便可得到频率和幅值都可调的正弦波.
Optim izat ion of Four step Comm utation St rateg y of a M at rix Conver ter
FAN G Yong li, T ANG Yi, M A Xing he, L IU H ao
( Schoo l of I nfo rmatio n and Electrica l Eng ineering , China U niversity o f M ining & T echno log y, Xuzho u, Jiang su 221008, China)
664
中国矿 业大学 学报
第 35 卷
始终关断, 而与输出相 v m id 和 v m in 相连的 6 个开关 进行脉宽调制以获得 期望的输出电压 . 当 ebase = emin 时 , 方法相同. 下面以 ebase = em ax 的情况为例来 说明 . v max em ax = emax - em in , em id = em ax - emid . 和 v m id 的定义与 e max 和 em id 相同 . 2 个输
由于占空比的确定与 输入电 流的期 望值相 关 , 这 种方 法能同时控制输出电压和 输入电 流的波 形质量 . 在 输入电 压不对称和含有谐波的情况下 , 不需要增加计算量 , 依然可 以保证正弦的输出波形 .
3
3. 1
换流策略的优化
改变换流顺序 对于基于输入电压值的换流方法 , 当两相输入
出线电压可以用 2 个输入线电压综合得到. v max = 1 { ( T 2 + T 4 ) ∀ emid + Ts v m id = 1 { ( T 22 + T 24 ) ∀ em id + T 23 ∀ emax } , ( 2) Ts 式中 : T s = T 1 + T 2 + T 3 + T 4 + T 5 = T 21 + T 22 + T 23 + T 24 + T 25 , 通过选择时间间隔 T 1 到 T s 和 T 21 到 T 25 , 就可以获得我们所需要的输出电压. 从 上面 2 式可以看到 , 2 个方程有 4 个未知数 , 我们 可以利用这种自由度来调整负载电流在输入电流 中的分配比例以获得理想的输入电流波形. 定义输入电流分配因子 为 T2 + T4 T 22 + T 24 = = = i im id / ii m in . ( 3 ) T3 T 23 由式 ( 1) ~ ( 3) 可得 v m ax T3 = T s ∀ , ( 4) ∀ em id + em ax v m id T 23 = T s ∀ . ( 5) ∀ em id + emax 为减少谐波畸变 , 各占空比以开关周期的中点 为中心对称分布 , 即 T1 T2 T 21 T 22 = = = = 1. T5 T4 T 25 T 24 ( 6)
221008) ( 中国矿业大学 信息与电气工程学院 , 江苏 徐州
摘要 : 由于矩阵变换器( M C) 电路没有续流路径 , 它的换流过程比交 直 交变换器更为复杂 . 换流 问题是阻碍其工业应用的主要原因之一 . 本文在深入分析换流机理的基础上, 基于双电压合成策 略, 对四步换流策略进行了优化. 通过改变换流顺序、 减小换流所需时间和调整窄脉冲等方法 , 既 提高了换流的可靠性 , 也改善了波形质量 . 最后通过仿真方法验证了结论的正确性和有效性. 关键词: 矩阵变换器 ; 四步换流策略; 双电压合成; 波形质量; 仿真 中图分类号 : T M 46 文献标识码: A
.
收稿日期 : 2005 06 07 基金项目 : 中国矿业大学科技基金项目 ( E200427) 作者简介 : 方永丽 ( 1972 ) , 女 , 黑龙江省绥化市人 , 博士研究生 , 从事电力电子与电力传动方面的研究 . E mail: yonglif ang@ 126. com Tel: 0516 83741657
图 1 矩阵变换器的拓扑结构 F ig. 1 T opolog y o f matrix conver ter
法划分成 6 个区间 , 如图 4 所示.
双向开关一般由 单向自关断器件 ( 如 IGBT ) 和快速恢复二极管组合而成, 它有多种连接形式 , 图 1 中绘出了共集电极的反向串联模式 . 由于 2 个 方向的功率开关可以分别控制 , 这为安全换流提供 了可能. 根据输入电压不能被短路、 输出电路不能突然 开路的条件, 在任意时刻 , 安全换流要求与每一输 出相相连的 3 个双向开关有且只有一个开关导通 . 由于器件的开通时间、 关断时间及驱动电路的时延 都有个体差异, 不能做到严格的同时切换 . 为了解 决这个问题 , N. Bur ny 提出了双向开关的四步换 流法 , 其换流过程可用图 2 的电路来说明. S11 和 S12 是连在同一输出相 a 上的 2 个双向开关, 分 别与输入电压 eA 和 eB 相连. 以 A 输入相换流到 B 输入相为例. 当 e A > eB 时 , 4 步换流顺序为 : 首先
Abstract: Com paring w it h the AC DC AC co nvert er, t he com mut at ion pr ocess of a mat rix co n v ert er( M C) is mor e com plicat ed due t o having no natural free w heeling pat hs. T he com muta t ion problem is one of t he major reasons t hat there are f ew pract ical applicat ions. In this paper, the m echanism inv olved in t he comm ut at ion pr ocess w as analy zed, and based o n tw o line volt ag e sy nt hesis, sev eral m et hods f or opt imizing the commut ation process were proposed, inclu ding t o chang e t he sw it ching sequence, reduce the comm ut at io n t imes and m odif y t he pulse w idt h. T he reliabilit y and w avef orm qualit y w ere bot h enhanced. Sim ulat ion result s demo n st rate t he correct ness and availabilit y o f t he m et hods. Key words: mat rix convert er ; f our st ep commut ation st rateg y; t w o line vo lt ag e sy nt hesis; w av ef orm quality ; simulation 随着电力电子器件和微电子技术的发展及节 能和防治 电力公害 的迫切性 , M C 以其诸多理想 特性成为国内外研究的热点 . M C 是一种全硅的解 决方案, 由于没有中间的直流环节及相应的滤波电 容, 其动态响应快 , 功率密度大 , 可靠性较高. 而且 具有能量可双向传输、 正弦的输入输出波形、 输入 功率因数可控、 输 出频率不受输入 频率限制等特 性
[ 4]
图 4 输入输出电压区间划分 Fig. 4 T he sector par tition of the input and output vo ltag es
三相 输入 电 压 值 根 据 其大 小 , 分 别 标 记 为 em ax , em id , em in , 输入电流期望 值则相应地标 记为 ii m ax , i i mid , i i min . 基准电压 ebase 为具有最大绝对值 的输入相电压 . 从图 4a 中可以看到 e bas e 在 em ax 和 em in 之间交替变化. 同样 , 输出电压期望值根据其大 小, 分别标记为 v max , v m id , v min . 当 ebase = em ax 时 , 令 v m ax = emax , 即在一个开关周期内, 连接 em ax 和 v m ax 的开关始终导通, 连接 v m ax 的另外 2 个开关则
[ 1 3]
ຫໍສະໝຸດ Baidu
与传统的交 直 交变换器相比 , MC 电路没有 提供续流路径 , 这使得 MC 开 关间的换流更 为困 难, 潜在的换流问题是阻碍其工业应用的主要原因 之一 . 文献 [ 4] 中提出的四步换流策略通过严格的逻 辑控制有效地解决了双向开关的换流问题 , 各种新 的换流策略和优化方法也被相继提出[ 5 10] , 用以改 善输入输出波形质量和提高换流的可靠性 . 在实际
电压值大小接近, 一方面由于测量精度等原因的影 响, 容易造成测量错误, 导致两相电压的大小判断 错误 ; 另一方面, 开关矩阵的输入电压不可避免地 含有一定的谐波, 该谐波特别是其中的高次谐波也 可能对输入电压值大小的正确判断产生影响, 从而 造成输入侧电压短路 , 产生较大的电流尖峰, 严重 时可导致器件损坏 . 1) 文献 [ 3] 提出的双电压合成策略, 当输入电 压处于图 4a 的区间 2, 4, 6 时, ebas e = em ax , 开关换 流顺序为 emax # emid # em in # em id # emax , 当 em id 和 em in 的电压值接近时 , 可能出现换流失败. 如果将开 关换流顺序调整为 emid # emax # em in # em ax # em id , 由于换流始终在电压值相差较大的两相之间进行 , 换流将非常可靠. 以图 5 中的情况为例来说明 . 此 时 ebase = em ax = ec , 输入电压处于图 4a 区间 6 的前 半部分, 输出电压处于图 4b 的区间 5. 优化前的换 流顺序为 C # B # A # B # C, 优化后的换流顺序调 整为 B # C # A # C # B. 由于基准电压与另两相电 压反号, 而调整后的换流始终在基准电压相与另两 相之间进行, 因而可以保证换流的可靠性. 2) 同理 , 当输入电压处于图 4a 的区间 1, 3, 5 时, ebase = em in , 优化前的开关换流顺序为 e min # em id # emax # em id # em in , 当 emax 和 em id 的电压值接近时 , 在进行换流时也可能出现换流失败. 此时可以将开 关换流顺序调整为 emid # em in # emax # em in # em id , 换流也始终在电压值相差较大的两相之间进行, 换 流将非常可靠 . 该方法实现简单 , 同时一个周期内 的换流次数保持不变, 仍为 8 次. 3. 2 减小换流所需时间 在 4 步换流中 , 真正的换流时刻发生在第 2 步 或第 3 步 , 取决于进行换流的两相输入电压值的大 小和负载电流的方向 . 这样, 真正的换流时刻比期 望的时刻要延迟 tc 或 2tc . 在 M C 的输出电压期望 值较小时 , 换流时刻的延迟必然引起输出电压的畸 变, 使系统性能恶化 . 使换流时间最小化, 保证换流 发生在期望的时刻 , 对改善波形质量十分重要. 首先 , 由于 IGBT 的开通时间比关断时间要少
图3 F ig . 3 基于输入电压的四 步换流策略 T he input v olt ag e based four step co mmut ation strateg y
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双电压合成策略
所谓双电压合成, 就是在每一个开关周期内 , 2
个输出线电压用 2 个输入线电压来合成. 不同时刻 使用不同的线电压组合 . 将输入电压和期望的输出电压按照不同的方
开通 S12p, 然后关断 S11p, 接下来开通 S12n, 最后 关断 S11n. 当 e A < eB 时 , 4 步 换流顺 序为 : 开 通 S12n, 关断 S11n, 开通 S12p 和关断 S11p. 图 3 绘 出了这 2 种情况下的 4 步换流顺序, 为简化控制 , 换流时间间隔都设置为 t c .
第5期
方永丽等 : 矩阵变换器四步换流 策略的优化方法研究
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应用时, 四步换流仍存在以下 3 个方面的问题: 1) 四步换流既可以依据输出电流的方向来进行 , 也可 以依据输入电压值的大小来进行, 其可靠性依赖于 对输出电流方向或换流两相间输入电压值大小的 准确判断 . 当输出电流值较小或两相输入电压值的 大小接近时 , 容易造成判断错误 , 导致换流失败 . 2) 四步换流使真正的换流时刻发生了延时 , 造成 输入输出波形畸变. 3) 完成四步换流需要一定的 时间 , 窄脉冲的存在不仅造成输入输出波形畸变 , 还可能导致换流失败 . 本文在分析双向开关换流机理的基础上 , 针对 文献 [ 3] 中提出的双电压合成策略, 对基于输入电 压的四步换流策略进行了优化 . 优化方法不仅使换 流的可靠性增加 , 输入输出波形质量也得到了较大 的改善.
第 35 卷 第 5 期 2006 年 9 月
中国矿业大学学报
Journal o f China U niv ersity of M ining & T echnolog y
Vo l. 35 N o. 5 Sep. 2006
文章编号 : 1000 1964( 2006) 05 0662 05
矩阵变换器四步换流策略的优化方法研究
Fig. 2
图 2 两相到单相矩阵变换器 A tw o phase to single phase matrix conver ter
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双向开关和四步换流策略
MC 的拓扑结构如图 1 所示 , 它是由 9 个双向
开关组成的 3 ! 3 矩阵, 三相输出通过双向开关可 以与任意一相输入相连, 按照一定策略控制这 9 个 双向开关 , 便可得到频率和幅值都可调的正弦波.
Optim izat ion of Four step Comm utation St rateg y of a M at rix Conver ter
FAN G Yong li, T ANG Yi, M A Xing he, L IU H ao
( Schoo l of I nfo rmatio n and Electrica l Eng ineering , China U niversity o f M ining & T echno log y, Xuzho u, Jiang su 221008, China)
664
中国矿 业大学 学报
第 35 卷
始终关断, 而与输出相 v m id 和 v m in 相连的 6 个开关 进行脉宽调制以获得 期望的输出电压 . 当 ebase = emin 时 , 方法相同. 下面以 ebase = em ax 的情况为例来 说明 . v max em ax = emax - em in , em id = em ax - emid . 和 v m id 的定义与 e max 和 em id 相同 . 2 个输
由于占空比的确定与 输入电 流的期 望值相 关 , 这 种方 法能同时控制输出电压和 输入电 流的波 形质量 . 在 输入电 压不对称和含有谐波的情况下 , 不需要增加计算量 , 依然可 以保证正弦的输出波形 .
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3. 1
换流策略的优化
改变换流顺序 对于基于输入电压值的换流方法 , 当两相输入
出线电压可以用 2 个输入线电压综合得到. v max = 1 { ( T 2 + T 4 ) ∀ emid + Ts v m id = 1 { ( T 22 + T 24 ) ∀ em id + T 23 ∀ emax } , ( 2) Ts 式中 : T s = T 1 + T 2 + T 3 + T 4 + T 5 = T 21 + T 22 + T 23 + T 24 + T 25 , 通过选择时间间隔 T 1 到 T s 和 T 21 到 T 25 , 就可以获得我们所需要的输出电压. 从 上面 2 式可以看到 , 2 个方程有 4 个未知数 , 我们 可以利用这种自由度来调整负载电流在输入电流 中的分配比例以获得理想的输入电流波形. 定义输入电流分配因子 为 T2 + T4 T 22 + T 24 = = = i im id / ii m in . ( 3 ) T3 T 23 由式 ( 1) ~ ( 3) 可得 v m ax T3 = T s ∀ , ( 4) ∀ em id + em ax v m id T 23 = T s ∀ . ( 5) ∀ em id + emax 为减少谐波畸变 , 各占空比以开关周期的中点 为中心对称分布 , 即 T1 T2 T 21 T 22 = = = = 1. T5 T4 T 25 T 24 ( 6)