引言

隨著近年來(lái)科技的迅速發(fā)展,各領(lǐng)域?qū)﹄娔艿男枨笠苍诓粩嗵岣?對(duì)電能的高效變換和精確控制提出了更高要求,特別是對(duì)于高性能變頻裝置的需求。對(duì)于交流電的變頻,目前通常采用的是交-直-交的電能變換方案,即先將電網(wǎng)的交流電能用整流器變?yōu)橹绷麟?經(jīng)過(guò)直流支撐電容后再利用后端逆變器變?yōu)樗璧慕涣麟姟４祟?lèi)交-直-交變換器有許多缺點(diǎn),比如采用大電容濾波導(dǎo)致功率因數(shù)低下、容易造成輸入交流電流嚴(yán)重畸變、可靠性低下、不利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化設(shè)計(jì)等。

矩陣式變換器是一種高效的直接交交變頻裝置,其不含有直流環(huán)節(jié)。矩陣式變流器具有結(jié)構(gòu)小、布局緊湊、能量能雙向流動(dòng)、輸出交流電頻率、幅值和相位均可自由調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn),非常適合當(dāng)前各領(lǐng)域?qū)τ谧冾l裝置的需求,具有較高的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于矩陣式變流器的控制方式有了一些研究,主要有直接控制法、空間矢量控制、電流滯環(huán)控制等。直接控制法的優(yōu)點(diǎn)是能自由控制輸入或輸出波形,但存在計(jì)算量大、計(jì)算步驟繁雜等缺點(diǎn),因此直接控制法難以在微處理器上實(shí)現(xiàn):空間矢量控制的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)且穩(wěn)定性好,例如采用虛擬逆變無(wú)扇區(qū)的控制方式實(shí)現(xiàn)矩陣變流器控制,可將傳統(tǒng)算法的36種狀態(tài)簡(jiǎn)化到18種從而簡(jiǎn)化計(jì)算:也有學(xué)者研究將滯環(huán)控制等方式引入矩陣式變換器中,結(jié)合零矢量補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)優(yōu)化對(duì)電流的控制,但是滯環(huán)控制本身存在開(kāi)關(guān)頻率不確定、難以數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。

本文首先分析了矩陣式變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定可靠的矩陣式變流器控制策略,使其輸出電壓可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié),并采用仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制策略的可行性。

1矩陣式變流器基本原理

1.1矩陣式變流器拓?fù)?

矩陣式變流器的結(jié)構(gòu)非常適合模塊化設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)任意相輸入和任意相輸出。以常見(jiàn)的三相輸入、三相輸出為例,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中,共有3×3=9個(gè)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu),每個(gè)開(kāi)關(guān)處由一個(gè)交流電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成。一個(gè)交流電子開(kāi)關(guān)一般采用反向串聯(lián)的2個(gè)全控器件模塊組成,如圖2所示。每個(gè)交流電子開(kāi)關(guān)可以使輸出端和任意輸入端相連接,從而使得矩陣變流器的控制十分自由,可以實(shí)現(xiàn)良好的控制特性。同時(shí),矩陣式變流器的每一個(gè)交流電子開(kāi)關(guān)都是相同的模塊,當(dāng)調(diào)整輸入或輸出相數(shù)時(shí)只需要添加相同的模塊,而不用重新設(shè)計(jì)變流器拓?fù)?符合模塊化的發(fā)展趨勢(shì)。

1.2矩陣式變換器開(kāi)關(guān)狀態(tài)

矩陣式變流器的所有開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以寫(xiě)成:

式中:sij表示矩陣變流器中輸出為i、輸入為j的開(kāi)關(guān)狀態(tài),輸出i∈1A,B,C},輸入j∈1a,b,c},sij∈11,0}。例如sAb表示輸出為A相、輸入為b相的開(kāi)關(guān)。

當(dāng)某個(gè)開(kāi)關(guān)sij為0時(shí),兩個(gè)1GBT均為關(guān)斷狀態(tài):當(dāng)為1時(shí),根據(jù)當(dāng)時(shí)電流的流向,V1或V2有一個(gè)為1,另一個(gè)為0。公式(1)中共有29種開(kāi)關(guān)狀態(tài),但是由于矩陣變流器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),有如下約束:

(1)從輸入端看,兩個(gè)輸入端不可以同時(shí)接到同一個(gè)輸出端,否則輸入端會(huì)短路:

(2)每一個(gè)輸出端都需要始終和一個(gè)輸入端連接,避免輸出端上的感性負(fù)載開(kāi)路。

所以開(kāi)關(guān)回路有以下約束方程:

2矩陣式變流器控制策略

2.1控制策略分析

根據(jù)1+2的分析,矩陣式變換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)如表1所示。

能夠滿足約束條件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)共有21種,如表1所示。其中"1"表示對(duì)應(yīng)位置開(kāi)關(guān)導(dǎo)通,"0"表示對(duì)應(yīng)位置開(kāi)關(guān)截止。對(duì)于表中每一種狀態(tài),矩陣式變流器有唯一一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)與之對(duì)應(yīng),該開(kāi)關(guān)狀態(tài)的效果如表最后一列所示。如第一行的開(kāi)關(guān)狀態(tài)"100100010",即將輸入的a相同時(shí)接到輸出的A相和B相:將輸入的b相接到輸出的C相:輸入的c相不接,因此也可以用"aab"來(lái)表示該開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

2.2矩陣式變流器控制策略實(shí)現(xiàn)

矩陣式變流器在實(shí)際控制中可進(jìn)一步看成一個(gè)三相橋式整流電路和一個(gè)三相橋式逆變電路的組合,但在直流回路中不存在直流支撐電容,因此直流母線電壓是實(shí)時(shí)變化的。矩陣式變流器等效電路圖如圖3所示。

矩陣式變流器的控制策略如圖4所示,三相輸入電壓經(jīng)過(guò)電壓調(diào)節(jié)器后,計(jì)算出虛擬的母線電壓值,然后和經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器的輸出電流結(jié)合,得到矩陣式變流器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。由于每一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)和唯一一種變流器狀態(tài)對(duì)應(yīng),因此可以直接從開(kāi)關(guān)狀態(tài)得到變流器14個(gè)開(kāi)關(guān)器件的具體通斷情況。

3仿真與分析

3.1PSIM仿真軟件

PSIM(powerPimu1AtiMn)軟件是一款電力電子及電機(jī)控制領(lǐng)域?qū)ｉT(mén)的仿真軟件,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子電路的主電路進(jìn)行快速搭建,對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。采用PSIM自帶的Cb1ock或DLL鏈接庫(kù)模塊,可以利用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字化控制系統(tǒng)的電力電子電路的仿真。本次矩陣式變流器的仿真電路如圖5所示。本次仿真中,各個(gè)器件的主要參數(shù)如表2所示。

3.2仿真結(jié)果與結(jié)果分析

利用3.1的仿真模型對(duì)矩陣式變流器進(jìn)行仿真,輸出電流的輸出有效值為23.1A,頻率為20Hz,實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流輸入的變頻控制。各相電流之間相位相差120°。三相電流的仿真波形如圖6所示。

利用PSIM的FFT分析工具對(duì)輸出A相電流iA的諧波分布情形進(jìn)行分析,FFT結(jié)果表明相電流中諧波含量較少,主要集中在l00/l40/220/260Hz附近,即5次和7次諧波、ll次和l3次諧波處,隨諧波次數(shù)增加,諧波含量明顯減少。FFT分析結(jié)果如圖7所示。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)模塊化的矩陣式變流器的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析,在此基礎(chǔ)上,基于數(shù)字控制器設(shè)計(jì)了矩陣式變流器的控制策略。利用PSIM仿真工具驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制策略的有效性,所設(shè)計(jì)的控制策略能夠輸出指定頻率和幅值的三相電流,輸出電流相位準(zhǔn)確、電流畸變·小,仿真結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)的方法的有效性。