T型三电平间接矩阵变换器拓扑结构和调制策略_马星河.pdf

第 卷第期年月电 力电子技术，型三电平间接矩阵变换器拓扑结构和调制策略马星河，康志鹏，赵军营，潘玥（河南理工大学，电气工程与自动 化学院，河南焦作）摘要：针对传统三电平间接矩阵变换器（）传 输 效率低，开关损 耗大，成 本 较高 等缺点。此处提出新 型型的拓扑 结构以及空间矢量调制策略。该变换器拓扑结构是由两个相同的整流器和一个型三电平逆变器组成。具有较髙的 电压传输比，其实现成本较低，控制策略也较为简单，相比传统的有 着更 好的可行性，新 型采用双空间矢量 调 制 策 略。整流级采取无零矢 量调制，使输入功率因数 达到 最 大。逆变级利用“最近三矢量”原则合成输出电压，计算基本矢量占空比，求得的最大电压传输比。通 过 搭建仿 真模型对提出的设计思路进行仿 真实验，结果证实了理论分 析的正确性。并且搭建样机平台，验证了所提拓扑和调 制策略的有效性。关键词：间接矩阵变 换器；整流级；逆变级；空间矢量调 制中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（），？，？，？：；：（）引言传统的间接 矩阵变换器电压传 输比较 低，无法应用 到高压大功 率场合，因此，研宄人员提出多电平矩阵变换器（），它打破了电压传输比不大于的限 制，有效提高电压传输比，实现高压大功 率输出，降低了开关损耗，减少输出电压谐波，具 有良好的输出波形。其中三电平技术应用最广泛。三电平逆变器具有输出电压谐波小、对器件耐压等级要求较低、开关损耗小等优点传统的是在的基础上，用三电平型逆变器代替开关逆变器，其没 有明确 考 虑中性基金项目：国家自然科学基金（）定稿日期：作者简 介：马星河（），男，副教授，研究 方 向为新型变频器。点平衡问题。为了提高输出性能，降低共模电压，减少 开关功率损耗，平衡电容电压，人们对型逆变器的拓扑结构和调制方法进行深入研宄。研宄发现，相对于传 统的型逆变器，型三电平逆变器具有传输效率高、开关损 耗小、所需的独立驱动电源少等优点被作为传统逆变器的替代品。然而型逆变器虽然具有良好的输出性能，但也包含中 间储能 元件，这影响到逆变器的尺寸、使用寿命和可靠性。同时整流级不可控，输入电流 失真，输入功率因数较低是型逆变器的缺点为避免型逆变器的缺点，同时扩 大在高 压大功率中的应用，将型三电平逆变器的概念与矩阵变换器相结合，提出一种新颖型，采用双空间矢量法对 其拓扑结 构进行调制。仿 真和实验结果验证了所提拓扑和调 制策略的有效性。第卷第期年月电力电子技术，型拓扑整流侧控制型的拓 扑 结 构如图所示。该拓扑结 构由两个相同的整流器和一个型三电平逆变器组成。该变 换器采用双空间矢量调制策 略。整 流级采用无零 矢量调制策略，可以输出最 大直流电压。逆变器级采用空间矢量 调 制策略，产生幅值和频率可调的正弦输出电压。整 流级和逆变级分 别基于参考输入电流矢量和输出电压矢量进行控 制。两 部分相互统一，保持输入电流和输出电压平衡。整流器有个双向开关：乂。，￥），￥，￥？。两个整流器产生上、下直流电压，向逆变侧提供直流电压。根 据图所示，型三电平逆变器的每个支路有个和个反并联二极管。双向开关（丫，和）连 接 在直流侧电压中点和输出端之间，其他两个开关（和）的布置与传统的两电平 逆变器类似。与传 统的相比，所提拓扑结 构的功 率开关数 量 较少。矩阵变换器的输出特性与功率 开关状态 有直接关系，逆变侧的功率开关通断情况不同，输出效果也 不？样。以相为例，对矩阵变换器的工作原理进行分 析。以直流 侧中点为参 考，则每相桥臂可输出种电平，分别对应状态，。表为相 桥臂输出不同电平时对应的开关状态。设三相输入电压为：），（）（）式中：为三相输入相电压幅 值；坤为三相输入角频率。整 流侧有种开关组合。空间矢量图中个有效矢量和个零 矢量夂，。如图所示，有效矢量将空间矢量划分为个扇区。假设参 考 输入电流 矢量位于扇区（矣矣），选 择相邻的两个有 效矢 量和乙合成。和占空比如下所示：（）（）式中：为 整流级的调制 系数。（）（）为了完成采样周期，使用零 矢量。然而，为了保持直流母 线 最大 输出电压，忽略 零 矢量。因此，重新计算的占空比二也（）（）扇区中，开关在采 样周期内处于 导通 状态，处于调制状态。在采样周期内导通时间分别为义？；。由式（），（）可推导出线电压心，其占空比分别为足，。因为整流侧由两 个 完 全相同的整 流器组成，因此直流电压，公式为：（）（）（）逆变侧输入直流电压为：表不同 电平对应的相开关状 态 电平通軌断断通通：断断断断通（）由式（）可得，；的最小值为：？（）表总 结了个扇区分别对 应的角度，每组两个最大 线电压，以及有效 矢量的占空比表达式。型三电平间接矩阵变换器拓扑结 构和调 制 策略表整流侧有效矢量的占空比最近三矢量 法 扇区角度整流器开整流器开关导通关调制占空比（乂，两个最大线电压一？（，），（，）（知，（，（叫，？（，。（，）（）（？，！（，）（？）逆变侧控制为生成所需的输出电压，逆变 侧 使用进行控制，参考电压 空间矢量为：（，）（）式中：为逆变 侧的调 制系数，；为输出 角频率。的最 大值为中矢量的长度：（）图为型三电平逆变器空间矢 量图。逆变器具有个基本矢量，其中个有效矢 量，分为长、中、小类矢量；个零矢量，见表。法通过个步骤生成参考电压：第步：确定参考电压矢量位置并找到合成参考电压矢量的个基本矢量；第步：在采样周期内计算这些基本矢量的占空比；第步：确定各个基本矢量对应的状态次序。由图可见，个长矢量将全图划分为个大扇区，每个大扇区 中包含个小三角形区域。在采样周期内，当参考电压落 在 其中某个小三角区域时，选择该区域离最近的个基本电压矢量来合成。如图所示，找到 离参考矢量最近的个 基 本矢量，其占空比和有 效矢 量关 系 如 下：，式中：厂，；分别为矢 量对应的作用时间。（）式中乂，分别为的占空比，根据 表中的方程确定每个所选矢量的占空比。图逆变侧空间矢量图扇区和区域划分 表第大区域基本矢量占 空 比小区域，名（）；（）根据所在区域，确 定扇区中一个采样周期内所选矢量的状态次序，见表。表各区域矢量状态次序 表三电平基本矢量类型 基本矢量类型对应的三相开关状态长矢量，中矢量小矢量，零矢量，区域矢量状态 次序厂仏。以 丨！，？，！？！？！？在一个 调 制周 期内，逆变级存在种 开关状态。在 第开关状态 下，当应用到整流 侧时，确定个矢量仏占空比为：（）输出端的三相电流 （）直流侧图仿 真 波 形新型型，它克服传统 矩阵（下转第 瓦）（）相输电压、电流（）输出线电压电压实验波形；图为输出端三相电流实验波形。图为实验波形。由图可以看出，实验结果与仿真结 果吻合良好。以上分 析可以看出所提出的型三电平间接矩阵 变换器具有良好的输出特性。），（）？（）在第开关状态下，当应用 到整流侧 时，确定占空比为：），（）（）图显示当参考输入电流 位于扇区，参 考输出电压位于 扇区的区域时，整流侧和逆变侧的开关 序列。，整 流侧 开 关序 列！逆变侧开关序 列？！？了？：！？；！）；：图整流级和逆变 级开关序列排布图 最大传输比计算定义为输出电压 和输入电压之间 的 电压传 递比，则：（）由式（），（），（）可得最大电压传输比为：（）仿真与 实验验证为了对 所 提拓扑结构和调制策略的有效性和正确性进行验证，使 用软件仿真平台，建立的仿真 模型。利用基于 为主控 器的样机实验 设备进行相关实验。实验 参数与 仿真参数 相同。参数 如 下所示：输入电压为；输入电压频率为；输入滤 波器各数值为，：；输出频 率为；负载为？；开 关频率为。图为相 输入电压、电流仿真波 形，输入电压、电流为正弦波，且电压、电流同 向位，输入功率因数 为。图 为输出线电压仿 真波形，能得到个电平合成的正弦 波；图示出输出端三相电流仿 真 波 形，三相输出 电流为正弦 对 称波形，谐波含量很小。图为直 流 侧波形，直流侧电压由两个输入线电压合成。在整流侧控制中，由于零 矢量被 消 除，直流侧电压 不会为零。图为输出端电压频谱图，可见，输出电压几乎不含 低 次谐波，高次谐波主要集中在 开关频率 附近。图 为相输入电压、电流实验波形；图为输出线 谐波次 数图输出端电压频 谱 （相输入电压电流 （）输出线电压（）输出端三相 电流（）直流侧图实 验 波形 论将型逆变器和整流器结合，提出一种弟 卷第期电力电子技术，年月 运汆昀迴馨装蝴（？态，此时权重值约为，变换器电流应力降到了 左右，并且回流功率优化效 果 也 很显著。（格）（格）（）传 统控制（）策略图应用策 略 前后对比 结论通过分析变换器在控制下 的运行状态，针对电流应力与回流功率提出。通过仿 真与实验验证可得的引入能够起到约束作用，使得控制策略可以确定 移 相比取值范围，确保变换器处于轻载运行状态。目标函数的构建与梯度下降法的应用使得 所提优化控制策略可以自主确定 权重值以便于变换器运行时同步降低电流应力与回流功率，对提高运行效率有一定的作用。后续工作可以针对完全消除回流功率方向进行改进与完善。参考文献艾欣，荣经国，吕正，等一种新型 的能量路由器结构及其控制 策 略的研究电网技术，（）：，？，？，（）：余伟臣，高明，干方宇，等基于双重同步内移相的 回流功率简化控制电力电子技 术，（）：周兵凯，杨晓峰，张智，等能量路由器中双有源桥直流变换器多目标优化控制策略丨几电工技术学报，（）：王洋，赵训威双有 源桥变换器电流应 力 优化电力电子技术，（）：，曾进辉，孙志峰，雷敏，等双重移相控制的双主动全桥变换器全局电流应力分析及优化控制策略电工技术学报，（：胡燕，张天晖，杨立新，等双重移相变换器回流功 率优化与电流应力优化的对比研宄】中国电机工程学报，（）：杨向真，孔令 浩，杜燕，等基于动态矩 阵控制的 变换器电流 应力与回流功率优化 方法电力 系统自动化，（）：（上接第页）变 换器电压传输比限 制，可应用在高压大 功率的场合，同时避免型逆变器存在的电压平衡问题，完美继承了逆变器和间接矩阵变换器的优点。提出双空间矢量调制策略，可使电压传输比达到。仿真和实验验证了所提拓扑结 构和调 制策略的可行性。参 考文献，？，（）：，？，（）：，？：，？：，？：，？：张建忠，胡路才，徐帅一种零序电压注入的型三电平逆变器中点电位 平衡 控制 方法电工技术学 报，（）：徐质闲，王政，王学庆，等型三电平双三相永磁同步电机驱动零 共模电压模型 预 测 控 制中国电机工程学报，（）：李善寿，陶勇，叶伟，等抑制型三电平逆变器共模电压的调制策略高电压技术，（）：第卷第期电 力 电子技术，年月（班）