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分析双级矩阵变换器输出电压非线性根源与特征。鉴于它和双PWM变频器、传统矩阵变换器在结构和功能方面的相似性,对其非线性特征进行对比分析,发现双级矩阵变换器的非线性有其明显的独特性,如窄脉冲、器件电压降、滤波电容电压纹波等,这些问题与调制策略、工作机理、拓扑结构和运行状态等有关。为保证系统可靠运行,补偿非线性所带来的负面影响,提出一种修正调制算法,并给出基于变载波调制的非线性补偿策略,克服了已有算法在实现上的固有缺陷,提高了系统波形质量。在高调制系数区域内,性能改善尤为明显,运行可靠性也相应提高。实验结果证明了所提方案的正确性及可行性。
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第 30 卷 第 12 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.30 No.12 Apr.25, 2010
20 2010 年 4 月 25 日 Proceedings of the CSEE ©2010 Chin.Soc.for Elec.Eng.
文章编号:
0258-8013 (2010) 12-0020-08
中图分类号:
TM 46
文献标志码:
A
学科分类号:
470·40
双级矩阵变换器的非线性分析及其补偿策略
孙尧,粟梅,王辉,桂卫华
(中南大学信息科学与工程学院,湖南省 长沙市 410083)
Nonlinearity Analysis and Compensation Strategies for Two-stage Matrix Converter
SUN Yao, SU Mei, WANG Hui, GUI Wei-hua
(School of Information Science & Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan Province, China)
ABSTRACT: The nonlinearity sources and features of
two-stage matrix converter (TSMC) output voltage were
analyzed. Due to the similarity of two-stage, traditional matrix
converter and active-front-end converter in terms of structure
and function, comparisons were carried out. It was found that
the nonlinearity of TSMC had many special features, such as
narrow pulse, device voltage drops and ripples of filter
capacitor which was concerned with modulation strategy,
operating mechanism and topologies. To meet the end of
reliable operation and compensate the negative affects of
nonlinearity, revised modulation strategy and nonlinearity
compensation algorithms were proposed. The key to the
improved modulation strategy was one time varying
distribution factor which was introduced to overcome the
constraints from real practice, and the minimum narrow pulse
restriction could be met without special handling. As a result,
the waveform quality of TSMC both in output and input was
improved greatly, especially in the region where the
modulation index is close to limitation. The experimental
results verify the feasibility of the proposed method.
固有缺陷,提高了系统波形质量。在高调制系数区域内,性
能改善尤为明显,运行可靠性也相应提高。实验结果证明了
所提方案的正确性及可行性。
KEY WORDS: two-stage matrix converter (TSMC);
nonlinearity compensation; carrier-based modulation; narrow
pulse; total harmonic distortion
摘要:分析双级矩阵变换器输出电压非线性根源与特征。鉴
于它和双 PWM 变频器、传统矩阵变换器在结构和功能方面
的相似性,对其非线性特征进行对比分析,发现双级矩阵变
换器的非线性有其明显的独特性,如窄脉冲、器件电压降、
滤波电容电压纹波等,这些问题与调制策略、工作机理、拓
扑结构和运行状态等有关。为保证系统可靠运行,补偿非线
性所带来的负面影响,提出一种修正调制算法,并给出基于
变载波调制的非线性补偿策略,克服了已有算法在实现上的
基金项目:国家自然科学基金项目(60674065,60804014)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China
(60674065, 60804014).
关键词:双级矩阵变换器;非线性补偿;载波调制;窄脉冲;
总谐波畸变率
0 引言
矩阵变换器
[1-3]
具有能量双向流通、正弦输入输
出电流、输入功率因数可控、结构紧凑等优点,是
当前研究热点之一。双级矩阵变换器(two-stage
matrix converter,TSMC)
[2-3]
是从传统矩阵变换器衍
生出来的一种新型拓扑,二者调制思想基本一样,
功能上也几乎等价,不同的是双级矩阵变换器在物
理上存在矩阵式整流部分和普通逆变部分。除此之
外,双级矩阵变换器还可根据特定的应用需求做适
当裁剪,功率器件的数目可适当减少,同时它还可
以实现零电流换流,因此,换流复杂度降低,开关
损耗减少,可靠性得到了提高。
功率变换器优良的输入电流质量是绿色变频
装置的必要条件,而高质量的输出电压波形则是高
性能驱动的基本前提。矩阵变换器在理论上具备上
述条件,但由于其在工程实现中不可避免地会受到
各种物理限制(如器件性能约束、处理器及传感器性
能约束等),因此其输入输出性能会受影响。目前,
器件性能约束是提高矩阵变换器性能最主要的瓶
颈之一。由于目前没有理想双向开关,多数双向开
关由 IGBT 和二极管通过一定方式组合而成。安全
换流是实现矩阵变换器性能的重要保障,四步换流
作为主要换流方式,在其实现的过程中需要安插几
段一定时长的死区,从而导致输出电压畸变。文献[4]
分析了四步换流和两步换流中死区对输出线电压
的影响,提出了补偿办法。文献[5]进一步考虑器件
第 12 期 孙尧等:双级矩阵变换器的非线性分析及其补偿策略 21
压降的影响,提出了一种基于前馈、反馈相结合的
补偿办法。双级矩阵变换器由于拓扑结构的独特
性,具体工程约束对其输入输出特性的影响也有所
不同,但因其是物理上的电压型逆变器,输出非线
性与普通逆变器还是有一定相似之处。近 20 年来,
研究人员在普通电压型逆变器非线性补偿方面取
得了诸多成果:文献[6]提出的电流重构方法,一
定程度上解决了电流过零点附近极性检测问题;文
献[7-9]考虑了零电流钳位效应对输出电压的影响,
提出了补偿措施;文献[10]根据非线性的周期性,
提出了基于重复控制的补偿办法;文献[11]提出了
基于扰动估计的补偿方法;文献[12]提出了基于支
持矢量机对非线性离线建模,进行扰动前馈的补偿
方法。另外,文献[7]还分析了器件寄生电容对输出
电压的影响,文献[13]则考虑了器件动态、电缆和
电机的相互影响。从方法论上讲,对非线性进行补
偿主要有 2 种方式:一种是对非线性进行精确建模,
然后对其前馈补偿,优点是补偿响应快,但要求工
程师对系统非线性掌握较为完全;另一种是通过闭
环反馈的方式,设计反馈算法,使系统自动抑制不
确定性(非线性)。从调制方法上讲,补偿主要有基
于载波调制和空间矢量调制 2 种方式
[14]
。
和普通逆变器一样,双级矩阵变换器输出电压
将同样受到死区、计算机有限字长、处理速度、器
件开通、关断延时、器件寄生电容、吸收电路、零
电流钳位及器件管压降等影响,同时,矩阵变换器
的输入滤波电容纹波、滤波电感压降、复杂的管压
降,也会对其输出性能产生影响。除此之外,由调
制策略特殊性所导致的窄脉冲问题也是一道棘手
的难题。通常,为了减少电压畸变率而采用双边对
称调制,但由于矩阵变换器输入电流合成的需要,
用于合成输出电压的两段中间直流电压在时间分
配上呈非线性变化。在扇区切换附近,其中一段所
分配的时间很小,若输出电压矢量也在扇区切换附
近,窄脉冲问题将相当突出。由于电网频率和输出
电压频率没有固有联系,上述严重的窄脉冲问题在
输出电压空间中的分布无确定规律,这样就使得问
题更加复杂。为了保证安全运行,常采取工程上的
“四舍五入”进行近似,但输出性能严重下降。经
过分析发现,这个问题是由已有算法的不合理性所
造成的,但从本质上来说,矩阵变换器的特殊性有
利于避免这一问题,本文将通过引入适当的分配因
子,解决此问题。
本文首先分析双级矩阵变换器非线性问题的
来源,比较它们的相对重要性;研究因调制策略而引
起的窄脉冲问题,提出一种修正载波零序分量和自
适应选择载波类型的办法,解决了窄脉冲引起的非
线性问题,并提出由死区引起的非线性补偿方法。
1 非线性来源分析
1.1 采样、计算时滞
采样和计算时滞效应在数字控制系统中难以
避免。在脉宽调制(pulse width modulation,PWM)
逆变器中,常伴随一个采样周期的时滞,这在高性
能系统应用中,会严重影响系统动态响应和输出电
压质量。在双级矩阵变换器中,由于没有大的中间
储能环节,逆变部分直接和整流部分耦合,整流部
分的时滞效应使得输出电压质量进一步恶化。若在
调制过程中,仅采用输入电压相位和有效值信息,
那么采样、计算时滞的影响可以用数学表达式近似
描述为
os
*
oo si
e(1 tan
T
T )
ω
ω
ϕ
−
=
−uu
(1)
式中:u
o
*
为期望输出电压矢量;
ω
i
、
ω
o
、T
s
和
ϕ
分
别为电网电压角频率、输出电压角频率、采样周期
和输入端功率因数角。如果要求调制策略具有抑制
电网不平衡的能力,三相电压的完全信息将被采
用,此时,时滞影响的表达式会更复杂。
1.2 输入滤波器的电容电压纹波和电感压降
双级矩阵变换器的拓扑结构如图 1 所示,其中
输入滤波器未详细画出,其输入端等效电路如图 2
所示。
f
2
rec f
ff
()
1
()
1
C
us
Ls
is Cs
LCs
=≈
+
(2)
a
b
c
A
B
C
NO
U
dc
图 1 双级矩阵变换器拓扑结构
Fig. 1 Topology of TSMC
u
s
∼
i
L
L
f
u
C
C
f
i
rec
图 2 输入端单相等效电路
Fig. 2 Equivalent circuit of input part of TSMC
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