一種五相Boost矩陣變換器研究①

岳 舟

(湖南人文科技學院能源與機電工程學院 婁底 417001)

?

一種五相Boost矩陣變換器研究①

岳 舟②

(湖南人文科技學院能源與機電工程學院 婁底 417001)

研究了矩陣變換器的控制方法，針對傳統矩陣變換器“虛擬逆變部分”拓撲大多是推挽式、半橋式和全橋式結構，因而電壓傳輸比較低的情況，提出了一種五相Boost矩陣變換器的結構。該結構整流側采用傳統的矩陣整流電路，其控制策略采用無零空間矢量調制，虛擬逆變部分則采用Boost逆變電路，該逆變電路具有升壓特性，能提高矩陣變換器的電壓傳輸比，其電壓傳輸比可以達到1.0甚至更高。對該矩陣變換器的滑模變結構控制策略進行了研究，而且通過仿真和樣機實驗驗證了其理論的正確性，為矩陣變換器的工業應用提供了一定的理論基礎。

Boost逆變電路, 五相矩陣變換器, 滑模變結構控制, 電壓傳輸比

0 引 言

在不提高定子單相繞組電壓和電流的情況下，多相異步電機一般通過增加定子繞組的相數來提高電機單機的功率容量。多相異步電機調速系統由于具有諸多優點，如可用低壓功率器件實現大功率調速、具有多相冗余結構使調速系統的可靠性得以改善、轉矩脈動小等，已逐漸在國防軍工及可靠性要求高的大功率領域內得到應用[1]。而其功率轉換系統的多相矩陣變換器(matrix converter, MC)是目前先進的AC-AC變換技術之一，該多相MC的優點是體積小、重量輕，輸入電流和輸出電壓正弦性好，能夠實現交流輸入以及交流輸出，并可以實現四象限運行，因此，多相MC成為現代電力電子行業研究的熱點[2]。

對多相MC的研究在國內才剛剛起步，而國外則已經開始致力于六相MC的研究。五相MC作為多相變換器中具有代表性的一種，其理論研究的成果為多相MC的理論研究以及研制能夠提供強有力的理論基礎[3,4]。目前國內對MC的研究主要集中在三相MC的調制策略以及它的輔助電路上，因此，對多相MC的研究可以作為一個全新的方向[5]。

傳統矩陣變換器作為電能轉換技術的研究熱點，其優點是拓撲結構簡單緊湊，能量可雙向流通，能產生正弦輸入電流和輸出電壓，其輸入功率可調[6,7]。然而，傳統矩陣變換器的電壓傳輸比較低，理論上最大值為0.866。本研究提出了一種五相Boost矩陣變換器(MC)，其逆變側采用Boost逆變器的拓撲結構方案，可以提高電壓傳輸比。本文詳細介紹了五相Boost MC的拓撲結構，重點介紹了逆變側采用的滑模變結構控制策略，最后利用Matlab/Simulink工具對五相Boost MC控制系統進行了仿真研究，同時采用TI公司的數字信號處理(DSP)芯片(TMS320F2812) 作為核心控制芯片，制作了一臺1KW的原理樣機。從仿真研究和樣機實驗得到的結果可以看出，在一定的范圍內，本文提出的五相 Boost MC在改變電壓傳輸比時，可以任意調節輸出電壓的幅值和頻率。

1 拓撲結構及工作原理

在文獻[8]的基礎上，得到Boost逆變電路的結構原理如圖1所示。拓撲結構中采用兩組對稱的Boost變換電路，在兩組雙向Boost變換器的輸出端連接負載，每組Boost變換器都跟蹤和放大一個擁有直流偏置但相位相差180°的正弦波參考信號，使輸出的電容電壓V1和V2跟隨參考電壓變化，從而調節Boost逆變器的輸出電壓，以實現DC-AC的變換。輸出電壓V1受主開關管VM2占空比的控制，對VM3和VM4采用相同的控制方法。因此對VM2和VM4占空比的控制，可以使輸出電容電壓V1和V2隨參考電壓而變化，從而使兩組Boost變換器輸出為帶直流偏置且相位互差180°的正弦波[8,9]。V1和V2用下式表示：

圖1 單相Boost逆變器的拓撲結構

V1=Vmsinωt+Vdc

(1)

V2=-Vmsinωt+Vdc

(2)

那么負載上的輸出電壓表達式為

Vo=V1-V2=2Vmsinωt

(3)

由于Boost逆變器采用的兩組對稱Boost變換器都是獨立工作的，所以這里可以將一組Boost變換器看作理想的電壓源，通過它向另一組Boost變換器提供具有直流偏置的正弦波電壓。因此得到Boost逆變器的等效電路如圖2所示[10]。

圖2 Boost逆變器等效電路

五相 Boost MC的拓撲結構是在研究普通三相Boost MC的基礎上得到的，其拓撲結構如圖3 所示。五相Boost MC采用AC-DC-AC雙級變換的結構形式，中間直流環節無儲能元件。整流側采用傳統的矩陣整流電路，逆變側則采用五相Boost逆變器，通過改變占空比，來實現任意調節交流輸出電壓的幅值和頻率。

圖3 五相Boost MC拓撲結構圖

2 控制方法研究

五相Boost MC的整流側采用傳統的矩陣整流電路，其控制策略采用無零矢量的空間矢量調制。為了獲得最大的整流輸出電壓，整流級在一個脈寬調制(PWM)周期內不出現零矢量，而只產生兩個有效的空間矢量。五相Boost MC的逆變側采用Boost逆變電路，采用的控制策略是滑模變結構控制。

2.1 整流側的無零矢量空間矢量調制策略

五相Boost MC的整流級由10個雙向開關組成，根據雙極MC的調制策略可以得到五相Boost MC整流側的無零空間矢量調制策略[11,12]。

假設三相輸入電源電壓為

(4)

式中，ω1為輸入角頻率，Um為輸入電壓幅值。

根據文獻[13]，在單位輸入功率因數條件下，一個PWM開關周期內整流輸出電壓的局部平均值為

(5)

其中，cos(θi)=max(|cos(θa)|, |cos(θb)|, |cos(θc)|)。

2.2 逆變側的滑模變結構控制策略

通過對五相Boost MC拓撲結構的分析，其逆變級電路是對稱的，所以為了簡單起見，這里僅對其中一相Boost變換器進行分析。根據文獻[14]，得到Boost變換器的狀態方程為

(6)

選擇滑模切換面[15]：

S(x,t)=GX+φ=0

(7)

其中，G為1×N型正定矩陣?？傻没？刂埔幝蔀?/p>

(8)

滑動模態的到達條件為

(9)

由式(6)和式(7)得

(10)

其中，ueq是等效控制。將求得的等效控制與三角波比較產生PWM脈沖，控制開關導通和關斷。

假定

(11)

式中Vref為x2的參考值，G=[k1,k2]，則滑模面函數為

S(x,t)=k1x1+k2x2+(x2-Vref)dt

(12)

對式(10)進行時間變量求導，得

(13)

將式(6)代入式(13)可得

(14)

將G、φ、A(x,t)、B(x,t)代入式(10)得等效控制為

ueq=-[k1(E-x2)+k2x1L+k2(V2-x2)L/R +LC(x2-Vref)]/(k1x2C-k2x1L)

(15)

因此，滑動模態的到達條件式(9)可改成：

(16)

(17)

由式(14)和(15)可以得到方程(6)的穩定工作點為

(18)

將方程(6)的穩定工作點代入式(16)和(17)，可以計算k1和k2的取值范圍。

3 系統仿真研究

在理論研究的基礎上，應用Matlab/Simulink仿真工具對五相Boost MC系統構建了仿真模型。其中任意一相Boost變換器的滑模變結構控制仿真模型如圖4所示。根據上述理論分析和仿真研究，最終確定滑模系數k1為0.1，k2為0.26。圖4中的正弦波發生器作為參考輸出電壓與Ua(其中的一相實際輸出電壓)相減，所得結果乘以滑模參數k1，ia(其中一相輸出電流)經濾波后乘以滑模參數k2，把兩項結果相加即得滑?？刂屏??；？刂屏拷浵薹K限幅之后，利用S函數判斷從而得到開關控制信號，控制圖2中VM1和VM2的通斷。

圖4 一相滑模變結構控制仿真模型

參考輸出相電壓峰值設為311V，即電壓傳輸比為1.0時，參考電壓頻率分別設為50Hz和80Hz；參考輸出相電壓峰值設為500V，即電壓傳輸比為1.6時，參考電壓頻率分別設為50Hz和80Hz；采用滑模變結構控制方法在上述設定情況下分別對五相Boost MC系統進行了仿真研究。圖5是參考電壓為311V/50Hz時的中間直流電壓仿真波形，圖6是參考電壓為311V/50Hz時的輸出電流仿真波形，圖7是各種參考電壓設定情況下的輸出相電壓仿真波形和頻譜分析。

圖5 中間直流電壓仿真波形

圖6 輸出電流仿真波形

從仿真結果可以看出：滑模變結構控制的啟動性能較差，在沒有進入滑模面之前，系統存在超調，并且其快速性不夠；五相Boost MC能實現輸出電壓幅值和頻率的任意調節；輸出電壓為五相對稱正弦波，總諧波畸變率(THD)全部在5%以下。

4 樣機實驗

為進一步驗證所提五相Boost MC基本原理的正確性以及控制方法的有效性，采用TI公司的DSP芯片(TMS320F2812) 作為核心控制芯片，完成了一臺1kW的原理樣機。

(a) 參考電壓為311V/50Hz

(b) 參考電壓為311V/80Hz

(c) 參考電壓為500V/50Hz

(d) 參考電壓為500V/80Hz

圖8為中間直流電壓實驗波形。圖9是在參考電壓設為100V/50Hz的情況下，五相輸出線電壓的其中一相線電壓(UAB)實驗波形。從實驗結果可以看出：輸出線電壓為正弦波，電壓峰值達到100V左右，輸出波形質量較好。實驗波形和仿真波形基本吻合，從而驗證了所提控制方法應用于五相Boost MC的正確性和有效性。

圖8 中間直流電壓仿真波形

圖9 一相線電壓實驗波形

5 結 論

仿真研究和樣機實驗表明，輸出的電壓和電流為標準正弦波，總諧波畸變率較低，電壓傳輸比達到甚至超過1.0，有效地解決了傳統MC電壓傳輸比低這一固有缺陷。仿真和實驗同時驗證了五相Boost MC能夠實現輸出電壓幅值和頻率的任意調節，從而為MC在工業領域中的應用提供了一定的理論基礎。

[ 1] 陳帝伊, 申滔, 馬孝義. 參數不定的旋轉圓盤在有界擾動下混沌振動的滑模變結構控制. 物理學報, 2011,60(5): 50505- 050505

[ 2] 宗升， 何湘寧，吳建德等. 基于電力電子變換的電能路由器研究現狀與發展. 中國電機工程學報，2015,35(18)：4559-4570

[ 3] 張小平，朱建林，唐華平等. 一種新型Buck-Boost矩陣變換器. 信息與控制，2008，37(1)：1-6

[ 4] 張小平,尹翔,劉士亞. 基于Buck-Boost矩陣變換器的異步電機調速控制策略. 高技術通訊， 2014,24(8):842-846

[ 5] 楊國良, 李惠光. 直驅式永磁同步風力發電機中混沌運動的滑模變結構控制. 物理學報, 2009,58(11): 7552-7557

[ 6] 楊洪金,金愛娟,李少龍. 五相矩陣變換器逆變側控制策略的研究. 電氣應用, 2010,29(16):42-45

[ 7] 張小平, 朱建林, 文澤軍等. 一種基于雙閉環控制策略的新型矩陣變換器研究. 物理學報, 2007,56(5):2523-2528

[ 8] Kolar J W, Schafmeister F, Round S D, et al. Novel three phase AC-AC sparse matrix converters.IEEETransactionsonPowerElectronics, 2007, 22(5): 1649-1661

[ 9] Klumpner C, Blaabjerg F. Modulation method for a multiple drive system based on a two-stage direct power conversion topology with reduced input current ripple.IEEETransactionsPowerElectronics, 2005, 20(4):922-929

[10] 岳舟. 基于雙閉環控制的光伏發電用Cuk逆變器研究. 高技術通訊，2015，25(4)：423-428

[11] 黃賦光,謝運祥,楊蘋. 新型Boost逆變器的積分滑?？刂? 電力電子技術, 2004,38(1):7-9

[12] 韓思亮,馬皓. 新型Boost逆變器滑?？刂撇呗? 江南大學學報(自然科學版), 2004, 3(5):475-481

[13] 鄧文浪,楊欣榮,朱建林等. 18開關雙級矩陣變換器的空間矢量調制策略及其仿真研究. 中國電機工程學報, 2005,25(15):84-90

[14] 李衛國,艾濤,張波. 基于滑?？刂频腂oost逆變器并網研究. 電測與儀表, 2010,47(5):32-35

[15] 岳舟. 基于滑?？刂频腃uk光伏逆變器研究. 高技術通訊，2014，24(8)：852-857

Research of a five-phase boost matrix converter

Yue Zhou

(Department of Electrical and Mechanical Engineering，Hunan University of Humanities and Science and Technology， Loudi 417001

The control of matrix converters was studied, and a five-phase Boost matrix converter was presented to deal with the problem that traditional matrix converters have the lower voltage transfer ratio because their inverter’s to pologic structures are mostly of push-pull, half bridge and full bridge. The converter adopts the traditional matrix rectifier circuit, and its control strategy uses the zero space vector modulation. The virtual inverter section uses the Boost inverter circuit, and the inverter circuit has the voltage boosting performance to improve the voltage transfer ratio of matrix converter to 1 or even higher. The stratege for sliding mode variable structure control for the matrix converter was studied, and the theory correctness of the converter was verified by simulation and experiment for providing the theoretical basis for the industrial application of matrix converters.

boost inverter circuit, five-phase matrix converter, sliding mode variable structure control, voltage transfer ratio

①湖南省科技計劃(2014GK2004)資助項目。

②男，1982年生，碩士，副教授；研究方向：電力電子與電力傳動；聯系人，E-mail: yuezhou2000@163.com (

2016-05-23)

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.07.010