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许宇翔, 葛红娟. 四端输出三相–两相矩阵变换器间接控制策略[J]. 控制与决策, DOI: 10.13195/j.kzyjc.2018.0209.

四端输出三相–两相矩阵变换器间接控制策略

许宇翔, 葛红娟

研究背景

矩阵变换器被称为“绿色变换器”,具有对电网谐波污染小、输入功率因数控制方便、能量可实现双向流动,相比较常规的AC-DC-AC变换器,还具有功率密度大、寿命长等优点,非常适合对体积有严格要求的场合。日本安川、富士,以及德国西门子等公司已经开发出用于电机驱动的矩阵变换器产品;同时,国内外学者研究了在风力发电、新能源汽车充电等场合的应用。

三相-两相矩阵变换器是传统M相×N相矩阵变换器的一种特殊形式,除了应用在两相交流电机、有主副绕组的单相电机等两相负载场合,还在感应融炉加热、电机容错控制等场合得到推广。与常规三相-三相矩阵变换器类似,三相-两相矩阵变换器中间环节无大容量储能元件,输出不对称等异常情况将通过双向开关直接作用在输入侧,引起输入电流的畸变。现有对矩阵变换器在不平衡输入、不对称负载等异常情况下的控制策略研究集中在三相-三相矩阵变换器,国内外学者研究采用基于非线性控制方法、改进型重复控制等方法,实现输出负载不对称情况下能兼顾输入输出波形质量与系统稳定性。针对三相-两相矩阵变换器输出不对称的研究,德国学者提出采用了一种改进的相角调制方法降低输出两相不对称引起的输入电流谐波,该方法采用其中一相输出负载上的脉动功率来匹配另一相负载上的脉动功率,通过该原则获得了输出两相负载调制函数表达式,进而达到抑制输出脉动量目的,但上述原则的缺陷是无法单独调节两相电压,若同时两相负载需要独立调节幅值,此时输出二倍频输出频率的脉动功率通过双向开关耦合到输入,使得输入侧电流含有与输入输出频率均有关的谐波量。该现象产生的原因是输出功率含有一个脉动分量,中间环节无大容量储能环节导致了输出直接耦合输入,极大弱化了矩阵变换器对电网谐波污染小的优点。

主要内容

为了避免输出不对称条件下,输出脉动功率通过开关管直接作用到输入侧带来的电网谐波污染,本文提出了基于输出侧脉动功率吸收元件的四端输出矩阵变换器拓扑,通过合理设计输出三相调制函数,使得任意时刻输出侧与吸收元件上的脉动功率相互抵消,此时输出脉动功率将只在输出侧形成回路而不耦合到输入侧,理论上能抑制输出不对称对输入电流的影响,该拓扑能有效的提高系统输入性能。

输出侧为两相不对称的交流量,若直接对多个交流量进行直接并行控制,由于涉及到多路锁相环的设计,增加了系统控制的复杂性与难度。根据理论研究可知,当输出负载与输出不对称度一定时,输出侧与补偿侧三相电流加权合成量是一个常数,这样将需要控制的三组交流量转变为容易控制的一个直流量,且该合成的直流量与输出功率成正比。因此,本文针对所提的四端输出拓扑提出外环采用输出侧与补偿侧三相电流加权合成量来代替对负载侧与脉动功率吸收单元侧三相交流量的直接控制,并将该控制方法引入到双闭环控制中的外环中,与输入电流解耦内环构成了一种双侧级联式结构,此时对输入与输出交流量的直接控制均转变成对直流量的控制,降低了闭环控制策略实现的复杂性,同时改善系统的暂态过程、减小动态误差、提高动态性能。

针对输出不对称条件下,分别对常规三端输出与引入脉动功率吸收单元的四端输出三相-两相矩阵变换器进行研究与仿真对比,基本仿真参数设置如下:输入频率fi=50Hz,输出频率fo=60Hz,开关频率fs=10kHz,输出两相电压不对称度设置为0.5。部分仿真结果如下所示。

图1 无补偿单元常规三端输出拓扑下的输入电流波形与谐波分析

图1为基于无补偿单元的常规三端输出三相-两相矩阵变换器拓扑下三相输入电流波形与谐波含量分析仿真结果图,图中f0为输入电流中基波量的频率,f1和f2对应两个低频谐波量频率。由图1(b)可知,输出不对称下,输入电流中含有幅值含量较大谐波成分,经过Matlab分析得低频谐波频率分别为70Hz和170Hz,对应的低频谐波含量分别为32.4%和33.07%。

图2 带补偿电感四端输出拓扑下的输入电流与谐波分析

图2为基于带补偿单元的四端输出三相-两相矩阵变换器拓扑下三相输入电流iabc波形与a相输入电流ia的谐波分析仿真结果图。由图2(b)可知,输出不对称下,对补偿电感Lc对应的调制函数的合理设计,输出两相负载上的脉动功率被抑制在了输出侧,几乎没有耦合到输入侧,使得输入电流低频谐波成分(频率为70Hz和170Hz)极大减少。

图3 输出60Hz下的输入与输出电流动态仿真波形

图3为输出相1的电流i1由6A切换至8A的动态响应过程的仿真结果波形。由图3可知当负载电流发生切换时,输入三相电流动态响应时间短,切换过程平滑,无明显振荡,输入侧在不同功率下能保持较高的功率因数。

本文的价值与不足

本文针对不对称输出下常规三端输出三相-两相矩阵变换器的输入性能受输出脉动功率的影响,提出了在原有拓扑基础上引入脉动功率吸收单元的四端输出拓扑,通过合理设计输出侧与补偿侧的调制函数,理论上使得输出脉动功率无法耦合到输入侧。针对所提拓扑特点,避免对两相不对称输出的交流量进行直接控制,同时保证在异常条件下仍能获得良好的静态与动态性能为目标,提出了一种以输出侧与脉动功率补偿侧三相电流加权合成量作为间接控制对象的闭环控制策略。上述研究结果的价值在于通过设计输出补偿电感上的脉动功率抵消了输出侧不对称产生的功率脉动量,使系统在不对称输出下仍然能保持常规矩阵变换器对电网谐波污染小的优点,输出两相幅值能实现单独调节而不受制约,抑制了不对称输出对输入性能的影响,同时找到了一种提高三相-两相矩阵变换器动态响应性能的方法。

本文存在的不足之处主要有两个方面,1) 在本文提出的拓扑结构采用了12个双向开关管,开关管数量较常规的三端输出(9个双向开关管)多;2)当输出脉动功率较大时,输出采用电感结构的脉动功率补偿方法导致该单元的体积和重量均较大。上述两个问题将是本课题组需要进一步研究的内容。设计更加合适的补偿电路,简化系统的开关管数量。

作者介绍

许宇翔,南京航空航天大学电机与电器专业博士研究生,主要从事矩阵变换器及其控制技术的研究。

葛红娟,南京航空航天大学博士生导师,主要从事电力电子技术及电机控制等研究。

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