中心議題:

• 基于雙空間矢量調制方法分析矩陣變換器
• 學(xué)習雙空間矢量調制策略

解決方案:

• 實(shí)現矩陣變換器的空間矢量調制方法

傳統的AC／DC／AC變換器體積和重量龐大(存在直流環(huán)節)，諧波電流的存在對其他的設備有嚴重的影響。矩陣變換器的提出解決了這些問(wèn)題，相比較傳統的變換器，矩陣變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)沒(méi)有電感器或電容器這樣體積龐大的儲能元件，結構緊湊，體積大大減??；
2)通過(guò)濾波器，開(kāi)關(guān)頻率諧波能夠減少到符合要求，就可以得到正弦輸入電流；
3)可控的輸入功率因素，可達到1，更高的可靠性；
4)雙向開(kāi)關(guān)的使用，使變換器的四象限換流非常容易，能量可雙向流動(dòng)；
5)對復雜的環(huán)境條件具有很高的適應度，能在高、低壓環(huán)境中使用，也可以用在高溫環(huán)境中，諸如太空和水下(因為電解電容的使用受到限制)，非常適合用在潮汐發(fā)電站中。

基于上述諸多的優(yōu)點(diǎn)，使矩陣變換器越來(lái)越多地被關(guān)注，然而，至今它還不是一個(gè)成熟的技術(shù)。焦點(diǎn)主要集中在它的拓撲結構，控制方法，換流技術(shù)。通常使用的控制方法是空間矢量調制法，而在現有的資料中很少有非常詳盡的描述。本文將對矩陣變換器應用雙空間矢量調制法進(jìn)行詳盡的分析。

1 雙空間矢量調制策略

矩陣變換器應用雙空間矢量調制法(SVM)時(shí)可以等效為一個(gè)虛擬的整流器和一個(gè)虛擬的逆變器，它們的6個(gè)有效的空間矢量分別如圖1所示，對輸入電流和輸出電壓分別進(jìn)行嵌套。從而有36種可能的扇區組合。

以虛擬整流器、逆變器均工作在第一扇區為例，相量合成的固定空間電流、電壓相量分別是I6、I1和U6、U1，兩個(gè)空間相量的綜合調制采用相互嵌套的辦法來(lái)實(shí)現。整個(gè)輸入相電流和輸出相電壓相量合成共有I6-U6、I6-U1、I1-U6、I1-U1、I0-U0 5種組合。每一相量組合的作用時(shí)間用占空比duty來(lái)表示。等式(1～5)反映了占空比的計算公式。占空比可以通過(guò)表1來(lái)分配給相應的開(kāi)關(guān)組合。 式中，θi、θv是相應輸入相電流的相角和輸出線(xiàn)電壓的相角。m為調制比。當4個(gè)占空比的總和小于一個(gè)周期時(shí)，補充零開(kāi)關(guān)組合來(lái)完成一個(gè)PWM周期，零開(kāi)關(guān)組合的占空比計算公式如下： 等式(1～5)表明了4個(gè)作用矢量和一個(gè)零矢量在每個(gè)采樣周期內的持續時(shí)間。每個(gè)占空比相應于表1一個(gè)特定的開(kāi)關(guān)組合。表1中電壓矢量在4、5、6扇區的符號值可以通過(guò)以下方法得出。
1)如果Iin和Vout同是奇數或者偶數的話(huà)，符號順序是：-++-。比如說(shuō)當輸入電流在第6扇區，輸出電壓在第2扇區，那么作用順序是：-7，+8，+1，-2。2)如果輸入電流和輸出電壓相量一個(gè)在奇數區，另一個(gè)在偶數扇區，符號順序是：+--+。比如說(shuō)輸入電流在第5扇區，輸出電壓在第2扇區，那么作用順序是：+8，-9，-2，+3。通過(guò)這種方法，會(huì )大大降低內存空間。表格的大小從6x6x4=144個(gè)相量降到3x3x4=36個(gè)相量，也就是說(shuō)比普通的空間矢量調制方法使用的內存空間減少了75％。


空間矢量調制法只確定開(kāi)關(guān)間隔中應用電壓矢量的占空比，從而獲得低頻率的輸出電壓和輸入電流的平均值，但是并沒(méi)有確定使用的順序。所以需要使用雙空間矢量調制法，同時(shí)也可改善波形的質(zhì)量。圖2表明了輸入電流在4扇區，輸出電壓在5扇區應用雙空間矢量調制的順序。電壓矢量在開(kāi)關(guān)間隔中對稱(chēng)分布，零矢量每4個(gè)開(kāi)關(guān)間隔使用一次。在每次開(kāi)關(guān)轉換中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變以最大程度地降低損耗。在圖2中通過(guò)表格2確定相應開(kāi)關(guān)時(shí)間： 每個(gè)零矢量：0a，0b，0c，每次所使用的時(shí)間為t_0y，因為零矢量在一個(gè)周期中要使用6次，表2表明了當測試的輸入電壓是線(xiàn)電壓的時(shí)候，14種矢量所有可能的組合。如果輸入電壓是相電壓，那么必須重新來(lái)排列Look-up table。每次雙空間矢量調制順序在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中應用14個(gè)矢量。矢量的次序不是隨機的，為了降低損耗每次開(kāi)關(guān)轉換只有一個(gè)輸出相改變。每個(gè)順序都是固定的，也就是說(shuō)，矢量必須按照表格2的次序來(lái)排列。表格3是一個(gè)具體的例子。序列的第3個(gè)元素(相量6或者相量9)對應不同的占空比。占空比a，b，c，d的順序并不總是相同。這是輸入電流和輸出電壓所在的扇區來(lái)決定。占空比的順序是：1)如果輸入電流和輸出電壓所在的扇區都是奇數或者偶數，作用順序為；duty_a，duty_c，duty_d，duty_b；2)如果輸入電流和輸出電壓所在的扇區一個(gè)是偶數，一個(gè)是奇數，作用順序是：通過(guò)這種方式，不同的占空比就與相應的相量對應。
[page]
2 仿真研究

盡管現有的DSP技術(shù)和FPGA技術(shù)處理速度很快，很有效，但矩陣變換器的控制仍非常復雜，在仿真中，若按傳統方法使用定義好的Simulink模塊，會(huì )非常繁瑣，因為必須正確的設置大量的參數，而又沒(méi)有合適的調試工具。通過(guò)Matlab／Simulink里的功能強大的S函數，S函數完美地結合了Simulink框圖簡(jiǎn)潔明快的特點(diǎn)和Matlab編程靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，可充分利用Matlab提供的豐富資源，調用各種工具箱函數，實(shí)現模塊所無(wú)法實(shí)現的復雜功能，從而使問(wèn)題大大簡(jiǎn)化。編程中既可以使用C語(yǔ)言，也可以使用Matlab語(yǔ)言來(lái)實(shí)現空間矢量調制法。使用后者會(huì )更簡(jiǎn)單些，以下是部分程序： 矩陣變換器開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)信號從S函數模塊的輸出端獲得，S函數模塊的輸入是輸出電壓參考向量和輸入功率因素?？梢詫臻g矢量法的執行時(shí)間有一個(gè)完整的控制。整個(gè)平臺的仿真速度比離散模塊快很多，分析方法更清楚明了?？梢噪S時(shí)在調制方法中增加額外的功能。

3 Matlab-Simulink的仿真結果

設定的輸出頻率為100 Hz，電壓調制比為0．75，仿真算法為ode15s，仿真時(shí)間為0．4s，濾波參數為L(cháng)=100mH，C=70μF，負載為星形連接感性RL負載，采用輸入功率因素為1的控制策略，輸入相電壓和相電流基本同相位，仿真結果表明矩陣變換器的輸出電壓是一個(gè)正弦性很好的PWM波形，諧波分量比較小，輸出線(xiàn)電流的正弦性較好，驗證了控制策略的正確性，以下為各仿真波形。

4 結論

該文介紹了一種有效快速的方法來(lái)實(shí)現矩陣變換器的空間矢量調制方法。仿真結果證明：可減少仿真模塊的數量，縮短了模擬仿真時(shí)間，調試容易，給矩陣變換器的實(shí)際設計奠定了堅實(shí)的理論基礎。