基于buck電路的矩陣變換器策略的改進(jìn)

魏萍，魏浩

(南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌330031)

基于buck電路的矩陣變換器策略的改進(jìn)

魏萍，魏浩

(南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌330031)

基于buck電路矩陣變換器的控制策略，動(dòng)作響應(yīng)快，具有一定的抗干擾性，而矩陣變換器的缺點(diǎn)是電壓傳輸比低。在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，在矩陣變換器前端加入z源網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)控制占空比和調(diào)制系數(shù)起到buck-boost的作用，提高矩陣變換器的電壓傳輸比。介紹了該方法的數(shù)學(xué)規(guī)則，給出對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管的占空比系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。通過(guò)Matlab/Simulink軟件建立矩陣變換器的數(shù)學(xué)仿真模型，驗(yàn)證了這一改進(jìn)的正確性和可行性。

矩陣變換器；z源網(wǎng)絡(luò)；升降壓；Simulink仿真

矩陣變換器(MC)在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，非常適合應(yīng)用于對(duì)裝置體積、質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合以及微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)低諧波要求的應(yīng)用場(chǎng)合。而矩陣變換器的缺點(diǎn)是電壓傳輸比低。本文在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，在矩陣變換器前端加入z源網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)控制占空比和調(diào)制系數(shù)起到buck-boost的作用，提高矩陣變換器的電壓傳輸比。

1 基于buck電路的矩陣變換器策略

文獻(xiàn)[1-2]提出了一種基于buck電路的矩陣變換器控制策略。傳統(tǒng)的直流降壓斬波電路(DC/DC buck)如圖1(a)所示，VT為可控制通斷的IGBT管，VD為普通二極管，提供續(xù)流通道和阻止反向電壓。根據(jù)上述拓?fù)洌帽晨勘彻布姌O的兩個(gè)IGBT管來(lái)代替原來(lái)的主開(kāi)關(guān)管VT和續(xù)流二極管VD，變換后的斬波電路如圖1(b)所示。在AN兩端通入正弦交流電，該電路的調(diào)制方式采用SPWM控制。當(dāng)通入的正弦電為上半波形時(shí)，即AN>0，VD2和VT2導(dǎo)通，進(jìn)行斬波，VD3和VT3導(dǎo)通，進(jìn)行續(xù)流，而VT1和VT4始終關(guān)斷。這樣加在負(fù)載兩端的電壓為正弦電壓的正半周期，流過(guò)負(fù)載的電流就為正弦交流電的正半周期(假設(shè)圖中箭頭所指方向?yàn)檎?。同理當(dāng)UAN<0時(shí)，VD1和VT1導(dǎo)通，進(jìn)行斬波，VD4和VT4導(dǎo)通，進(jìn)行續(xù)流，而VT2和VT3始終關(guān)斷，這樣加在負(fù)載兩端的電壓為正弦電壓的負(fù)半周期，流過(guò)負(fù)載的電流就為正弦交流電的負(fù)半周期。基于以上工作過(guò)程對(duì)該電路采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ涂梢缘玫狡谕敵鲱l率的負(fù)載電流。控制過(guò)程為：當(dāng)期望的輸出電流為正時(shí)，導(dǎo)通VT2、VT3，使輸入電壓AN>0；當(dāng)期望的輸出電流為負(fù)時(shí)，導(dǎo)通VT1、VT4，使輸入電壓AN<0。

圖1 直流降壓斬波電路

對(duì)于三相輸入電壓，把圖1(b)中的輸入相增至三相，則可組成如圖2(a)所示的結(jié)構(gòu)。

倘若采用雙極性控制，去掉負(fù)載旁邊的續(xù)流回路就得到如圖2(b)所示的結(jié)構(gòu)。其控制原理為：當(dāng)期望輸出的電流為正半周期時(shí)，比較三相電壓，如果哪相的電壓最高，則該相的IGBT管導(dǎo)通，進(jìn)行斬波，與此同時(shí)，哪相的電壓最低，則該相的IGBT管導(dǎo)通，進(jìn)行續(xù)流。假設(shè)在某一時(shí)刻期望輸出電流為正，此時(shí)a相電壓最高，c相電壓最低，則開(kāi)關(guān)管VT2導(dǎo)通，進(jìn)行斬波，同時(shí)VT6導(dǎo)通，進(jìn)行續(xù)流。由于每一相上的開(kāi)關(guān)管都是雙向可控開(kāi)關(guān)管，可以簡(jiǎn)化為圖2(c)所示結(jié)構(gòu)，三相的開(kāi)關(guān)管用SAa，SAb，SAc表示，這就構(gòu)成了典型的三相-單相矩陣式變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其電路的工作原理就是利用電網(wǎng)相電壓的包絡(luò)線進(jìn)行斬波和續(xù)流，得到期望輸出頻率的正弦交流電[1-2]。

圖2 三相-單相MC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 基于buck電路的矩陣變換器控制策略的改進(jìn)

將矩陣變換器主拓?fù)洳捎蒙鲜鯠C/DC電路的模型，但在電源與MC之間加入z源網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

圖3 加入z源網(wǎng)絡(luò)后的buck電路模型MC

z源網(wǎng)絡(luò)加入了6個(gè)電感La1,La2,Lb1,Lb2,Lc1,Lc2，6個(gè)電容Ca1,Ca2,Cb1,Cb2Cc1,Cc2以及3個(gè)換向開(kāi)關(guān)Sa,Sb,Sc，通過(guò)一個(gè)門(mén)極信號(hào)來(lái)控制額外的三個(gè)開(kāi)關(guān)。Sa,Sb,Sc三個(gè)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以記作S。z源網(wǎng)絡(luò)能夠工作在buck和boost模式下，使MC獲得高的電壓傳輸比。

3 新buck電路策略的數(shù)學(xué)模型

z源網(wǎng)絡(luò)有兩種工作狀態(tài)：直通和關(guān)閉狀態(tài)。其等值電路如圖4所示。

在直通狀態(tài)時(shí)，如圖4(a)，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，z源網(wǎng)絡(luò)的MC輸出是短路的，此時(shí)起到升壓作用(boost)。在非直通狀態(tài)時(shí)，如圖4(b)所示，此時(shí)的等值電路應(yīng)對(duì)普通狀態(tài)。

圖4 加入z源網(wǎng)絡(luò)后的buck電路模型MC等值電路

根據(jù)系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)性，z源網(wǎng)絡(luò)的電感La1,La2,Lb1,Lb2,Lc1,Lc2具有相同的電感值，電容Ca1,Ca2,Cb1,Cb2Cc1,Cc2也具有相同的電容量。

在一個(gè)周期s內(nèi)，直通狀態(tài)時(shí)間為0，非直通時(shí)間為1，直通占空比為=0/。在非直通狀態(tài)時(shí)，有如下的狀態(tài)空間方程：

在直通狀態(tài)期間，S關(guān)閉，可以得到：

從式(1)和式(2)得到平均狀態(tài)方程：

平均電感電壓和平均電容電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中應(yīng)該為0，因此可以得到：

因此，在一個(gè)周期內(nèi)，可以得到z源網(wǎng)絡(luò)的電壓增益：式中：為矩陣變換器的調(diào)制系數(shù)。通過(guò)選擇合適的調(diào)制系數(shù)來(lái)提高電壓增益，使電壓增益接近甚至高于1。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

仿真參數(shù)如下：輸入電源電壓幅值220 V，=50 Hz，z源網(wǎng)絡(luò)=0.1 mH，=10μF，開(kāi)關(guān)頻率10 kHz；負(fù)載電阻10Ω，電感0.01 mH。

仿真模型主要由四大部分組成：第一部分為三相電源；第二部分為z源網(wǎng)絡(luò)；第三部分為MC及其控制電路，包括開(kāi)關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生模塊、PWM信號(hào)發(fā)生模塊、控制邏輯信號(hào)產(chǎn)生模塊、單向開(kāi)關(guān)控制信號(hào)產(chǎn)生模塊；第四部分為阻感型負(fù)載。其仿真框圖如圖5所示。

圖6(a)所示為未接入z源網(wǎng)絡(luò)時(shí)的輸出線電壓，圖6(b)為加入z源網(wǎng)絡(luò)之后的輸出線電壓波形。從圖6中可以看出有源電力濾波器之前的三相電源電壓和電流波形。加入z源網(wǎng)絡(luò)之后，電壓增益可達(dá)到1.125。

5 結(jié)論

基于buck電路的矩陣式變換器，采用電流滯環(huán)控制策略的三相-單相矩陣式變換器輸出的電流波形較好，即諧波含量較少，但存在電壓傳輸?shù)偷娜秉c(diǎn)。本文提出的加入z源網(wǎng)絡(luò)buck電路模型的矩陣變換器，能夠克服原有策略電壓傳輸比低的弱點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，此控制程序簡(jiǎn)單，能利用工業(yè)控制達(dá)到迅速響應(yīng)的目的，而且具有一定的抗干擾性。

圖5 加入z源網(wǎng)絡(luò)后buck電路模型MC策略仿真

圖6 MC輸出線電壓波形

[1]魏萍，鄒德瓊.基于Buck電路的矩陣式變換器[J].電源技術(shù)，2013，37：1658-1660.

[2]韓斌.矩陣式變換器控制策略及其計(jì)算機(jī)仿真研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007：23-27.

Z-source matrix converter based on buck circuit

WEI Ping,WEI Hao

A new matrix converter conrtrol strategy was proposed based on buck circuit.Compared with Venturini direct function transformation and space vector modulation method,its advantages were fast response,and the system was capable of anti-interference,but still had the main drawback of low voltagetransfor ratio.This did some improvement to the above strategy by join z-source network to the topo.Buck-boost function by conrtolling shoot-through duty ratio and modulation index were provided by z-source network to overcome the above shortcomings.The math principle and bi-directal switch math expression were analyzed in detail.Finally,adopting Matlab/Simulink simulation, simulation results show that the theoretical analysis of the control strategy is correct and feasible.

MC;z-source network;buck-boost;Simulink simulation

TM 4

A

1002-087 X(2015)03-0591-03

2014-08-24

魏萍(1962—)，男，江西省人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮友b置設(shè)計(jì)及其應(yīng)用技術(shù)、特種電源。