單相交流高頻鏈矩陣逆變器控制策略的研究

徐祖平，郭 偉（南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引 言

高頻鏈逆變器中間環(huán)節(jié)采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電磁隔離，省掉了體積龐大的工頻變壓器，還能實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)[1]。因此，隨著微網(wǎng)、分布式電源的快速發(fā)展，它的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。高頻鏈電路按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為DC-DC變換型和矩陣變換型。其中，矩陣變換型逆變器省去了中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，同時(shí)具有單級(jí)功率變換、能量雙向流動(dòng)、可靠性及穩(wěn)定性較高等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2]。但是，由于它的后級(jí)周期換相結(jié)構(gòu)使用雙向開關(guān)，因此必須要處理好感性負(fù)載的換流問(wèn)題[3]。

本文以圖1所示的矩陣式交流高頻鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。它主要由直流電源、高頻逆變器、高頻變壓器、矩陣式變換器和輸出濾波器等部分組成[4]。本文將重點(diǎn)分析它在不同控制策略下的工作特性和相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作規(guī)律。

圖1 交流高頻鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 控制策略

1.1 單極性移相SPWPM調(diào)制

單極性移相SPWPM調(diào)制是指前級(jí)逆變橋采用移相控制產(chǎn)生SPWPM波，后經(jīng)矩陣式變換器解調(diào)生成單極性SPWM波形。它的控制策略如圖2所示，圖2（a）給出了各開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)和主要環(huán)節(jié)輸出電壓波形，圖2（b）給出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的邏輯關(guān)系。

圖2 單極性移相SPWPM調(diào)制控制策略

矩陣式變換器S1a、S1b、S4a、S4b共用一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)，S2a、S2b、S3a、S3b共用一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)。它們互補(bǔ)且占空比均為50%。鋸齒載波與正弦調(diào)制波及其反向信號(hào)交截，產(chǎn)生前級(jí)逆變橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，且K1和K4驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間存在移相角θ。變壓器原邊產(chǎn)生的是雙極性三態(tài)SPWPM波，不包含直流和低頻成分，但含有單極性SPWM波的全部信息，因此可以采用高頻變壓器進(jìn)行傳輸[5]。變壓器副邊電壓經(jīng)過(guò)矩陣式變換器恢復(fù)成單極性SPWM波，調(diào)制波為正時(shí)輸出正脈沖，調(diào)制波為負(fù)時(shí)輸出負(fù)脈沖，最后通過(guò)LC濾波器生成穩(wěn)定的正弦波[6]。

輸出電壓的幅值不僅與直流電壓、變壓器變比有關(guān)，還與正弦調(diào)制波與鋸齒載波幅值之比有關(guān)。因此，可以通過(guò)改變它的幅值比和調(diào)制波頻率改變輸出電壓的幅值和頻率[7]。

1.2 解結(jié)耦調(diào)制

解結(jié)耦調(diào)制策略解耦的原理：在一個(gè)高頻周期內(nèi)，高頻逆變橋產(chǎn)生的是占空比為0.5的雙極性方波信號(hào)，如果只考慮半個(gè)高頻周期，矩陣式變換器的輸入可以看做是恒定的直流信號(hào)。當(dāng)變壓器初級(jí)側(cè)輸出電壓UN1為正時(shí)，S1a、S2a、S3a、S4a組成的逆變橋工作；當(dāng)變壓器初級(jí)側(cè)輸出電壓UN1為負(fù)時(shí)，S1b、S2b、S3b、S4b組成的逆變橋工作，解耦原理如圖3所示。這樣矩陣式變換器就被解耦為2個(gè)串聯(lián)獨(dú)立的普通逆變器，且當(dāng)一組逆變橋工作時(shí)，另一組逆變橋的所有開關(guān)管保持關(guān)斷狀態(tài)。

解結(jié)耦調(diào)制策略結(jié)耦的原理：將鋸齒載波與正弦調(diào)制波進(jìn)行交截，產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的SPWM信號(hào)，在此基礎(chǔ)上與高頻逆變器產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行邏輯組合，產(chǎn)生矩陣式變換器各開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，邏輯關(guān)系如圖4（a）所示。矩陣式變換器各開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)邏輯關(guān)系為：

其中，SPWM1和SPWM2是正弦調(diào)制波與三角載波比較后產(chǎn)生的兩路互補(bǔ)的SPWM信號(hào)；V1和V2是高頻逆變器產(chǎn)生的占空比為0.5的互補(bǔ)的方波信號(hào)，與逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步；各開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖4（b）所示。

圖3 解結(jié)耦調(diào)制方式解耦過(guò)程

圖4 解結(jié)耦調(diào)制控制策略

2 仿真分析

在Matlab/Simulink中搭建上述仿真模型，系統(tǒng)參數(shù)如下：鋸齒載波頻率40 kHz，開關(guān)頻率20 kHz，直流輸入電壓150 V，變壓器變比1:1，濾波電感5 mH，濾波電容3 μF。

2.1 單極性移相SPWPM調(diào)制

變壓器原邊電壓分析如圖5所示，前級(jí)逆變橋輸出電壓為雙極性三態(tài)SPWPM波，不含有基波成分，只含有開關(guān)頻率20 kHz及其奇次倍頻諧波成分。因此，可以通過(guò)高頻變壓器進(jìn)行功率傳輸，有利于逆變的輕型化和高效性。矩陣式變換器輸出電壓分析如圖6所示，輸出電壓為單極性SPWM波，諧波成分主要集中在開關(guān)頻率倍頻附近，即40 kHz、80 kHz及以上頻率附近。

圖5 前級(jí)逆變橋輸出電壓局部波形

矩陣式變換器輸出電壓波形經(jīng)濾波器后得到穩(wěn)定的正弦波，如圖7所示，諧波含量少，總諧波失真度為0.29%，電壓質(zhì)量高。

2.2 解結(jié)耦調(diào)制

變壓器原邊電壓波形分析如圖8所示，前級(jí)逆變橋產(chǎn)生的是占空比為50%的高頻方波，諧波集中在開關(guān)頻率及其奇次倍頻附近。矩陣式變換器輸出電壓分析如圖9所示，與單極性移相調(diào)制不同，采用解結(jié)耦調(diào)制方法矩陣式變換器輸出電壓為雙極性SPWM波，其諧波成分主要集中在開關(guān)頻率倍頻附近。

輸出電壓經(jīng)濾波后產(chǎn)生正弦信號(hào)，如圖10（a）所示，頻譜分析如圖10（b）所示。此時(shí)，正弦電壓波峰、波谷處有略微失真，總諧波失真度為0.77%。

圖6 矩陣式變換器輸出電壓波形

圖7 濾波器后輸出電壓波形及其頻譜分析

圖8 前級(jí)逆變橋輸出電壓局部波形

圖9 矩陣式變換器輸出電壓局部波形

3 結(jié) 論

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可知，兩種控制策略均能得到理想的輸出正弦波。其中，單極性移相SPWPM調(diào)制能實(shí)現(xiàn)矩陣式變換器零電壓開關(guān)，解結(jié)耦調(diào)制則無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但是解結(jié)耦調(diào)制方式邏輯簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)。此外，解結(jié)耦調(diào)制方式將矩陣式變換器解耦成兩個(gè)單獨(dú)的逆變器獨(dú)立控制，控制靈活，自由度較好，易于擴(kuò)展。

圖10 濾波器后輸出電壓波形及其頻譜分析