雙級矩陣變換器Delta-Sigma變頻調制策略

摘" " 要： 針對定開關頻率調制下輸出側含有高頻諧波邊帶的問題，提出了雙級矩陣變換器變頻調制策略，以提升雙級矩陣變換器的電磁兼容性能以及運行性能。將Delta-Sigma矢量調制技術應用于雙級矩陣變換器的逆變級中，基于仿真與實驗結果分析了該調制策略下的雙級矩陣變換器運行性能。仿真與實驗結果表明：本文所提調制策略有效實現了雙級矩陣變換器輸出電流的頻譜整形，不再含有高頻諧波尖峰，有效降低了輸出側相電流高頻諧波邊帶的幅值；本文調制策略下雙級矩陣變換器輸出相電流THD最高為4.26%，最低為1.62%，相較于空間矢量調制策略輸出相電流THD平均降低了0.256%，這表明本文策略具有良好的運行性能；動態實驗結果表明該策略具有良好的動態特性。

關鍵詞： 雙級矩陣變換器；Delta-Sigma調制；變頻調制；頻譜整形；運行性能

中圖分類號： TM921.2" " " " " " "文獻標志碼： A" " " " " " " " 文章編號：" １６７１－０２４Ｘ（２０25）０1－００69－06

Variable frequency modulation of two-stage matrix converter based on

Delta-Sigma modulation

ZHOU Zhanqing， XIE Qikun， GENG Qiang

（School of Electrical Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract： In order to eliminate the high-frequency harmonic sidebands caused by the constant switching frequency modulation， a variable frequency modulation strategy of the two-stage matrix converter is proposed to improve the electromagnetic compatibility performance and the operational performance. The Delta-Sigma vector modulation is applied to the inverter stage of the two-stage matrix converter， the operational performance of the two-stage matrix converter is analyzed based on simulation and experimental results. The simulation and experimental results show that the modulation strategy realizes the spectrum shaping of the output current of the two-stage matrix converter effectively， and reduces the amplitude of the high-frequency harmonic sideband of the phase current at the output side. The output phase current THD of the two-stage matrix converter is 4.26% at the highest and 1.62% at the lowest. Compared with the space vector modulation， the output phase current THD of the two-stage matrix converter is reduced by 0.256% on average. By synthesizing the experimental waveforms， it can be seen that the proposed strategy has good operational performance and dynamic characteristics.

Key words： two-stage matrix converter； Delta-Sigma modulation； variable frequency modulation； spectrum shaping； operational performance

近年來，雙級矩陣變換器（two-stage matrix converter，TSMC）作為一種交流-交流電力電子變換器，具有功率密度大、安全性能高與網側功率因數高等諸多優勢，在新能源發電、電網功率因數補償與輪船等諸多工業場合得到了廣泛應用[1-5]。因此，提升TSMC的運行性能具有實際性的意義。

對提升TSMC系統性能的研究主要集中于拓撲結構與調制策略等方面[6-8]。對于拓撲結構的研究主要集中于增加硬件附加電路，其工程實現較為復雜[9-10]。在調制策略的研究中，可以將調制策略分為定頻調制策略與變頻調制策略。文獻[11]針對兩電平逆變器，通過二重傅里葉分析的方法發現，逆變器采用定頻調制策略進行調制時，輸出電壓或者電流會產生高次諧波邊帶。由此可得，針對TSMC的逆變級，其采用定頻調制時，TSMC輸出電流會產生高頻諧波邊帶。針對高頻諧波邊帶問題，可以采用變頻調制技術來抑制其產生[12]。變頻調制技術中，隨機變頻調制技術往往能很好地實現擴頻效果。文獻[13]針對TSMC系統，通過引入混沌數學模型中的Logistic序列使載波頻率混沌化，對負載側電壓高頻諧波幅值有較好的抑制效果，但未考慮到輸出側的電流諧波畸變率。文獻[14]變頻調制技術與抑制TSMC輸入電流諧波聯合起來，根據預測模型推導出輸入電流紋波與開關頻率的關系，通過變頻技術優化了頻譜以及運行性能。

Delta-Sigma調制策略作為一種脈沖密度調制型的變頻調制策略，無需載波參與調制過程，具有控制策略簡單與擴頻效果好的優點，并且能夠避免窄脈沖的出現[15-17]。文獻[18]將Delta-Sigma調制器應用到雙電平逆變器-開繞組電機傳動系統中，在實現輸出電壓頻譜整形的同時消除了由零序電壓引起的電流畸變。文獻[19]針對直接型矩陣變換器系統，采用標量Delta-Sigma調制器進行調制，并且通過棄用零矢量來降低共模電壓，改善了輸出與輸入電流的波形質量。文獻[20]針對三電平逆變器，采用Delta-Sigma矢量調制策略，優化了輸出電壓以及電流的頻譜，并且較傳統調制策略提升了運行性能。本文以TSMC系統為研究對象，針對輸出側高頻諧波邊帶問題，通過利用Delta-Sigma矢量調制技術，提出一種TSMC變頻調制策略，并對所提策略進行仿真與實驗，以期驗證該策略對TSMC的電磁兼容性能與運行性能的提升效果。

1 Delta-Sigma調制技術

Delta-Sigma調制器作為一種過采樣模數轉換器，其工作流程為信號采樣、噪聲量化以及數字編碼。相比于Nyquist采樣模數轉換器，Delta-Sigma調制器首先通過過采樣技術擴大采樣信號帶寬，將量化過程中產生的量化噪聲分布范圍拓寬，減少了量化器帶寬范圍內噪聲，從而實現信噪比的提升。通過使用積分器和引入反饋回路將低頻噪聲遷移到帶寬外，實現了噪聲整形。圖1為Delta-Sigma調制器模型，其由積分器、量化器以及反饋回路組成。

輸入信號與量化誤差信號為該系統的輸入，可以得到該系統z域下的傳遞函數如式（1）所示：

式中：X（z）為輸入信號；E（z）為量化誤差信號；Y（z）為輸出信號。由式（1）可見，可將輸入信號與輸出信號的函數關系定義為信號傳遞函數（signal transfer function，STF），如式（2）所示。將量化誤差信號與輸出信號的函數關系定義為噪聲傳遞函數（noise transfer function，NTF），如式（3）所示。

信號傳遞函數STF（z）表明調制器對輸入信號的干擾近乎為零。噪聲傳遞函數NTF（z）具有高通濾波特性，對量化誤差產生的低頻段噪聲進行抑制。

2 雙級矩陣變換器系統變頻調制技術

圖2為TSMC系統的拓撲結構。

由圖2可見，TSMC的調制過程可分為整流級調制與逆變級調制部分。本文提出的雙級矩陣變換器系統變頻調制技術在雙級矩陣變換器的整流級采用無零矢量空間調制策略。由于Delta-Sigma調制策略屬于脈沖密度調制策略，在固定控制頻率的前提下可實現變開關頻率的效果，故在逆變級采用Delta-Sigma調制策略，解決了傳統變頻調制策略需要變控制周期的問題。

2.1 整流級調制策略

在TSMC系統中，整流級采用無零矢量的空間矢量調制策略。定義TSMC的網側輸入三相電壓ui為

ui = uiAuiBuiC = Uimcos（？茲iA）cos（？茲iB）cos（？茲iC） = Uimcos（？棕it）cos（？棕it - 120°）cos（？棕it + 120°）（4）

式中：？棕i為輸入電壓角頻率；Uim為輸入相電壓基波的幅值；uiA、uiB、uiC分別為輸入電壓的三相電壓；？茲iA、？茲iB、？茲ic分別為輸入電壓的三相電壓相位角。

首先對輸入電壓進行扇區判斷，以輸入電壓處于[-π/6，11π/6]區間為例，扇區劃分如圖3所示。

為了保證TSMC直流側電壓極性始終為正，由圖3可知，整流級開關狀態應如表1所示。

根據整流級扇區確定整流級開關狀態后，下一步需確定開關狀態的占空比。假設整流級處于第1扇區，可由平均值合成原理推得占空比為：

式中：？茲i為輸入電壓相位角；dm和dn分別為開關Sr4和Sr6的占空比。進一步可得，TSMC的直流鏈電壓平均值upn為：

2.2 逆變級調制策略

TSMC逆變級調制目標為逆變級輸出電壓形成圓形旋轉磁場，可依此定義TSMC的輸出側三相參考電壓uo為

式中：o為輸出參考電壓角頻率；Uo為輸出參考相電壓基波的幅值；uoA、uoB、uoC分別為輸出參考電壓的三相相電壓。

TSMC的逆變級空間矢量如圖4所示。由圖4可見，TSMC的逆變級矢量包含6個有效矢量和2種零矢量，其中Vo1（100）表示A相上橋臂與B、C相下橋臂導通，其余開關保持關閉。

由于TSMC的逆變級調制工作是將給定的模擬電壓信號轉換為開關數字信號的過程，因此可以應用Delta-Sigma調制技術。本文采用Delta-Sigma矢量調制策略進行TSMC的逆變級調制，其具體調制結構如圖5所示。

由圖5可見，給定參考電壓轉換成α-β坐標系下的uoα與uoβ進行調制。uoα和uoβ與反饋回路中DAC根據開關狀態得到的實際輸出電壓作差，其差值為誤差電壓矢量，矢量量化器將誤差電壓矢量量化成逆變器開關狀態，完成逆變級的調制過程。

量化器首先根據參考電壓所處扇區得到備選矢量，進一步選擇矢量的標準是選擇離誤差電壓矢量最近的電壓矢量，所以誤差電壓矢量幅值小于upn /3，選擇零矢量，將矢量圖中該區域定義為維諾區域G，同理可以定義維諾區域A、B、C、D、E與F分別對應區間[11π/6，π/6]、[π/6，π/2]、[π/2，5π/6]、[5π/6，7π/6]、[7π/6，3π/2]與[3π/2，11π/6]。

依據誤差電壓矢量所處維諾區域與參考電壓所處扇區可以選擇逆變級矢量，其中選擇零矢量的標準是降低開關頻率，電壓矢量選取表如表2所示。

3 仿真與實驗結果分析

為了驗證本文所提策略的有效性，本文通過仿真與實驗對此進行驗證，并基于結果對其展開分析，參數設置如表3所示。

設置系統的載波頻率為5 kHz，控制頻率為20 kHz。基于Matlab/Simulink環境搭建仿真模型進行仿真。定義TSMC電壓傳輸比（voltage transfer ratio，VTR）為Uo /Uim，在電壓傳輸比為0.5時，仿真結果如圖6與圖7所示。

由圖6可見，在空間調制策略調制下的TSMC輸出側含有高頻諧波邊帶。由圖6與圖7的頻譜圖對比可知，本文所提策略較好地實現了輸出側電壓與電流的頻譜整形，輸出電流總諧波失真（THD）從1.02%降至1.01%，優化了TSMC輸出性能。

為了進一步驗證本文所提策略的頻譜整形效果，以及分析輸出電流的波形質量，設置VTR = 0.5進行試驗與仿真，負載側相電流實驗如圖8所示，與仿真結果的對比如圖9所示。

由圖8可以看出，TSMC輸出相電流THD為2.68%，輸出相電流對稱性較好，具有較好的輸出波形質量，且實現了輸出電流的頻譜整形。對比仿真結果與實驗結果中的電流頻譜圖可知，頻譜中不再含有高頻諧波邊帶，所提出的雙級矩陣變換器變頻調制策略實現了良好的頻譜整形效果。仿真中輸出相電流THD值為1.01%，而實驗中為2.68%，這是由于仿真中的功率回路與控制回路信號的傳遞均處于理想情況下，而在實驗中存在雜散電感干擾以及電磁干擾等一系列干擾現象，故實驗中的輸出電流THD值高于仿真中的輸出電流THD值。

為了驗證該調制策略下的TSMC動態性能，將TSMC的VTR由0.5突變為0.8，其動態實驗下TSMC輸出相電流波形如圖10所示。由圖10可見，在突變之后實現了較好的追蹤性，表明本文提出的TSMC變頻調制策略具有良好的動態追蹤性能。

本文在實驗中比較了不同VTR條件下空間矢量調制策略與本文所提策略下的TSMC輸出相電流THD，結果如表4所示。由表4可知，本文所提策略TSMC輸出相電流THD最高為4.26%，最低為1.62%，相較于空間矢量調制策略輸出相電流THD平均降低了0.256%，有效降低了TSMC輸出電流的諧波含量。

4 結 論

針對定頻調制導致的高頻諧波邊帶問題，本文提出了TSMC變頻調制策略進行優化，有效實現了頻譜整形，輸出相電流不再含有諧波邊帶，從而提升了TSMC的電磁兼容能力。實驗結果表明：

（1） 本文所提策略有效降低了輸出側電流的諧波畸變率，與空間矢量調制策略相比，輸出相電流THD平均降低了0.256%，提升了運行性能。

（2） 本文提出的變頻調制策略逆變級無需載波進行調制，在調制過程中不會產生窄脈沖，提升了系統的安全性能。

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本文引文格式：

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收稿日期： 2023-01-20

基金項目： 國家自然科學基金項目（52377066）；浙江省自然科學基金項目（LY24E070001）

通信作者： 周湛清（1989—），男，博士，副教授，主要研究方向為電機系統設計與智能控制。E-mail： zhouzhanqing@tiangong.edu.cn