0 引言

    矩陣變換器由于缺乏直流大電容或大電感的儲(chǔ)能作用,，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)非正常工況運(yùn)行時(shí)往往不能有效處理。為提高矩陣變換器抵御擾動(dòng),、抑制諧波的能力,，本文利用雙空間矢量控制的矩陣變換器的等效電路模型，建立帶有輸出濾波器的矩陣變換器等效電路,，采用坐標(biāo)變換的思想,，引入輸出電壓瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制，給出了系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載突變時(shí)的控制方法,，減小了系統(tǒng)在非正常工況下的輸出,、輸入干擾。

1 dq坐標(biāo)系下矩陣變換器的PI閉環(huán)控制

1.1 dq坐標(biāo)系下傳遞函數(shù)的建立

    輸出采用LC濾波器的MC主電路如圖1所示,。在實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的過(guò)程中,，考慮逆變環(huán)節(jié)的PI控制設(shè)計(jì)，其中r代表電感損耗,、線路阻抗及開(kāi)關(guān)開(kāi)通與關(guān)斷的損耗總效應(yīng)^[1-2],。

    根據(jù)基爾霍夫基本理論可以寫(xiě)出逆變環(huán)節(jié)的電路方程為：

    忽略開(kāi)關(guān)模型中的高頻分量，建立三相靜止坐標(biāo)系下的逆變級(jí)的低頻數(shù)學(xué)模型,，并進(jìn)行簡(jiǎn)化可得：

其中,，U_oL=[u_AB u_BC u_CA]^T，I_oLP=[i_oAB i_oBC i_oCA]^T,，T_VSI=[d_AB d_BC d_CA]^T,。

    可以看出逆變級(jí)的三相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多輸入多輸出的系統(tǒng)，對(duì)式(2)進(jìn)行dq坐標(biāo)變換,，獲得dq坐標(biāo)系下合成矢量模型^[3],。

    其中，u_dq為輸出電壓的合成矢量,；i_odq為輸出濾波電感電流的合成矢量,；i_oLdq為輸出負(fù)載的電流；T_dq為開(kāi)關(guān)函數(shù)合成矢量,。用g代替微分算子,，則有：

    根據(jù)式(4)可以獲得一個(gè)單輸入單輸出的系統(tǒng)，如圖2所示,。

    空載時(shí),，合成矢量的傳遞函數(shù)為：

1.2 dq坐標(biāo)系下閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)原理，輸入電壓的擾動(dòng)直接體現(xiàn)在直流電壓的擾動(dòng)上,，引起逆變級(jí)開(kāi)關(guān)電路的電壓增益U_pn的變化,。

    由圖3得空載時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

2 非工況下控制策略分析

    對(duì)于不平衡的三相輸入電壓而言，盡管上述的閉環(huán)控制策略對(duì)其具有自適應(yīng)能力,，然而這種自適應(yīng)也僅僅限于矩陣變換器的輸出在一定范圍內(nèi)基本不受輸入電壓的影響,，而且不能顧及到矩陣變換器輸入電流性能的惡化^[4]。

    在三相不平衡時(shí),，對(duì)于三相無(wú)中線連接的系統(tǒng),，一般不考慮零序電壓的影響，即：

    選擇θ_p=α_p,，從而θ_n=α_n,。結(jié)合式（9）輸入電流可表示為：

    式中，I_m為任意正常數(shù),，I^*表示該輸入電流是經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的需求電流,，從而確保得到畸變較小的輸入電流。

    也就是說(shuō),，只要得到輸入電壓的正,、負(fù)分量的三相表達(dá)式就可以合成指令電流。

    根據(jù)e_ap,、e_an分別得到e_bp,、e_bn和e_cp、e_cn,，然后分別得到輸入電流的正序空間矢量和負(fù)序空間矢量表達(dá)式,，再進(jìn)行合成即可以得到參考電流的給定，這種方法不需要復(fù)雜的變換,，簡(jiǎn)單易行且計(jì)算量小,。

    為了驗(yàn)證不平衡情況下輸入電流補(bǔ)償策略的有效性，進(jìn)行了仿真研究,。仿真條件：輸入側(cè)濾波器L_f=5 mH,，C_f=10 μF，R_f=10 Ω,；負(fù)載為阻感負(fù)載,，每相R=10 Ω，L=5 mH,；開(kāi)關(guān)頻率f_s=5 kHz,。仿真算法為ode23tb。雙向開(kāi)關(guān)采用理想開(kāi)關(guān)構(gòu)成,。輸入相電壓有效值為120/,，不平衡B相輸入電壓有效值為100/，頻率為50 Hz,，期望輸出線電壓有效值為80 V,，輸出頻率為50 Hz。

    圖4為傳統(tǒng)雙空間矢量控制策略的輸入和輸出三相電流波形,，圖5為改進(jìn)的調(diào)制策略輸入和輸出三相電流波形,。

    分別對(duì)兩種控制策略下的四種不平衡度條件下進(jìn)行了輸入,、輸出電流的THD仿真比較，結(jié)果如表1,、表2所示,。對(duì)比表中不同條件下的輸入、輸出電流的THD可知：

    （1）在輸入電壓不平衡時(shí),，兩種調(diào)制策略下的輸出電流THD相差不大,，而改進(jìn)的的調(diào)制策略使輸入電流THD比傳統(tǒng)策略在相同的電壓不平衡度情況下，減小了很多,，而且在更大的不平衡下都可以使輸入電流的THD維持在允許的范圍內(nèi),。

    （2）當(dāng)電壓不平衡度超過(guò)一定范圍時(shí)，即使應(yīng)用改進(jìn)的方法,，輸入和輸出電流的THD都會(huì)變大,。經(jīng)分析知，當(dāng)輸入電壓的不平衡度超過(guò)一定范圍時(shí),，輸入電壓已不能使輸出電壓達(dá)到期望值,，因此輸入、輸出性能都要變壞,。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    搭建dSPACE的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),，參數(shù)設(shè)置同上述仿真。圖6（b）,，7（b）分別為兩種策略下的輸出波形,，可以看出，兩種策略下的輸出波形性能基本差不多;圖6（a）,、7（a）分別為兩種策略下的輸入電流波形,，可以看出，改進(jìn)策略下的輸入電流波形的性能明顯比傳統(tǒng)策略下的波形正弦度要好,。

4 結(jié)論

    本文利用雙空間矢量控制的矩陣變換器的等效電路模型,，建立帶有輸出濾波器的矩陣變換器等效電路，分析了矩陣變換器dq坐標(biāo)下的閉環(huán)控制傳遞函數(shù),，給出了非正常工況下系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載突變時(shí)的控制方法,，通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)證明，該方法減小了系統(tǒng)在非正常工況下的輸出,、輸入干擾,，具有很好的適應(yīng)性。

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作者信息：

李德路1，2,，鄧先明1

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,，江蘇 徐州221116；2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,，江蘇 徐州221116）