岳 舟

(湖南人文科技学院能源与机电工程学院 娄底 417001)



一种五相Boost矩阵变换器研究①

岳 舟②

(湖南人文科技学院能源与机电工程学院 娄底 417001)

研究了矩阵变换器的控制方法，针对传统矩阵变换器“虚拟逆变部分”拓扑大多是推挽式、半桥式和全桥式结构，因而电压传输比较低的情况，提出了一种五相Boost矩阵变换器的结构。该结构整流侧采用传统的矩阵整流电路，其控制策略采用无零空间矢量调制，虚拟逆变部分则采用Boost逆变电路，该逆变电路具有升压特性，能提高矩阵变换器的电压传输比，其电压传输比可以达到1.0甚至更高。对该矩阵变换器的滑模变结构控制策略进行了研究，而且通过仿真和样机实验验证了其理论的正确性，为矩阵变换器的工业应用提供了一定的理论基础。

Boost逆变电路, 五相矩阵变换器, 滑模变结构控制, 电压传输比

0 引 言

在不提高定子单相绕组电压和电流的情况下，多相异步电机一般通过增加定子绕组的相数来提高电机单机的功率容量。多相异步电机调速系统由于具有诸多优点，如可用低压功率器件实现大功率调速、具有多相冗余结构使调速系统的可靠性得以改善、转矩脉动小等，已逐渐在国防军工及可靠性要求高的大功率领域内得到应用[1]。而其功率转换系统的多相矩阵变换器(matrix converter, MC)是目前先进的AC-AC变换技术之一，该多相MC的优点是体积小、重量轻，输入电流和输出电压正弦性好，能够实现交流输入以及交流输出，并可以实现四象限运行，因此，多相MC成为现代电力电子行业研究的热点[2]。

对多相MC的研究在国内才刚刚起步，而国外则已经开始致力于六相MC的研究。五相MC作为多相变换器中具有代表性的一种，其理论研究的成果为多相MC的理论研究以及研制能够提供强有力的理论基础[3,4]。目前国内对MC的研究主要集中在三相MC的调制策略以及它的辅助电路上，因此，对多相MC的研究可以作为一个全新的方向[5]。

传统矩阵变换器作为电能转换技术的研究热点，其优点是拓扑结构简单紧凑，能量可双向流通，能产生正弦输入电流和输出电压，其输入功率可调[6,7]。然而，传统矩阵变换器的电压传输比较低，理论上最大值为0.866。本研究提出了一种五相Boost矩阵变换器(MC)，其逆变侧采用Boost逆变器的拓扑结构方案，可以提高电压传输比。本文详细介绍了五相Boost MC的拓扑结构，重点介绍了逆变侧采用的滑模变结构控制策略，最后利用Matlab/Simulink工具对五相Boost MC控制系统进行了仿真研究，同时采用TI公司的数字信号处理(DSP)芯片(TMS320F2812) 作为核心控制芯片，制作了一台1KW的原理样机。从仿真研究和样机实验得到的结果可以看出，在一定的范围内，本文提出的五相 Boost MC在改变电压传输比时，可以任意调节输出电压的幅值和频率。

1 拓扑结构及工作原理

在文献[8]的基础上，得到Boost逆变电路的结构原理如图1所示。拓扑结构中采用两组对称的Boost变换电路，在两组双向Boost变换器的输出端连接负载，每组Boost变换器都跟踪和放大一个拥有直流偏置但相位相差180°的正弦波参考信号，使输出的电容电压V1和V2跟随参考电压变化，从而调节Boost逆变器的输出电压，以实现DC-AC的变换。输出电压V1受主开关管VM2占空比的控制，对VM3和VM4采用相同的控制方法。因此对VM2和VM4占空比的控制，可以使输出电容电压V1和V2随参考电压而变化，从而使两组Boost变换器输出为带直流偏置且相位互差180°的正弦波[8,9]。V1和V2用下式表示：

图1 单相Boost逆变器的拓扑结构

V1=Vmsinωt+Vdc

(1)

V2=-Vmsinωt+Vdc

(2)

那么负载上的输出电压表达式为

Vo=V1-V2=2Vmsinωt

(3)

由于Boost逆变器采用的两组对称Boost变换器都是独立工作的，所以这里可以将一组Boost变换器看作理想的电压源，通过它向另一组Boost变换器提供具有直流偏置的正弦波电压。因此得到Boost逆变器的等效电路如图2所示[10]。

图2 Boost逆变器等效电路

五相 Boost MC的拓扑结构是在研究普通三相Boost MC的基础上得到的，其拓扑结构如图3 所示。五相Boost MC采用AC-DC-AC双级变换的结构形式，中间直流环节无储能元件。整流侧采用传统的矩阵整流电路，逆变侧则采用五相Boost逆变器，通过改变占空比，来实现任意调节交流输出电压的幅值和频率。

图3 五相Boost MC拓扑结构图

2 控制方法研究

五相Boost MC的整流侧采用传统的矩阵整流电路，其控制策略采用无零矢量的空间矢量调制。为了获得最大的整流输出电压，整流级在一个脉宽调制(PWM)周期内不出现零矢量，而只产生两个有效的空间矢量。五相Boost MC的逆变侧采用Boost逆变电路，采用的控制策略是滑模变结构控制。

2.1 整流侧的无零矢量空间矢量调制策略

五相Boost MC的整流级由10个双向开关组成，根据双极MC的调制策略可以得到五相Boost MC整流侧的无零空间矢量调制策略[11,12]。

假设三相输入电源电压为

(4)

式中，ω1为输入角频率，Um为输入电压幅值。

根据文献[13]，在单位输入功率因数条件下，一个PWM开关周期内整流输出电压的局部平均值为

(5)

其中，cos(θi)=max(|cos(θa)|, |cos(θb)|, |cos(θc)|)。

2.2 逆变侧的滑模变结构控制策略

通过对五相Boost MC拓扑结构的分析，其逆变级电路是对称的，所以为了简单起见，这里仅对其中一相Boost变换器进行分析。根据文献[14]，得到Boost变换器的状态方程为

(6)

选择滑模切换面[15]：

S(x,t)=GX+φ=0

(7)

其中，G为1×N型正定矩阵。可得滑模控制规律为

(8)

滑动模态的到达条件为

(9)

由式(6)和式(7)得

(10)

其中，ueq是等效控制。将求得的等效控制与三角波比较产生PWM脉冲，控制开关导通和关断。

假定

(11)

式中Vref为x2的参考值，G=[k1,k2]，则滑模面函数为

S(x,t)=k1x1+k2x2+(x2-Vref)dt

(12)

对式(10)进行时间变量求导，得

(13)

将式(6)代入式(13)可得

(14)

将G、φ、A(x,t)、B(x,t)代入式(10)得等效控制为

ueq=-[k1(E-x2)+k2x1L+k2(V2-x2)L/R +LC(x2-Vref)]/(k1x2C-k2x1L)

(15)

因此，滑动模态的到达条件式(9)可改成：

(16)

(17)

由式(14)和(15)可以得到方程(6)的稳定工作点为

(18)

将方程(6)的稳定工作点代入式(16)和(17)，可以计算k1和k2的取值范围。

3 系统仿真研究

在理论研究的基础上，应用Matlab/Simulink仿真工具对五相Boost MC系统构建了仿真模型。其中任意一相Boost变换器的滑模变结构控制仿真模型如图4所示。根据上述理论分析和仿真研究，最终确定滑模系数k1为0.1，k2为0.26。图4中的正弦波发生器作为参考输出电压与Ua(其中的一相实际输出电压)相减，所得结果乘以滑模参数k1，ia(其中一相输出电流)经滤波后乘以滑模参数k2，把两项结果相加即得滑模控制量。滑模控制量经限幅模块限幅之后，利用S函数判断从而得到开关控制信号，控制图2中VM1和VM2的通断。

图4 一相滑模变结构控制仿真模型

参考输出相电压峰值设为311V，即电压传输比为1.0时，参考电压频率分别设为50Hz和80Hz；参考输出相电压峰值设为500V，即电压传输比为1.6时，参考电压频率分别设为50Hz和80Hz；采用滑模变结构控制方法在上述设定情况下分别对五相Boost MC系统进行了仿真研究。图5是参考电压为311V/50Hz时的中间直流电压仿真波形，图6是参考电压为311V/50Hz时的输出电流仿真波形，图7是各种参考电压设定情况下的输出相电压仿真波形和频谱分析。

图5 中间直流电压仿真波形

图6 输出电流仿真波形

从仿真结果可以看出：滑模变结构控制的启动性能较差，在没有进入滑模面之前，系统存在超调，并且其快速性不够；五相Boost MC能实现输出电压幅值和频率的任意调节；输出电压为五相对称正弦波，总谐波畸变率(THD)全部在5%以下。

4 样机实验

为进一步验证所提五相Boost MC基本原理的正确性以及控制方法的有效性，采用TI公司的DSP芯片(TMS320F2812) 作为核心控制芯片，完成了一台1kW的原理样机。

(a) 参考电压为311V/50Hz

(b) 参考电压为311V/80Hz

(c) 参考电压为500V/50Hz

(d) 参考电压为500V/80Hz

图8为中间直流电压实验波形。图9是在参考电压设为100V/50Hz的情况下，五相输出线电压的其中一相线电压(UAB)实验波形。从实验结果可以看出：输出线电压为正弦波，电压峰值达到100V左右，输出波形质量较好。实验波形和仿真波形基本吻合，从而验证了所提控制方法应用于五相Boost MC的正确性和有效性。

图8 中间直流电压仿真波形

图9 一相线电压实验波形

5 结 论

仿真研究和样机实验表明，输出的电压和电流为标准正弦波，总谐波畸变率较低，电压传输比达到甚至超过1.0，有效地解决了传统MC电压传输比低这一固有缺陷。仿真和实验同时验证了五相Boost MC能够实现输出电压幅值和频率的任意调节，从而为MC在工业领域中的应用提供了一定的理论基础。

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Research of a five-phase boost matrix converter

Yue Zhou

(Department of Electrical and Mechanical Engineering，Hunan University of Humanities and Science and Technology， Loudi 417001

The control of matrix converters was studied, and a five-phase Boost matrix converter was presented to deal with the problem that traditional matrix converters have the lower voltage transfer ratio because their inverter’s to pologic structures are mostly of push-pull, half bridge and full bridge. The converter adopts the traditional matrix rectifier circuit, and its control strategy uses the zero space vector modulation. The virtual inverter section uses the Boost inverter circuit, and the inverter circuit has the voltage boosting performance to improve the voltage transfer ratio of matrix converter to 1 or even higher. The stratege for sliding mode variable structure control for the matrix converter was studied, and the theory correctness of the converter was verified by simulation and experiment for providing the theoretical basis for the industrial application of matrix converters.

boost inverter circuit, five-phase matrix converter, sliding mode variable structure control, voltage transfer ratio

①湖南省科技计划(2014GK2004)资助项目。

②男，1982年生，硕士，副教授；研究方向：电力电子与电力传动；联系人，E-mail: yuezhou2000@163.com (

2016-05-23)

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.07.010