李 健，吴旭升，夏益辉



矩阵变换器网侧功率因数控制研究

李 健，吴旭升，夏益辉

(海军工程大学电气工程学院，武汉 430033 )

受输入滤波器参数和系统功率的影响，矩阵变换器网侧功率因数在采用传统控制方法时，网侧功率因数控制精度不高。为克服这一问题，通过建立矩阵变换器时域数学模型，提出一种高精度的网侧功率因数控制方法，并将其与传统网侧功率因数控制方法进行了对比研究。仿真结果表明采用本文所提网侧功率因数控制方法是正确可行的。

输入滤波器 系统功率 网侧功率因数 网侧功率因数控制方法 矩阵变换器

0 引言

矩阵变换器由于具有网侧功率因数可调、功率密度高和输入输出性能好等优点，具有较为宽广的应用范围和领域[1-3]。传统的空间矢量调制中，虽然可以实现网侧功率因数的自由调节，但受输入滤波器和负载工况的影响，网侧功率因数控制精度并不是十分理想。目前，对于网侧功率因数控制性能的研究并不是很多，且其中大部分是针对扩大无功功率调节范围展开研究的[3-11]。

德国学者Frank S提出一种混合调制策略，该方法有效扩大了矩阵变换器的功率因数调节范围[4]；北方工业大学梅杨副教授采用频域分析方法对基于RB-IGBT的直接型矩阵变换器网侧功率因数控制展开了研究[5]，分析了输入功率因数设置角和网侧功率因数角之间的关系，提出了一种网侧单位功率因数控制方法；清华大学陆晓楠博士生针对双级矩阵变换器，提出一种网侧功率因数控制方法，该方法不足之处是需要根据网侧功率因数离线计算输入功率因数角，降低了该方法的实用性[6]；越南学者Hoang M N提出一种开环控制下网侧单位功率因数控制方法[7]，通过分析矩阵变换器输入侧数学模型，计算出了输入功率因数角和网侧功率因数角之间的关系，该方法优点是计算简单，缺点是网侧功率因数控制精度低，此外，其还提出一种基于网侧电压和电流双锁相环的闭环单位功率因数控制方法[7]，但由于需要使用双锁相环，使得系统参数整定和计算量较大，且锁相环受网侧电压和网侧电流谐波影响，系统很有可能不能稳定运行；南京航空航天刘晓宇博士针对双级矩阵变换器，提出一种基于网侧电压和网侧电流的网侧单位功率因数闭环控制方法，实现了网侧单位功率因数控制的目标[8]，其存在与文献[7]同样的缺点。智利学者Rivera M利用模型预测控制，将输出电流误差、共模电压和无功功率误差作为优化函数[9]，通过在一个开关周期内遍取27中开关状态，将其中使优化函数最小的作为下一周期的开关状态，实现了无功功率的调节，该方法一方面计算量比较大，另一方面无功功率调节精度并不是很高。中南大学但汉兵硕士提出基于数学构造的矩阵变换器单位功率因数闭环控制策略[10]，从理论上给出了网侧功率因数最大补偿角的表达式，并与传统空间矢量调制和文献[7]所提开环控制算法进行了对比研究，实验结果证明该方法在轻载时具有更好的控制性能，但由于需要检测输出电流的相位信息，以及需要构造调制函数，系统运算量大。

由上可见，目前已有对网侧功率因数控制的研究多侧重于对单位功率因数控制进行研究，而对网侧功率因数调节控制的研究并不多，为了提高矩阵变换器无功补偿能力和提高网侧功率因数控制精度，提出一种网侧功率因数控制方法。

1 矩阵变换器数学模型

矩阵变换器带阻感负载电路结构如图1所示，f、f和f分别为输入滤波器阻尼电阻、滤波电感和滤波电容，图2为a相输入等效电路，图中负载被视为一等效电流源。

图1 矩阵变换器基本结构

图2 a相网侧等效电路

假定三相电源对称且无谐波，网侧电压U、网侧电流i和矩阵变换器输入电流i（=a，b，c）表示如下：

（2）

（3）

U、I和I分别为网侧电压、网侧电流和输入电流对应的空间矢量，具体如下：

由图2电路可知，下式成立：

（5）

对式（6）进一步化简整理

（7）

2 网侧功率因数控制

由式（7）可知，网侧功率因数与输入滤波器参数、输入设置角和负载功率密切相关，为了扩大网侧功率因数的调节范围和精度，对输入电流设置角i和网侧功率因数进行重点分析和探讨。假设网侧功率因数coss，则式式（7）可以改写为：

对式（8）进行变换后得：

（9）

其中，tanc=，由上式可知，通过调整输入功率因数设置角i，就可以调节网侧功率因数，同时也可以看出，网侧功率因数与输入滤波器参数和负载大小有密切关系。

3 仿真验证

为了验证所提网侧功率因数控制方法是否可行，对其进行了仿真研究，仿真参数如表1所示。

图3（a）、（b）和（c）分别为网侧功率因数为1、0.866和0.5时输出线电压、相电流、输入相电压、相电流和输入功率因数设置角，0.06 s之前为采用传统功率因数设置，0.06 s之后为采用所提网侧功率因数控制方法。为便于与输入相电压相位作比较，输入相电流放大了50倍。从图中可以看出，采用所提网侧功率因数控制方法之后，输入相电压与输入相电流之间的相位差基本稳定在期望的网侧功率因数附近，达到了网侧功率因数控制的目标。仿真结果与理论分析一致，证明所提网侧功率因数控制方法是正确可行的。

4 结论

针对传统网侧功率因数因数控制精度低的缺点，通过建立矩阵变换器时域数学模型，分析了各参数对网侧功率因数的影响，据此提出一种高精度的网侧功率因数控制方法，并对其进行了仿真对比研究。仿真结果表明，采用所提网侧功率因数控制方法可以获得更号的网侧功率因数控制效果。

（a）单位功率因数

（b）网侧功率因数0.866滞后

（c）网侧功率因数0.5滞后

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Research on Grid Side Power Factor of Matrix Converter

Li Jian, Wu Xusheng, Xia Yihui

(College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM46

A

1003-4862（2017）09-0017-04

2017-04-15

李健(1987-)，男，硕士。研究方向：电力电子与电力传动。