李 健，吳旭升，夏益輝

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矩陣變換器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制研究

李 健，吳旭升，夏益輝

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033 )

受輸入濾波器參數(shù)和系統(tǒng)功率的影響，矩陣變換器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)在采用傳統(tǒng)控制方法時(shí)，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制精度不高。為克服這一問題，通過建立矩陣變換器時(shí)域數(shù)學(xué)模型，提出一種高精度的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制方法，并將其與傳統(tǒng)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制方法進(jìn)行了對(duì)比研究。仿真結(jié)果表明采用本文所提網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制方法是正確可行的。

輸入濾波器 系統(tǒng)功率 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù) 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制方法 矩陣變換器

0 引言

矩陣變換器由于具有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可調(diào)、功率密度高和輸入輸出性能好等優(yōu)點(diǎn)，具有較為寬廣的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域[1-3]。傳統(tǒng)的空間矢量調(diào)制中，雖然可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的自由調(diào)節(jié)，但受輸入濾波器和負(fù)載工況的影響，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制精度并不是十分理想。目前，對(duì)于網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制性能的研究并不是很多，且其中大部分是針對(duì)擴(kuò)大無功功率調(diào)節(jié)范圍展開研究的[3-11]。

德國(guó)學(xué)者Frank S提出一種混合調(diào)制策略，該方法有效擴(kuò)大了矩陣變換器的功率因數(shù)調(diào)節(jié)范圍[4]；北方工業(yè)大學(xué)梅楊副教授采用頻域分析方法對(duì)基于RB-IGBT的直接型矩陣變換器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制展開了研究[5]，分析了輸入功率因數(shù)設(shè)置角和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)角之間的關(guān)系，提出了一種網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)控制方法；清華大學(xué)陸曉楠博士生針對(duì)雙級(jí)矩陣變換器，提出一種網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制方法，該方法不足之處是需要根據(jù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)離線計(jì)算輸入功率因數(shù)角，降低了該方法的實(shí)用性[6]；越南學(xué)者Hoang M N提出一種開環(huán)控制下網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)控制方法[7]，通過分析矩陣變換器輸入側(cè)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出了輸入功率因數(shù)角和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)角之間的關(guān)系，該方法優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制精度低，此外，其還提出一種基于網(wǎng)側(cè)電壓和電流雙鎖相環(huán)的閉環(huán)單位功率因數(shù)控制方法[7]，但由于需要使用雙鎖相環(huán)，使得系統(tǒng)參數(shù)整定和計(jì)算量較大，且鎖相環(huán)受網(wǎng)側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流諧波影響，系統(tǒng)很有可能不能穩(wěn)定運(yùn)行；南京航空航天劉曉宇博士針對(duì)雙級(jí)矩陣變換器，提出一種基于網(wǎng)側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流的網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)閉環(huán)控制方法，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)控制的目標(biāo)[8]，其存在與文獻(xiàn)[7]同樣的缺點(diǎn)。智利學(xué)者Rivera M利用模型預(yù)測(cè)控制，將輸出電流誤差、共模電壓和無功功率誤差作為優(yōu)化函數(shù)[9]，通過在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)遍取27中開關(guān)狀態(tài)，將其中使優(yōu)化函數(shù)最小的作為下一周期的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了無功功率的調(diào)節(jié)，該方法一方面計(jì)算量比較大，另一方面無功功率調(diào)節(jié)精度并不是很高。中南大學(xué)但漢兵碩士提出基于數(shù)學(xué)構(gòu)造的矩陣變換器單位功率因數(shù)閉環(huán)控制策略[10]，從理論上給出了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)最大補(bǔ)償角的表達(dá)式，并與傳統(tǒng)空間矢量調(diào)制和文獻(xiàn)[7]所提開環(huán)控制算法進(jìn)行了對(duì)比研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法在輕載時(shí)具有更好的控制性能，但由于需要檢測(cè)輸出電流的相位信息，以及需要構(gòu)造調(diào)制函數(shù)，系統(tǒng)運(yùn)算量大。

由上可見，目前已有對(duì)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制的研究多側(cè)重于對(duì)單位功率因數(shù)控制進(jìn)行研究，而對(duì)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)調(diào)節(jié)控制的研究并不多，為了提高矩陣變換器無功補(bǔ)償能力和提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制精度，提出一種網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制方法。

1 矩陣變換器數(shù)學(xué)模型

矩陣變換器帶阻感負(fù)載電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，f、f和f分別為輸入濾波器阻尼電阻、濾波電感和濾波電容，圖2為a相輸入等效電路，圖中負(fù)載被視為一等效電流源。

圖1 矩陣變換器基本結(jié)構(gòu)

圖2 a相網(wǎng)側(cè)等效電路

假定三相電源對(duì)稱且無諧波，網(wǎng)側(cè)電壓U、網(wǎng)側(cè)電流i和矩陣變換器輸入電流i（=a，b，c）表示如下：

（2）

（3）

U、I和I分別為網(wǎng)側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流和輸入電流對(duì)應(yīng)的空間矢量，具體如下：

由圖2電路可知，下式成立：

（5）

對(duì)式（6）進(jìn)一步化簡(jiǎn)整理

（7）

2 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制

由式（7）可知，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)與輸入濾波器參數(shù)、輸入設(shè)置角和負(fù)載功率密切相關(guān)，為了擴(kuò)大網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)范圍和精度，對(duì)輸入電流設(shè)置角i和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析和探討。假設(shè)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)coss，則式式（7）可以改寫為：

對(duì)式（8）進(jìn)行變換后得：

（9）

其中，tanc=，由上式可知，通過調(diào)整輸入功率因數(shù)設(shè)置角i，就可以調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，同時(shí)也可以看出，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)與輸入濾波器參數(shù)和負(fù)載大小有密切關(guān)系。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制方法是否可行，對(duì)其進(jìn)行了仿真研究，仿真參數(shù)如表1所示。

圖3（a）、（b）和（c）分別為網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1、0.866和0.5時(shí)輸出線電壓、相電流、輸入相電壓、相電流和輸入功率因數(shù)設(shè)置角，0.06 s之前為采用傳統(tǒng)功率因數(shù)設(shè)置，0.06 s之后為采用所提網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制方法。為便于與輸入相電壓相位作比較，輸入相電流放大了50倍。從圖中可以看出，采用所提網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制方法之后，輸入相電壓與輸入相電流之間的相位差基本穩(wěn)定在期望的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)附近，達(dá)到了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制的目標(biāo)。仿真結(jié)果與理論分析一致，證明所提網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制方法是正確可行的。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)因數(shù)控制精度低的缺點(diǎn)，通過建立矩陣變換器時(shí)域數(shù)學(xué)模型，分析了各參數(shù)對(duì)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的影響，據(jù)此提出一種高精度的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制方法，并對(duì)其進(jìn)行了仿真對(duì)比研究。仿真結(jié)果表明，采用所提網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制方法可以獲得更號(hào)的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制效果。

（a）單位功率因數(shù)

（b）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)0.866滯后

（c）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)0.5滯后

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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，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。