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双级矩阵变换器双空间矢量调制策略研究 　　【摘要】介绍了双级矩阵变换器（TSMC）的主电路拓扑结构，分析了TSMC的基本原理，推导了TSMC双空间矢量调制（SVM）策略，搭建了Matlab/Simulink模型对所述调制策略进行了仿真验证，仿真结果表明所述调制策略的正确性。 　　【关键词】矩阵变换器；双级；空间矢量调制；仿真 　　1、引言 　　随着电力电子技术、自动控制技术的迅速发展，电力变换技术已广泛应用于电动机驱动、变频调速、能量回馈控制以及不间断电源等方面，据统计，我国发电量的60%～70%用于拖动电动机，其中90%的电动机是交流电动机，大部分为直接拖动，由于直接恒速拖动，造成大量的电能浪费，全国每年浪费的用电总量十分惊人[1]，因此发展电气节能十分必要。 　　变流器是电力变换的核心部件，当前应用广泛的AC-DC-AC变换器和相控AC-AC变频器，均存在其固有的缺陷。对于AC-DC-AC变换器，因为整流侧为不控整流，输入侧功率因数低，输入交流电流波形畸变，对电网谐波污染严重；同时直流侧储能元件体积大，且寿命有限，造成系统不易维护、集成度低、可靠性降低等问题。而AC-AC变频器输出频率变化范围窄，一般上限为1/3～1/2电网频率，所以仅适用于低速场合。 　　美国学者Lixiang Wei和Thomas. A Lipo于2001年提出了一种新型双级矩阵变化器（Two-stage matrix converter-TSMC）[2]，该拓扑具有输入、输出电流正弦，输出频率任意可调，输入功率因数可控为1，且直流侧不需要笨重的储能元件，只需简单的嵌位电路，具有“绿色变频器”的特性[3]，成为目前很有发展潜力的一种交-交直接功率变换器。 　　2、TSMC的主电路结构 　　TSMC的主电路由整流级和逆变级构成，与交-直-交PWM变换器不同的是，TSMC的整流级采用双向开关，共需要18个IGBT[4]；当控制直流侧电压时，TSMC直流侧仅需要一个简单的嵌位电路，而不需要直流侧储能电容。TMSC主电路结构如图1所示。 　　图1所示18开关TSMC的主电路结构，主要由输入滤波器、整流级、箝位电路、逆变级构成，其中整流级的双向开关采用共射极接法，逆变级采用IPM模块构成。从图1可以看出TSMC相对于传统的直接式MC具有更简单的箝位电路，TSMC的箝位电路由DC和CC串联后并接在TSMC的直流侧[3]。 　　3、TSMC的双空间矢量调制 　　3.1整流级空间矢量调制 　　设三相对称输入电压的表达式为式（1）： 　　（1） 　　其中Uim为输入相电压幅值，ωi为输入角频率。 　　为获得最大直流侧电压，提高电压利用率，将输入电压的一个基波周期划分为六个扇区，在每个扇区内，一相电压绝对值最大，另两相电压极性与其相反[5]。下面以电压在第1扇区为例展开分析。 　　第1扇区内ua极性为正且绝对值最大，ub和uc极性为负，为了达到整流级调制目的，1个开关周期T内开关开关Sanp和Sann一直导通，Sbpp和Sbpn、Scnp和Scnn轮流导通，则直流侧电压满足，直流侧电压分别由线电压uab、uac构成，为保证其输入功率因数为1，即各相电流与输入电压保持同相位，则需满足式（1）。 　　（1） 　　则其占空比分别为d1和d2。 　　（2） （3） 　　同理可以分析其它扇区，由式（3）可知直流侧电压Udc的局部平均值为随而变的波动量。其中： 　　（4） 　　3.2逆变级空间矢量调制 　　TSMC逆变级的空间矢量调制和一般的逆变器调制类似。由前面分析可知在1个开关周期T内，因直流侧电压udc由两个输入线电压分别导通d1T和d2T时间构成，为了得到恒定的输出电压矢量幅值，TSMC的逆变级的调制系数mv需进行修正以抵消udc的波动，这点与一般逆变器不同。逆变级的输出线电压空间矢量分布和合成如图3所示。 　　逆变级修正后的占空比计算公式如式（5）所示， 　　（5） 　　其中为输出相电压幅值，为输出线电压的扇区角。 　　3.3整流级和逆变级协调控制 　　由于直流侧在1个T周期内由两段线电压构成，所以逆变级应该在两段线电压下分别调制，协调控制过程矢量分布示意图如图4所示。按图4所示安排逆变级的零电压矢量即可实现整流级双向开关的零电流换流。图中： 　　； 　　。 　　4、TSMC仿真验证 　　为验证所提策略的正确性，搭建了基于Matlab/Simulink的仿真模型，仿真参数如表一所示。 　　输入侧功率因数可控验证仿真波形如图5、图6、图7所示，图5为电流超前电压30°波形，图6为电流滞后电压30°波形，图7为单位功率因数波形。 　　由图5、图6、图7可见，矩阵变换器可实现输入功率因数可调，输入电流可超