【《CMC调制策略分析综述》2500字】

CMC调制策略分析综述在本小节中，就CMC的调制策略进行详细的说明，如图1-16所示为三相-单相矩阵变换器拓扑结构，三相-单相矩阵变换器等效交-直-交拓扑结构如图2-3所示，等效电路左侧是一个三相全桥整流电路，右侧是一个单相全桥逆变电路。三相-单相矩阵变换器换流有严格的要求，就是输入侧不能短路，输出侧不能开路，所以三相-单相矩阵变换器在工作时，与输出端p和n分别相连接的三个双向开关有且只能有一个导通。图2-3三相-单相矩阵变换器等效交-直-交拓扑结构1.1SPWM调制策略如图2-4所示的正弦脉宽调制(SinusoidalPulseWidthModulation,SPWM)策略[REF_Ref69378894\r\h39]，利用绝对值最大的输入线电压来合成具有三电平的期望输出电压。其调制思想和传统交-直-交拓扑结构采用SPWM调制方法一样，简单来说，如图2-3所示，左侧可以看做是一个整流单元，将三相交流整流成一个六脉波的直流，右侧H桥通过采用SPWM调制将直流逆变成交流，只不过三相-单相矩阵变换器是一步完成这个过程。其调制方法如下所示：图2-4三相-单相矩阵变换器的SPWM调制策略图2-5三相输入电压分区示意图首先以三相输入相电压Via、Vib、Vic的交点为分割点把三相输入相电压在一个周期内分成六个区间分别标号，如图2-5所示，每个部分的三相输入相电压都呈单调变化。根据每个区间电压的特征来判断该区间的标号，如图2-6所示，通过输入相电压之间的相互比较可以得到输入相电压所在的区间标号X，例如当Via>Vib>Vic时，XA、XB、XC分别为1、1、0，代表输入相电压所在的区间标号X=6，其他区间电压标号信息如表2-1所示。图2-6输入相电压所在的区间标号判断图2-7输出参考电压和单极性载波比较此外，还要判断输出参考电压的极性，如图2-7所示，让输出参考电压与单极性三角载波进行比较产生信号L，其值可能等于1、0、-1，分别对应正极性电压、零电压和负极性电压，最后通过查表找到合适的触发脉冲，所有状态下的触发脉冲信息如表2-1所示。表2-1所有状态下的触发脉冲状态XAXBXCXLS1S2S3S4S5S611,1,06+11,0,0,0,0,120,1,02+10,1,0,0,0,130,1,13+10,1,0,1,0,040,0,11+10,0,1,1,0,051,0,15+10,0,1,0,1,061,0,04+11,0,0,0,1,071,1,06-10,0,1,1,0,080,1,02-10,0,1,0,1,090,1,13-11,0,0,0,1,0100,0,11-11,0,0,0,0,1111,0,15-10,1,0,0,0,1121,0,04-10,1,0,1,0,0131,1,0600,0,1,0,0,1140,1,0200,0,1,0,0,1150,1,1301,0,0,1,0,0160,0,1101,0,0,1,0,0171,0,1500,1,0,0,1,0181,0,0400,1,0,0,1,0由于滤波器的存在会导致变流器输入功率因数不为1，因此为了使输入电压电流同相位，需要改变输入电流的相位，使电流在水平方向上发生偏移，由上面调制策略可知，输入电流的相位会随着输入电压信号的相位变化而改变，所以只需改变电压信号的相位即可。下面对图2-8所示的控制方法进行详细说明。图2-8电流相位的调整方法给定偏移相角θ，根据式(2-12)求出偏移矩阵，如式(2-11)所示，根据式(2-11)求出电压参考信号Vio。 (2-11)根据||Vi||=||Vio||，得出h1(θ)、h2(θ)、h3(θ)参数表达式为： (2-12)根据上述公式可以改变电压和电流之间的相位差，通常只是对无功功率进行直接控制，而不是直接对相位进行控制，所以可以采用闭环控制的方式来控制无功功率的大小，然后通过PI调节器得到相应的偏移角θ，如下图2-9所示：图2-9网侧无功功率控制策略无功功率参考值Qs*和电源侧发出的无功功率Qs做差送入PI调节器，然后送入限幅模块，上下限可以设为π和-π，最后再送入限速率模块得到偏移相角θ，其中电源侧的无功功率计算可以按式(2-13)进行计算。对电源电压Vs和电流is进行Park变换，分别得到dq轴分量vsd和vsq、isd和isq，无功功率Qs表达式为： (2-13)当CMC每相含有多个功率单元时，可以采用脉宽调制技术，脉宽调制技术包括载波相位垂直(CarrierPhaseDisposition,CPD)调制技术和载波移相(CarrierPhaseShifted,CPS)调制技术，该调制技术的目的主要是在CMC输出侧拟合出正弦的输出电压波形，尽量的减少谐波，降低开关频率。(1)CPD调制技术CPD调制技术是指使载波在垂直方向移动相同的距离所形成的载波技术，假设CMC每相含有n个功率单元，在垂直方向上就需要n个载波，每个载波控制一个功率单元，调制原理如下图2-10所示，该方法相比CPS可以明显的减少谐波，使用该调制策略也可以采用普通的多绕组变压器，相比移相变压器减少了成本，但是这种方法的缺点也很明显，就是每一相上的功率单元所流过的功率不一致，这样会造成期间损耗不同，导致开关寿命不一样。图2-10CPD调制技术示意图(2)CPS调制技术图2-11CPS调制技术示意图CPS调制技术是指用多个幅值和频率相同，水平方向上相位不同的载波与调制波进行比较，得到相应的开关脉冲，调制原理如图2-11所示，假设CMC每相含有n个功率单元，在水平方向上就需要n个载波，根据移相角度的不同，又可以分为2π/n移相和π/n移相，这两种方式进行对比可以发现，当每相含有奇数个功率单元时，两者无明显区别，但是当含有偶数个功率单元时，采用π/n移相方式更优，输出波形更好，谐波含量更低。相比于CPD调制技术，CPS方法更为简单，每个功率单元流过的功率一致，不会出现部分开关由于损耗过高导致寿命降低，但是缺点也很明显，就是输出电压的变化率(dv/dt)较高，从而会导致绕组之间容易发生电晕，且输出电流质量下降，为了克服以上缺点，需采用移相变压器。本文后续仿真中，均采用CPS调制。1.2双电压调制策略图2-12三相输入电压分区示意图双电压调制策略是指在每个开关周期内，按照不同的占空比，使输入线电压来合成期望的输出电压，并在一个开关周期内使输出电压的平均值等于期望输出电压，根据输入电压的瞬时值来计算实时的占空比，从而控制开关管的导通截止[REF_Ref69391230\r\h40]。下面详细说明调制策略。首先将三相输入电压分成12个区间，如图2-12所示，每个区间的三相电压都呈单调变化，且其中两个电压与另一个电压异号，期望输出电压按照大于0和小于0分成两个扇区。对每个扇区的输入电压按照值的大小分成umax、umid、umin，表达式如下： (2-14)三相输入电压被标记为umax、umid、umin，相应的输入电流被标记为imax、imid、imin，然后再设定基准电压，即umax、umid、umin中绝对值最大的被设为基准电压ubase，由图2-12可知，基准电压ubase在umax和umin中交替变化。以期望输出电压大于0时为例来说明调制方法，为了简化公式，定义以下变量： (2-15) (2-16)图2-13PWM开关模式示意图如图2-13所示，一个开关周期Ts=2t1+2t2+t3，以ubase=umax为例，一个开关周期平均输出电压值为： (2-17)引入输入电流分配因子α，其表达式为： (2-