基于雙空間矢量調制方法分析矩陣變換器

摘要：矩陣變換器的控制是一項復雜的任務。對矩陣變換器應用雙空間矢量調制方法進行了詳盡的分析，利用Matlab／Simulink軟件并借助于其中的S函數進行了仿真。結果證明，這種調制策略使整個調制時間縮短，設計可靠，矩陣變換器復雜的控制過程被簡化了，輸出線電壓是正弦性很好的PWM波形。給實際研究和設計提供了方便。
關鍵詞：矩陣變換器；Matlab／Simulink；雙空間矢量調制；S函數；占空比

傳統的AC／DC／AC變換器體積和重量龐大(存在直流環節)，諧波電流的存在對其他的設備有嚴重的影響。矩陣變換器的提出解決了這些問題，相比較傳統的變換器，矩陣變換器有以下優點：
1)沒有電感器或電容器這樣體積龐大的儲能元件，結構緊湊，體積大大減小；
2)通過濾波器，開關頻率諧波能夠減少到符合要求，就可以得到正弦輸入電流；
3)可控的輸入功率因素，可達到1，更高的可靠性；
4)雙向開關的使用，使變換器的四象限換流非常容易，能量可雙向流動；
5)對復雜的環境條件具有很高的適應度，能在高、低壓環境中使用，也可以用在高溫環境中，諸如太空和水下(因為電解電容的使用受到限制)，非常適合用在潮汐發電站中。
基于上述諸多的優點，使矩陣變換器越來越多地被關注，然而，至今它還不是一個成熟的技術。焦點主要集中在它的拓撲結構，控制方法，換流技術。通常使用的控制方法是空間矢量調制法，而在現有的資料中很少有非常詳盡的描述。本文將對矩陣變換器應用雙空間矢量調制法進行詳盡的分析。

1 雙空間矢量調制策略
矩陣變換器應用雙空間矢量調制法(SVM)時可以等效為一個虛擬的整流器和一個虛擬的逆變器，它們的6個有效的空間矢量分別如圖1所示，對輸入電流和輸出電壓分別進行嵌套。從而有36種可能的扇區組合。

以虛擬整流器、逆變器均工作在第一扇區為例，相量合成的固定空間電流、電壓相量分別是I6、I1和U6、U1，兩個空間相量的綜合調制采用相互嵌套的辦法來實現。整個輸入相電流和輸出相電壓相量合成共有I6-U6、I6-U1、I1-U6、I1-U1、I0-U0 5種組合。每一相量組合的作用時間用占空比duty來表示。等式(1～5)反映了占空比的計算公式。占空比可以通過表1來分配給相應的開關組合。

式中，θi、θv是相應輸入相電流的相角和輸出線電壓的相角。m為調制比。當4個占空比的總和小于一個周期時，補充零開關組合來完成一個PWM周期，零開關組合的占空比計算公式如下：

等式(1～5)表明了4個作用矢量和一個零矢量在每個采樣周期內的持續時間。每個占空比相應于表1一個特定的開關組合。表1中電壓矢量在4、5、6扇區的符號值可以通過以下方法得出。