矩陣變換器網側功率因數控制研究

李 健，吳旭升，夏益輝

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矩陣變換器網側功率因數控制研究

李 健，吳旭升，夏益輝

(海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033 )

受輸入濾波器參數和系統功率的影響，矩陣變換器網側功率因數在采用傳統控制方法時，網側功率因數控制精度不高。為克服這一問題，通過建立矩陣變換器時域數學模型，提出一種高精度的網側功率因數控制方法，并將其與傳統網側功率因數控制方法進行了對比研究。仿真結果表明采用本文所提網側功率因數控制方法是正確可行的。

輸入濾波器 系統功率 網側功率因數 網側功率因數控制方法 矩陣變換器

0 引言

矩陣變換器由于具有網側功率因數可調、功率密度高和輸入輸出性能好等優點，具有較為寬廣的應用范圍和領域[1-3]。傳統的空間矢量調制中，雖然可以實現網側功率因數的自由調節，但受輸入濾波器和負載工況的影響，網側功率因數控制精度并不是十分理想。目前，對于網側功率因數控制性能的研究并不是很多，且其中大部分是針對擴大無功功率調節范圍展開研究的[3-11]。

德國學者Frank S提出一種混合調制策略，該方法有效擴大了矩陣變換器的功率因數調節范圍[4]；北方工業大學梅楊副教授采用頻域分析方法對基于RB-IGBT的直接型矩陣變換器網側功率因數控制展開了研究[5]，分析了輸入功率因數設置角和網側功率因數角之間的關系，提出了一種網側單位功率因數控制方法；清華大學陸曉楠博士生針對雙級矩陣變換器，提出一種網側功率因數控制方法，該方法不足之處是需要根據網側功率因數離線計算輸入功率因數角，降低了該方法的實用性[6]；越南學者Hoang M N提出一種開環控制下網側單位功率因數控制方法[7]，通過分析矩陣變換器輸入側數學模型，計算出了輸入功率因數角和網側功率因數角之間的關系，該方法優點是計算簡單，缺點是網側功率因數控制精度低，此外，其還提出一種基于網側電壓和電流雙鎖相環的閉環單位功率因數控制方法[7]，但由于需要使用雙鎖相環，使得系統參數整定和計算量較大，且鎖相環受網側電壓和網側電流諧波影響，系統很有可能不能穩定運行；南京航空航天劉曉宇博士針對雙級矩陣變換器，提出一種基于網側電壓和網側電流的網側單位功率因數閉環控制方法，實現了網側單位功率因數控制的目標[8]，其存在與文獻[7]同樣的缺點。智利學者Rivera M利用模型預測控制，將輸出電流誤差、共模電壓和無功功率誤差作為優化函數[9]，通過在一個開關周期內遍取27中開關狀態，將其中使優化函數最小的作為下一周期的開關狀態，實現了無功功率的調節，該方法一方面計算量比較大，另一方面無功功率調節精度并不是很高。中南大學但漢兵碩士提出基于數學構造的矩陣變換器單位功率因數閉環控制策略[10]，從理論上給出了網側功率因數最大補償角的表達式，并與傳統空間矢量調制和文獻[7]所提開環控制算法進行了對比研究，實驗結果證明該方法在輕載時具有更好的控制性能，但由于需要檢測輸出電流的相位信息，以及需要構造調制函數，系統運算量大。

由上可見，目前已有對網側功率因數控制的研究多側重于對單位功率因數控制進行研究，而對網側功率因數調節控制的研究并不多，為了提高矩陣變換器無功補償能力和提高網側功率因數控制精度，提出一種網側功率因數控制方法。

1 矩陣變換器數學模型

矩陣變換器帶阻感負載電路結構如圖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，圖中負載被視為一等效電流源。

圖1 矩陣變換器基本結構

圖2 a相網側等效電路

假定三相電源對稱且無諧波，網側電壓U、網側電流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分別為網側電壓、網側電流和輸入電流對應的空間矢量，具體如下：

由圖2電路可知，下式成立：

（5）

對式（6）進一步化簡整理

（7）

2 網側功率因數控制

由式（7）可知，網側功率因數與輸入濾波器參數、輸入設置角和負載功率密切相關，為了擴大網側功率因數的調節范圍和精度，對輸入電流設置角i和網側功率因數進行重點分析和探討。假設網側功率因數coss，則式式（7）可以改寫為：

對式（8）進行變換后得：

（9）

其中，tanc=，由上式可知，通過調整輸入功率因數設置角i，就可以調節網側功率因數，同時也可以看出，網側功率因數與輸入濾波器參數和負載大小有密切關系。

3 仿真驗證

為了驗證所提網側功率因數控制方法是否可行，對其進行了仿真研究，仿真參數如表1所示。

圖3（a）、（b）和（c）分別為網側功率因數為1、0.866和0.5時輸出線電壓、相電流、輸入相電壓、相電流和輸入功率因數設置角，0.06 s之前為采用傳統功率因數設置，0.06 s之后為采用所提網側功率因數控制方法。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，采用所提網側功率因數控制方法之后，輸入相電壓與輸入相電流之間的相位差基本穩定在期望的網側功率因數附近，達到了網側功率因數控制的目標。仿真結果與理論分析一致，證明所提網側功率因數控制方法是正確可行的。

4 結論

針對傳統網側功率因數因數控制精度低的缺點，通過建立矩陣變換器時域數學模型，分析了各參數對網側功率因數的影響，據此提出一種高精度的網側功率因數控制方法，并對其進行了仿真對比研究。仿真結果表明，采用所提網側功率因數控制方法可以獲得更號的網側功率因數控制效果。

（a）單位功率因數

（b）網側功率因數0.866滯后

（c）網側功率因數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。