單相交流高頻鏈矩陣逆變器控制策略的研究

徐祖平，郭 偉（南京郵電大學通達學院 電氣工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引 言

高頻鏈逆變器中間環節采用高頻變壓器實現電磁隔離，省掉了體積龐大的工頻變壓器，還能實現能量的雙向流動[1]。因此，隨著微網、分布式電源的快速發展，它的應用越來越廣泛。高頻鏈電路按照拓撲結構可分為DC-DC變換型和矩陣變換型。其中，矩陣變換型逆變器省去了中間直流儲能環節，同時具有單級功率變換、能量雙向流動、可靠性及穩定性較高等優點，是當前研究的熱點[2]。但是，由于它的后級周期換相結構使用雙向開關，因此必須要處理好感性負載的換流問題[3]。

本文以圖1所示的矩陣式交流高頻鏈拓撲結構作為研究對象。它主要由直流電源、高頻逆變器、高頻變壓器、矩陣式變換器和輸出濾波器等部分組成[4]。本文將重點分析它在不同控制策略下的工作特性和相應的開關動作規律。

圖1 交流高頻鏈拓撲結構

1 控制策略

1.1 單極性移相SPWPM調制

單極性移相SPWPM調制是指前級逆變橋采用移相控制產生SPWPM波，后經矩陣式變換器解調生成單極性SPWM波形。它的控制策略如圖2所示，圖2（a）給出了各開關管驅動信號和主要環節輸出電壓波形，圖2（b）給出驅動信號的邏輯關系。

圖2 單極性移相SPWPM調制控制策略

矩陣式變換器S1a、S1b、S4a、S4b共用一組驅動信號，S2a、S2b、S3a、S3b共用一組驅動信號。它們互補且占空比均為50%。鋸齒載波與正弦調制波及其反向信號交截，產生前級逆變橋的驅動信號，其上下橋臂驅動信號互補，且K1和K4驅動信號之間存在移相角θ。變壓器原邊產生的是雙極性三態SPWPM波，不包含直流和低頻成分，但含有單極性SPWM波的全部信息，因此可以采用高頻變壓器進行傳輸[5]。變壓器副邊電壓經過矩陣式變換器恢復成單極性SPWM波，調制波為正時輸出正脈沖，調制波為負時輸出負脈沖，最后通過LC濾波器生成穩定的正弦波[6]。

輸出電壓的幅值不僅與直流電壓、變壓器變比有關，還與正弦調制波與鋸齒載波幅值之比有關。因此，可以通過改變它的幅值比和調制波頻率改變輸出電壓的幅值和頻率[7]。

1.2 解結耦調制

解結耦調制策略解耦的原理：在一個高頻周期內，高頻逆變橋產生的是占空比為0.5的雙極性方波信號，如果只考慮半個高頻周期，矩陣式變換器的輸入可以看做是恒定的直流信號。當變壓器初級側輸出電壓UN1為正時，S1a、S2a、S3a、S4a組成的逆變橋工作；當變壓器初級側輸出電壓UN1為負時，S1b、S2b、S3b、S4b組成的逆變橋工作，解耦原理如圖3所示。這樣矩陣式變換器就被解耦為2個串聯獨立的普通逆變器，且當一組逆變橋工作時，另一組逆變橋的所有開關管保持關斷狀態。

解結耦調制策略結耦的原理：將鋸齒載波與正弦調制波進行交截，產生兩路互補的SPWM信號，在此基礎上與高頻逆變器產生的方波信號進行邏輯組合，產生矩陣式變換器各開關管的驅動信號，邏輯關系如圖4（a）所示。矩陣式變換器各開關管的驅動信號邏輯關系為：

其中，SPWM1和SPWM2是正弦調制波與三角載波比較后產生的兩路互補的SPWM信號；V1和V2是高頻逆變器產生的占空比為0.5的互補的方波信號，與逆變器的驅動信號同步；各開關管驅動信號波形如圖4（b）所示。

圖3 解結耦調制方式解耦過程

圖4 解結耦調制控制策略

2 仿真分析

在Matlab/Simulink中搭建上述仿真模型，系統參數如下：鋸齒載波頻率40 kHz，開關頻率20 kHz，直流輸入電壓150 V，變壓器變比1:1，濾波電感5 mH，濾波電容3 μF。

2.1 單極性移相SPWPM調制

變壓器原邊電壓分析如圖5所示，前級逆變橋輸出電壓為雙極性三態SPWPM波，不含有基波成分，只含有開關頻率20 kHz及其奇次倍頻諧波成分。因此，可以通過高頻變壓器進行功率傳輸，有利于逆變的輕型化和高效性。矩陣式變換器輸出電壓分析如圖6所示，輸出電壓為單極性SPWM波，諧波成分主要集中在開關頻率倍頻附近，即40 kHz、80 kHz及以上頻率附近。

圖5 前級逆變橋輸出電壓局部波形

矩陣式變換器輸出電壓波形經濾波器后得到穩定的正弦波，如圖7所示，諧波含量少，總諧波失真度為0.29%，電壓質量高。

2.2 解結耦調制

變壓器原邊電壓波形分析如圖8所示，前級逆變橋產生的是占空比為50%的高頻方波，諧波集中在開關頻率及其奇次倍頻附近。矩陣式變換器輸出電壓分析如圖9所示，與單極性移相調制不同，采用解結耦調制方法矩陣式變換器輸出電壓為雙極性SPWM波，其諧波成分主要集中在開關頻率倍頻附近。

輸出電壓經濾波后產生正弦信號，如圖10（a）所示，頻譜分析如圖10（b）所示。此時，正弦電壓波峰、波谷處有略微失真，總諧波失真度為0.77%。

圖6 矩陣式變換器輸出電壓波形

圖7 濾波器后輸出電壓波形及其頻譜分析

圖8 前級逆變橋輸出電壓局部波形

圖9 矩陣式變換器輸出電壓局部波形

3 結 論

通過仿真實驗可知，兩種控制策略均能得到理想的輸出正弦波。其中，單極性移相SPWPM調制能實現矩陣式變換器零電壓開關，解結耦調制則無法實現，但是解結耦調制方式邏輯簡單、易實現。此外，解結耦調制方式將矩陣式變換器解耦成兩個單獨的逆變器獨立控制，控制靈活，自由度較好，易于擴展。

圖10 濾波器后輸出電壓波形及其頻譜分析