矩阵变换器的输出电压闭环策略研究

1 引言
交一交矩阵变换器是一种新型交交变换器[1-4]，相对于传统的交直交变换器，它没有中间直流环节，结构紧凑，并且可以实现能量双向流动。同时，矩阵变换器又具备控制自由度大，输出频率理论上可为任意值，输入功率因素可任意调节等传统交交变换器所不具备的优点，并且它输入电流波形好，无低次谐波。正是由于矩阵式变换器的上述优点，使其具备了广阔的应用前景，已经成为研究的热点之一。但由于交交矩阵变换器开关器件多，易受扰动，因此在其实用化进程中，系统整体的闭环控制是一个重要问题。文[5]提出一种利用旋转电压空间矢量给定与反馈的偏差，实现系统闭环控制的理论，并进行了仿真验证，但缺乏实验分析。文[6]针对闭环系统，提出了一种修正电压扇区角的新方法，但具体实现的难度较大。
本文在双空间矢量调制原理的基础上，提出一种新的闭环控制方案。该控制方案通过修正输出线电压的交直轴分量，实现了输出电压的闭环控制。仿真和实验结果验证了这种控制方案的可行性，并表明该方案提高了矩阵变换器的抗干扰性能，使其获得了良好的动态性能。
2 双空间矢量调制原理
双空间矢量调制原理[7]是将矩阵变换器等效成虚拟的交直交变换器，其中直流环节是虚拟的环节，如图2所示（其中Sap、San、Sbp、Sbn、Scp、Scn为虚拟整流部分等效开关，SpA、SpB、SpC、SnA、SnB、SnC为虚拟逆变部分等效开关）。分别对虚拟整流部分和虚拟逆变部分采用空间矢量调制技术实现，如图3、4所示（其中i1-i6为基本矢量，v1-v6为电压基本矢量）。
对于采用空间矢量调制的虚拟整流部分，在图3所示区间，输入电流矢量可以表示为：
i=dMiM dNiN d0i0 (1)
其中，iM、iN为相邻的基本矢量，dM、dN为对应占空比。
此时，虚拟整流部分的输出直流电压为：
V=dMVab dNVac (2)
同样，对于采用空间矢量调制的虚拟逆变部分，在图4所示区间，输出电压矢量可以表示为：
Vo=dαV dαVβ d0V0 (3)
其中，Vα、Vβ为相邻的基本矢量，dα、dβ为对应占空比。
最后将二者综合，得到所需的调制函数矩阵，实现一次变换，如下式所示。

(4)

(5)
其中，m为调制比，θc为输入电流相角，θv为输出电压相角。
3 空间矢量调制矩阵变换器的瞬时值闭环控制
由于矩阵变换器开关器件多、输入输出直接相连，所以输出电压易受输入电压及负载变化影响。为了提高矩阵变换器的抗干扰性，本文对矩阵变换器的输出电压进行瞬时值闭环控制，实时修正调制系数及占空比，控制输出电压的瞬时值。
设期望输出电压为：
(6)

其中，Vom为输出线电压幅值，VAB为输出电压角频率。
对三相输出线电压先Clarke变换，再Park变换，得到dq坐标系下的表达式如下：