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不对称调制下双级矩阵变换器的谐波分析

秦显慧;周波;黄海涛;刘晓宇;雷家兴

【摘要】将双级矩阵变换器应用于360~800Hz航空变速恒频发电系统中,较高的

输入频率是对变换器控制性能的重大挑战.仿真和实验表明,采用传统的不对称双空

间矢量调制方法虽然具有控制简单、开关损耗低等优点,但在高频输入时,输出电压

和输入电流将出现低频谐波和畸变.通过简化的Buck电路模型,引入脉冲重心的概

念,推导了脉冲重心偏移对实际输出电压的影响规律.基于此,分析了双级矩阵变换器

的谐波分布规律,发现不对称调制在输出电压中引起频率为3nωin±(3m±1)ωo的

低频谐波,而在输入电流中引起3n±1次谐波.仿真和实验验证了结论的正确性,为进

一步提高双级矩阵变换器性能提供了理论依据.

【期刊名称】《电工技术学报》

【年(卷),期】2016(031)002

【总页数】10页(P102-111)

【关键词】双级矩阵变换器;变速恒频发电系统;双空间矢量调制;脉冲重心;谐波分析

【作者】秦显慧;周波;黄海涛;刘晓宇;雷家兴

【作者单位】南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京

210016;南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京210016;

南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京210016;南京航

空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京210016;南京航空航天

大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京210016

【正文语种】中文

【中图分类】TM46

国家自然科学基金)和江苏省高校优秀科技创新团队资助项目。

基于矩阵变换器(MatrixConverter,MC)的发电系统以其功率密度大、效率高

等显著优点,在分布式发电[1,2]、航空发电系统[3,4]中的应用研究已经引起了国

内外学者的广泛关注。双级矩阵变换器(TwoStageMatrixConverter,TSMC)

不仅继承了传统MC无需直流储能环节、体积重量小、开关损耗低和恶劣自然环

境下适应性强等优点,而且具有换流方便、钳位电路简单和整流级可实现零电流开

关等优势[5],在航空变速恒频发电系统中具有更为广阔的应用前景[6]。随着现代

航空技术的发展,360~800Hz交流母线已经在波音787等大型客机中获得应用

[7],因此TSMC应用于航空电源系统中时,首先要面对较高输入频率的挑战,研

究高频输入对变换器控制性能的影响具有重要意义。

双空间矢量调制(DualSpaceVectorModulation,DSVM)是TSMC或MC

的一种常用控制方法[8,9],由于开关死区、窄脉冲和开关管压降等诸多非线性因

素的存在,常规调制方法往往引起波形畸变、性能下降等问题。已有大量文献研究

这些非线性因素及其抑制措施,其中文献[10]研究了低调制比下窄脉冲造成MC输

出电压畸变的现象,提出了零矢量的优化配置方法;文献[11]进一步研究了换流延

迟和管压降影响MC输出电压畸变的规律,提出了相应的补偿策略;文献[12]分析

了采样延迟、电容电压波动和窄脉冲限制等实际因素对TSMC输出电压的不利影

响,并从实际工程约束的角度,提出了非线性补偿策略。然而,上述文献对非线性

因素的分析并不全面。

根据每个调制周期内的开关管驱动信号是否关于调制周期的中间时刻对称,可将

DSVM的调制方法分为对称[10,12]和不对称[11]两种,图1显示了两种调制方式

下直流母线电压和逆变级驱动信号的典型波形。一方面,不对称调制不仅控制简单,

而且开关次数少、损耗低和效率高[13,14],在对效率和功率密度要求高的航空场

合更具优势;另一方面,不对称调制本身存在非线性[12,15],尤其在航空变速恒

频发电这种频率较高的应用场合,将引起波形的畸变。在现有TSMC研究中,输

入频率较低时不对称调制引起的畸变程度不明显而常被忽视,但在航空电源应用场

合,输入频率可达地面工频电源的数十倍,而开关频率受器件工艺技术的限制,并

不能无限增大,如IGBT的开关频率一般不超过20kHz,在这种载频比较低的情况

下,不对称调制对波形质量的影响较大,因此一般必须采用对称调制。目前尚无

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