矩陣式整流器輸入功率因數補償算法

摘要：矩陣式整流器中的輸入濾波器會(huì )導致濾波前后電流的基頻分量存在相位差，降低矩陣式整流器的輸入功率因數。推導了濾波器造成電流偏置角的解析表達式，提出了一種輸入功率因數補償算法，通過(guò)PI調節器實(shí)時(shí)計算最佳補償角度，并利用電流型空間矢量調制(SVM)策略實(shí)現矩陣式整流器的最大功率因數運行。該算法在計算過(guò)程中無(wú)需引入濾波器的實(shí)際參數，可避免由于參數攝動(dòng)所造成的誤差。詳細介紹了該補償策略的工作原理，并進(jìn)行了實(shí)驗研究，通過(guò)實(shí)驗結果，驗證了算法的可行性和有效性。
關(guān)鍵詞：矩陣式整流器；空間矢量調制；輸入功率因數

1 引言
三相AC／DC矩陣式變換器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)矩陣式整流器)是一種由三相AC／AC矩陣式變換器發(fā)展而來(lái)的通用整流器，具有正弦輸入電流，單位功率因數運行，能量可雙向流動(dòng)，可輸出雙向電流和電壓，無(wú)需大容量?jì)δ茉葍?yōu)點(diǎn)。不僅可應用在直流電機驅動(dòng)，直流勵磁等領(lǐng)域，還可作為一種雙級矩陣式變換器的前級電路，應用在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統中。
在矩陣式整流器系統中，需加入LC濾波器，以濾除輸入電流中由于主電路開(kāi)關(guān)動(dòng)作而產(chǎn)生的高次諧波分量，從而減少對電網(wǎng)的諧波污染。但LC濾波器的加入也會(huì )帶來(lái)諸多問(wèn)題。
此處提出了一種基于電流型SVM的輸入功率因數補償算法。該算法通過(guò)將輸入電流和電壓的檢測值變換至兩相靜止坐標系下，取得輸入電
流相角與輸入電壓相角的誤差，利用PI調節器計算最佳補償角度，并利用電流型SVM策略對輸入電流的相位進(jìn)行控制，實(shí)現矩陣式整流器的最大功率因數運行。

2 電流型空間矢量調制算法
圖1示出矩陣式整流器的主電路拓撲，其中6個(gè)雙向開(kāi)關(guān)V11～V23共有9種通斷組合，可映射為圖2a中復平面上的6個(gè)非零電流矢量I1～I6和3個(gè)零電流矢量I0a，I0b，I0c共9個(gè)靜止電流矢量。同時(shí)，I1～I6將復平面分為6個(gè)扇區Ⅰ～Ⅵ。對于網(wǎng)側輸入電壓ua,b,c，網(wǎng)側輸入電流ia,b,c，開(kāi)關(guān)矩陣輸入電流iia,ib,ic，可通過(guò)Park變換遵循幅值不變的原則，將其分別映射為復平面內勻速旋轉的網(wǎng)側輸入電壓矢量us，網(wǎng)側輸入電流矢量is和開(kāi)關(guān)矩陣輸入電流矢量ii。

圖2a中，γ為設定的輸入電流角位移，δ為輸入濾波器造成的輸入電流偏置角，ψ為網(wǎng)側輸入功率因數角。當ii位于某一個(gè)扇區時(shí)，可利用組成該扇區的兩個(gè)非零電流矢量iα和iβ通過(guò)脈寬調制的方式進(jìn)行合成，如圖2b所示，合成公式為：
ii=dαiα+dβiβ+d0f0 (1)
式中：dα，dβ和d0為調制度，dα=Msin(π／3-φ)，dβ=Msinφ，d0=1-dα-dβ，φ為ii與iα的夾角，φ=(θu-γ)mod(π／3)，mod表示取余數運算，M為調制度，M=2Uo(3Uscosγ)=q／cosγ，q為電壓變比，q=2Uo／(3Us)，Uo為直流輸出電壓，Us為交流相電壓的幅值，即us的模值。

通過(guò)這種合成方式，不僅可得到正弦的輸入電流，還可通過(guò)改變γ值來(lái)控制輸入功率因數。由于M≤1，因此通過(guò)M=2Uo／(3Uscosγ)可得，電流型SVM算法對開(kāi)關(guān)矩陣輸入電流相位的調整角度存在最大值γmax=cos-1[2Uo／(3Us)]。