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輸入電壓不平衡情況下的直接型矩陣轉換器控制策略

摘要"

由於直接矩陣轉換器 (Direct Matrix Converter, DMC) 中沒有直流鏈儲能元件,因此輸入電壓中的任何異常/干擾都會直接反映在輸出電壓上,傳統的直接空間向量調變(Direct Space Vector Modulation, DSVM)方式在輸入電壓不平衡的情況下,會造成輸入電流諧波增加、輸出功率產生2倍於基頻漣波等影響。
本文提出了一種改進的控制策略,可以使用輸入電壓回授、輸出電流回授及輸出電壓命令的情況下,算出新的電壓向量調變比(Voltage modulation index),在調變比計算過程中加入帶阻濾波器,則可以有效消除輸入電流的3、5次諧波成分。最終利用模擬及實驗結果來驗證上述效果。

關鍵詞:矩陣轉換器、不平衡控制、輸入電流諧波改善

前言

矩陣轉換器(Matrix Converter, MC)為單級的交流-交流轉換,不需直流濾波電容,僅需九個雙向功率開關,故效率高,具有雙向能量傳輸與輸入側功因高等優點。
已經有大量文獻提出輸入電壓不平衡的影響及失真的補償方法[1-11],已知輸入電壓不平衡會導致輸出功率產生2倍於輸入電源頻率的震盪現象,並會使輸入電流的總諧波失真上升,其中又以3、5倍頻成分最為嚴重,該成分主要為不平衡導致的零序及負序成份產生,文獻[5]利用dq轉換解析出的正、負序實功及虛功成分進行閉迴路控制,並令虛功功率係數為0來達到抑制輸出側被不平衡成分影響的效果,但是上述方法需要額外的正序及負序分離計算、4組電流PI控制運算及帶阻濾波器,會使系統控制變得複雜。
文獻[6-7]提出利用模型預測控制 (Model Predictive Control, MPC)來解決不平衡的問題,文獻[6]的方法可以直接控制實功及虛功功率,不需要額外的正序及負序分離計算及電流內迴路等等,但必須透過即時的計算功率命令及預測功率,並選取最小的成本函數,該計算將會花費大量MCU的處理時間,系統需要更低的取樣頻率來應付上述計算,較低的取樣頻率則會導致系統響應速度下降。
由於矩陣轉換器中間並沒有電容做緩衝,故矩陣轉換器的輸入端控制和輸出端控制會耦合再一起,文獻[8-11]的觀點認為,矩陣轉換器由於上述提到的耦合特性,會使其控制上的自由度及系統穩定性相對於一般變頻器要低得多。因為輸入電流的相位可以被控制,但輸入電流的大小會和負載直接耦合在一起,導致矩陣轉換器的輸入電流無法直接閉迴路控制。
參考文獻[10]提出新的調變比計算方式,可以在不影響輸出電壓控制的情況下控制輸入電流的峰值和相角。參考文獻[11]提出的方法,將藉由回授輸入電流並利用諧振控制,直接消除輸入電流諧波成分,和傳統的控制方法相比可以在不影響輸出側的情況下,明顯降低輸入電流的總諧波失真,但上述方法將會多使用一組電流回授感測器,且須考慮諧振控制器設計問題。
最終本文將基於文獻[11]的方式,利用帶阻濾波器取代諧振控制器,由模擬及實驗結果表明,該方法和傳統的直接空間向量調變[12]相比,可以在不使用輸入電流回授信號的情況下,有效改善輸入電流的諧波成分。

控制方法介紹

本章節先比較直接空間向量調變[12]和文獻[10]所提出方法差異,最終說明本文提出的方法,並用模擬及實作驗證該方法的可行性。本文所使用的架構為直接型矩陣轉換器,如圖1所示。

直接空間向量調變

文獻[12]提出的傳統控制方法如
圖2所示,其中輸入電壓透過克拉克轉換得到靜止座標軸下的電壓成分VIα、VIβ,再透過極座標變換得到輸入電壓相位角,若系統有做輸入功率因數補償,則可假設輸入電壓相位角為輸入電流相位角θii。其中控制迴路方塊包含了馬達三環控制,可以藉由電流PI控制輸出的電壓命令,用相同的算法得到預計的輸出電壓Vom及相位角θov,調變比m的計算如(1)所示。
最終可將θii及θov及m帶入DSVM模塊進行PWM Duty cycle的計算,在此將不贅述PWM的詳細計算方式,詳情請洽文獻[12]。
由(1)可知傳統直接空間向量調變的調變比是利用輸入電壓Vim及預計輸出電壓Vom命令計算而成,直接空間向量調變的計算式中並沒有利用輸入電流峰值作其餘運算,故可以控制的自由度僅有輸入電流的相位角,輸入電流的峰值將會被動的受輸出負載決定,由於上述原因,傳統的控制方法無法直接對輸入電流進行閉迴路控制。

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