基于双空间矢量调制方法分析矩阵变换器

摘要：矩阵变换器的控制是一项复杂的任务。对矩阵变换器应用双空间矢量调制方法进行了详尽的分析，利用Matlab／Simulink软件并借助于其中的S函数进行了仿真。结果证明，这种调制策略使整个调制时间缩短，设计可靠，矩阵变换器复杂的控制过程被简化了，输出线电压是正弦性很好的PWM波形。给实际研究和设计提供了方便。
关键词：矩阵变换器；Matlab／Simulink；双空间矢量调制；S函数；占空比

传统的AC／DC／AC变换器体积和重量庞大(存在直流环节)，谐波电流的存在对其他的设备有严重的影响。矩阵变换器的提出解决了这些问题，相比较传统的变换器，矩阵变换器有以下优点：
1)没有电感器或电容器这样体积庞大的储能元件，结构紧凑，体积大大减小；
2)通过滤波器，开关频率谐波能够减少到符合要求，就可以得到正弦输入电流；
3)可控的输入功率因素，可达到1，更高的可靠性；
4)双向开关的使用，使变换器的四象限换流非常容易，能量可双向流动；
5)对复杂的环境条件具有很高的适应度，能在高、低压环境中使用，也可以用在高温环境中，诸如太空和水下(因为电解电容的使用受到限制)，非常适合用在潮汐发电站中。
基于上述诸多的优点，使矩阵变换器越来越多地被关注，然而，至今它还不是一个成熟的技术。焦点主要集中在它的拓扑结构，控制方法，换流技术。通常使用的控制方法是空间矢量调制法，而在现有的资料中很少有非常详尽的描述。本文将对矩阵变换器应用双空间矢量调制法进行详尽的分析。

1 双空间矢量调制策略
矩阵变换器应用双空间矢量调制法(SVM)时可以等效为一个虚拟的整流器和一个虚拟的逆变器，它们的6个有效的空间矢量分别如图1所示，对输入电流和输出电压分别进行嵌套。从而有36种可能的扇区组合。

以虚拟整流器、逆变器均工作在第一扇区为例，相量合成的固定空间电流、电压相量分别是I6、I1和U6、U1，两个空间相量的综合调制采用相互嵌套的办法来实现。整个输入相电流和输出相电压相量合成共有I6-U6、I6-U1、I1-U6、I1-U1、I0-U0 5种组合。每一相量组合的作用时间用占空比duty来表示。等式(1～5)反映了占空比的计算公式。占空比可以通过表1来分配给相应的开关组合。

式中，θi、θv是相应输入相电流的相角和输出线电压的相角。m为调制比。当4个占空比的总和小于一个周期时，补充零开关组合来完成一个PWM周期，零开关组合的占空比计算公式如下：

等式(1～5)表明了4个作用矢量和一个零矢量在每个采样周期内的持续时间。每个占空比相应于表1一个特定的开关组合。表1中电压矢量在4、5、6扇区的符号值可以通过以下方法得出。