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PI調節器實時計算最佳補償角度，并利用電流型空間矢量調制(SVM)策略實現矩陣式整流器的最大功率因數運行。該算法在計算過程中無需引入濾波器的實際參數，可避免由于參數攝動所造成的誤差。詳細介紹了該補償策略的工作原理，并進行了實驗研究，通過實驗結果，驗證了算法的可行性和有效性。
關鍵詞：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(以下簡稱矩陣式整流器)是一種由三相AC／AC矩陣式變換器發展而來的通用整流器，具有正弦輸入電流，單位功率因數運行，能量可雙向流動，可輸出雙向電流和電壓，無需大容量儲能元件等優點。不僅可應用在直流電機驅動，直流勵磁等領域，還可作為一種雙級矩陣式變換器的前級電路，應用在雙饋風力發電系統中。
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關動作而產生的高次諧波分量，從而減少對電網的諧波污染。但LC濾波器的加入也會帶來諸多問題。
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行控制，實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個雙向開關V11～V23共有9種通斷組合，可映射為圖2a中復平面上的6個非零電流矢量I1～I6和3個零電流矢量I0a，I0b，I0c共9個靜止電流矢量。同時，I1～I6將復平面分為6個扇區Ⅰ～Ⅵ。對于網側輸入電壓ua,b,c，網側輸入電流ia,b,c，開關矩陣輸入電流iia,ib,ic，可通過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側輸入電壓矢量us，網側輸入電流矢量is和開關矩陣輸入電流矢量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為網側輸入功率因數角。當ii位于某一個扇區時，可利用組成該扇區的兩個非零電流矢量iα和iβ通過脈寬調制的方式進行合成，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。

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