减少间接矩阵变换器共模电压的改进空间矢量调制策略

含 6 个有效矢量和 3 个零矢量，具体的矢量分布及 参考电流空间矢量合成如图 3 所示，dα、dβ、d0c 分 别为调制矢量 Iα、Iβ、I0 的占空比，计算公式为
⎧⎪dα ⎪
=
π sin(
3
− θsc )
⎨⎪dβ = sin(θsc )
(1)
⎪⎩d0c = 1 − dα − dβ
式中θsc 为参考输入电流矢量与有效矢量 Iα 的夹角。
V3 (1,1, 0)
V4 (0,1, 0)
3
4 5
V5 (0,1,1)
2
V2 (1, 0, 0)
JJJG Vref 1
6
V1 (1, 0,1)
V6 (0, 0,1) V0 (0, 0, 0)orV7 (1,1,1)
(a) 矢量分布图
JJG d n Vn
JJGθsv dmVm
JJG Vn JJJG Vref
SU Mei, ZHANG Guanguan, SUN Yao, DAN Hanbing, LI Xing
(School of Information Science & Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan Province, China)
wk.baidu.com
减少间接矩阵变换器共模电压的 改进空间矢量调制策略
粟梅，张关关，孙尧，但汉兵，李幸
(中南大学信息科学与工程学院，湖南省 长沙市 410083)
Improved Space Vector Modulation to Reduce the Common Mode Voltage for Indirect Matrix Converters
ABSTRACT: To reduce the common-mode voltage (CMV) for indirect matrix converter (IMC), the distribution of CMV with the conventional space vector modulation method was analyzed, and an improved space vector modulation method was proposed. Being different from the conventional one, the proposed method focuses on the reorganization of zero vectors in the rectifier and inverter stage. On one hand, the peak-value of CMV is reduced greatly; on the other hand, the switching losses of the inverter stage are decreased, as well as distribution of the system switching losses is changed. Simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed method.
KEY WORDS: common-mode voltage (CMV); indirect matrix converter (IMC); space vector modulation; zero vector
摘要：为抑制间接矩阵变换器工作时产生的共模电压，分析 传统空间矢量调制下间接矩阵变换器的共模电压分布规律， 并提出一种减少共模电压的改进空间矢量调制方法。该方法 的核心思想在于整流级和逆变级的零矢量重组，完全不同于 传统空间矢量调制。该方法一方面大幅度的降低了共模电 压，另一方面降低了逆变级的开关损耗，改变了系统开关损 耗分布。实验和仿真结果验证了该方法的有效性。
1 间接矩阵变换器的空间矢量调制
间接矩阵变换器的拓扑结构如图 1 所示，其由 双向电流型整流器(整流级)和电压型逆变器(逆变 级)两个部分级联而成。根据其结构特点，间接矩阵 变换器的空间矢量调制[23]可分为整流级电流空间 矢量调制和逆变级电压空间矢量调制两个部分。以 下对传统空间矢量调制策略作简单介绍，为分析方 便，假设单位功率因数调制。
u
ua
ub
uc
−π/6 π/6 π/2 5π/6 7π/6 3π/2 11π/6 ωit
I II III IV V VI
图 2 整流级输入电流空间矢量扇区图
Fig. 2 Input current space vector sectors in rectifier stage
入电压的绝对值最大且为正，与 b、c 两相电压极性 相反，为保证电压传输比最大，采用线电压 uab 和 uac 合成中间直流电压。整流级的输入电流空间矢量包
间接矩阵变换器的拓扑结构与传统矩阵变换 器不同，调制策略也略有不同，但减少共模电压的
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中国电机工程学报
第 34 卷
思想基本类似。文献[20-21]利用两个较小线电压合 成中间直流电压，既降低了开关损耗，又降低了共 模电压，但最大电压传输比被限制在 0.5；文献[21] 利用方向相反的两个有效电压矢量来代替零矢量 可降低共模电压，但增加了逆变级的开关次数；文 献[22]提出了利用 3 个有效矢量来合成期望的输出 电压矢量，但仅适用于电压传输比大于 0.577 的场 合。综上所述，不同抑制共模电压的调制策略会存 在电压传输比受限或开关次数增加等弊端。
的调制需协调进行。在一个调制周期 Ts 时间内，结 合式(1)和(2)可计算出整流级和逆变级采用不同矢
量进行调制的作用时间，假设 dαm、dαn、dβm、dβn 分别表示当整流级为有效矢量 Iα、Iβ时逆变级采用 不同有效矢量 Im、In 进行调制时的占空比，具体计 算如式(3)所示：
⎧dαm = dα dm
具有能量双向流动、正弦输入输出电流、输入功率 因数可控、输出电压幅值相位可控、无中间储能环 节和结构紧凑等诸多优点，因而在电机驱动、电源、 风力发电及电能质量控制器等领域具有广泛应用 前景[3-5]。然而，矩阵变换器工作时，会在电动机负 载中性点产生高频、高 du/dt 的共模电压[6-8]。共模 电压能够激励系统中杂散电容和耦合电容，产生较 大的共模电流，对电源产生电磁干扰；共模电压还 导致电机绕组失效和轴承的损坏，影响电机的正常 运行[9-12]。目前消除或改善矩阵变换器共模电压的 方法主要有：输出滤波器的优化设计[13]、拓扑结构 的改善[14]及调制策略的优化[15,16-21]等。但是，前两 种方法在不同程度上增加了系统的重量、体积、成 本及损耗等，且结构复杂。相比之下，通过调制策 略的优化来消除共模电压更具吸引力。
关键词：共模电压；间接矩阵变换器；空间矢量调制；零 矢量
0 引言
矩阵变换器[1-2]作为一种新型“绿色”变频器，
基 金 项 目 ： 国 家 863 高 技 术 基 金 项 目 (2012AA051601 ， 2012AA051603)；湖南省科技计划资助项目(2013GK3009)。
The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2012AA051601, 2012AA051603); Hunan province science and technology plan Program(2013GK3009).
针对上述问题，本文提出一种改进空间矢量调 制策略。与传统空间矢量调制策略不同，在传统调 制中，间接矩阵变换器的整流级调制中通常不出现 零矢量，而本算法则采取整流级有零矢量而逆变级 无零矢量的调制策略，且在不降低电压传输比的前 提下有效地减小了共模电压。此外，在任意调制周 期中，逆变级仅有一个桥臂上的开关进行动作，降 低了逆变级的开关损耗，但整流级的开关换流次数 增加，从而改变了系统开关损耗分布。同时为保证 整流级开关的安全换流，本文采用电压型四步换流 策略。通过仿真和实验验证该调制策略的有效性和 正确性。
SAp SBp SCp
Sap
Sbp
Scp
a
A
负载
b
B
n
c
C
San
Sbn
Scn
SAn SBn SCn
图 1 间接矩阵变换器拓扑结构示意图 Fig. 1 Topology of the indirect matrix converter
1）整流级调制。 整流级的扇区划分如图 2 所示，将输入电压在 一个周期内分成 6 个扇区，而每个扇区中均有一相 输入电压的绝对值最大，其余两相与该相电压极性 相反。当参考电流空间矢量位于第 I 扇区时，a 相输
⎪ ⎪dα n
=
dα dn
⎨⎪dβm = dβ dm
(3)
⎪⎩dβn = dβ dn
间接矩阵变换器的传统空间矢量调制中，整流
级的调制通常无零矢量参与。以参考电流空间矢量
位于第 I 扇区而参考电压空间矢量位于第 2 扇区为
例，整流级利用有效矢量 I1 和 I2 进行调制，中间直 流电压 udc 由输入线电压 uab 和 uac 合成；而逆变级 利用有效矢量 V2、V3 及零矢量来合成期望的输出 电压矢量，采用双边对称脉冲序列进行调制，具体
传统矩阵变换器抑制共模电压的调制策略研 究多基于空间矢量调制[2]，主要有两类：1）灵活选 择零矢量，例如选择输入电压为中间值的某一相作 为零矢量来达到减小共模电压的目的[16]；2）避免 出现零矢量，例如采用一对相反矢量来代替一个零 矢量[17]以抑制共模电压，但该类方法通常不可避免 地存在增加系统损耗、降低输出电压性能等缺点。 文献[18]基于双电压合成策略，通过改变零输出状 态所对应的输入相电压的方法来减小共模电压的 瞬时值；文献[19]提出一种基于预测控制思想降低 共模电压的方法，将共模电压这一指标嵌入总目标 函数，但计算较为复杂。
⎧⎪⎪dm
=
mv
π sin(
3
− θsv )
⎨⎪dn = mv sin(θsv )
(2)
⎪⎩d0v = 1 − dm − dn
式中：0≤mv≤1 为逆变级的调制系数，也定义其为 矩阵变换器的调制比；θsv 为期望的输出电压矢量与
第 24 期
粟梅等：减少间接矩阵变换器共模电压的改进空间矢量调制策略
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JJG Vm
(b) 矢量合成图
图 4 输出电压空间矢量分布及参考矢量合成图
Fig. 4 Space vector diagram and the generation of
reference output voltage space vector
有效矢量 Vm 的夹角。 3）脉冲序列安排。
为获得理想的输入输出特性，整流级和逆变级
I3 (bc)
I4 (ba)
III
IV
II
I2 (ac)
JJG I Iref
I5 (ca)
V VI I1 (ab)
I6 (cb) I0 (aa)or(bb)or(cc)
(a) 矢量分布图
JJG dβ Iβ
JJG θsc dα Iα
JJG Iβ JJJG I ref
JJG Iα
(b) 矢量合成图
图 3 输入电流空间矢量分布及参考矢量合成图 Fig. 3 Space vector diagram and the generation of
第 34 卷 第 24 期 2014 年 8 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.34 No.24 Aug.25, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 4015
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.24.004 文章编号：0258-8013 (2014) 24-4015-07 中图分类号：TM46
reference input current space vector
2）逆变级调制。 逆变级的输出电压空间矢量由 6 个有效矢量和 2 个零矢量组成，在每个扇区中，利用两个相邻有 效矢量和零矢量来合成期望的输出电压空间矢量，
以参考电压矢量位于第 1 扇区为例，有效矢量 V1、 V2 及零矢量参与调制。输出电压空间矢量分布及参 考矢量合成如图 4 所示，设 dm、dn 及 d0v 分别为有 效矢量 Vm、Vn 及零矢量的占空比，计算公式为