矩阵变换器过调制区的增强型调制模型预测控制策略研究

《IEEE Open Journal of Power Electronics》：Enhanced Modulated Model Predictive Control for Matrix Converters in Overmodulation Zones

　　本文针对矩阵变换器(MC)在过调制区(OMZ)运行时传统调制策略性能受限的问题，提出了一种增强型调制模型预测控制(MMPC)方法。研究通过引入新的参考矢量计算方式，将过调制区划分为两个子区域，并优化了占空比计算，显著提升了变换器的动态响应速度与过渡区平滑性。仿真与实验结果表明，所提方法在线性调制区(LMZ)与过调制区均优于传统DPCVC与SVM策略，为MC的高性能运行提供了新思路。

　　

在电力电子与电机驱动领域，矩阵变换器(Matrix Converter, MC)因其紧凑结构、可控输入功率因数(IPF)和双向功率流动能力，被视为传统两级AC-DC-AC变换器的理想替代品。然而，矩阵变换器的性能高度依赖于调制技术与控制策略的优化。空间矢量调制(SVM)和模型预测控制(MPC)是当前广泛应用的两类方法，但各自存在局限：SVM虽能实现固定开关频率和较低谐波，但动态响应较慢；MPC虽具备快速动态响应，却因每周期仅执行单一控制动作而导致开关频率不固定，谐波分布宽泛。为融合二者优势，调制模型预测控制(Modulated Model Predictive Control, MMPC)应运而生，它通过引入调制器，使MPC在固定开关频率下工作，显著提升了输出波形质量。尽管如此，现有MMPC方法在矩阵变换器过调制区(Overmodulation Zone, OMZ)的运行仍面临挑战——传统方法直接沿用线性调制区(Linear Modulation Zone, LMZ)的占空比计算方式，未充分考虑参考矢量的位置变化，导致过渡区响应迟缓、合成误差增大，限制了变换器的最大可利用范围。

为突破这一瓶颈，本文发表在《IEEE Open Journal of Power Electronics》上的研究提出了一种面向矩阵变换器过调制区的增强型MMPC策略。该方法的核心创新在于通过几何分析将过调制区划分为两个子区域（OMZ I 和 OMZ II），并针对每个区域设计了全新的参考矢量确定机制与占空比计算方法。在线性调制区，该方法以负载电流参考矢量替代传统SVM中的电压参考矢量，通过预测控制筛选最优开关状态；当系统进入过调制区时，则根据参考矢量相对于最大可用线性矢量的位置，动态调整矢量合成方式——在OMZ I区采用两个最优矢量进行合成，在OMZ II区则仅使用单一矢量以最小化幅值误差。这一设计不仅显著降低了矢量合成误差，还实现了线性区与过调制区之间的快速平滑过渡，最大限度提升了矩阵变换器的动态性能与运行范围。

在研究过程中，作者团队重点采用了以下几项关键技术方法：首先，基于空间矢量调制(SVM)框架构建了矩阵变换器的输出电流矢量六边形模型，用于矢量合成与区域划分；其次，结合模型预测控制(MPC)算法，以成本函数最小化为目标筛选最优开关状态序列；第三，通过几何投影法计算过调制区内的修正参考矢量，并推导出对应的占空比计算公式；第四，利用dSPACE实时控制系统搭建了2 kW矩阵变换器实验平台，验证所提方法的动态响应与谐波特性。实验样本来源于实验室自建的RL负载系统（Y型连接，R=9.8 Ω，L=5.06 mH），并通过LEM传感器采集电压电流数据。

线性调制区控制机制

通过将负载电流参考矢量映射为预测电流矢量六边形，研究团队发现传统SVM中使用的固定角度矢量合成方法在LMZ内可被MMPC有效替代。该方法通过成本函数评估筛选出四个最优开关状态与一个零矢量，并利用伏秒平衡原理计算占空比，实现了与DPCVC和SVM相当的稳态性能，负载电流总谐波失真(THD)低至1.31%。

过调制区划分与矢量合成优化

当参考矢量超出线性调制边界时，研究提出将过调制区划分为OMZ I和OMZ II两个子区域。在OMZ I区内，通过计算参考矢量与两个最大最优预测电流矢量之间的误差投影（矢量x与y），归一化后得到占空比；而在OMZ II区，则直接采用最接近参考矢量的单一矢量进行控制。这一策略避免了传统方法因直接缩放LMZ占空比而导致的容量利用不足问题。

动态性能与谐波特性分析

仿真与实验结果表明，在负载电流从3A阶跃至6A的瞬态过程中，所提方法的上升时间仅为620 μs（仿真）和800 μs（实验），显著短于DPCVC（710 μs/1000 μs）和SVM（720 μs/1100 μs）。同时，稳态下源电流与负载电流的THD分别保持在2.96%和1.31%以内，证明了该方法在快速响应与波形质量间的平衡能力。

参数敏感性评估

通过改变负载参数（电阻与电感）进行灵敏度分析，研究发现所提方法对电阻变化具有较强的鲁棒性，但对电感偏差较为敏感。当电感值偏离标称值50%时，MMPC的过渡时间增幅远低于传统方法，凸显其在实际参数波动场景下的适应性。

本研究通过理论推导与实验验证，明确了增强型MMPC方法在矩阵变换器过调制区的优越性。该方法不仅解决了传统策略在过渡区响应慢、合成误差大的问题，还通过分区控制机制实现了线性区与过调制区的无缝衔接。值得注意的是，该方法在OMZ II区的表现与有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)高度一致，进一步证明了其控制效率。此外，敏感性分析结果提示，在实际应用中需重点关注负载电感参数的准确性，以充分发挥控制潜力。这项研究为高频、高动态性能的电力电子系统提供了新的控制思路，尤其适用于电动汽车驱动、航空电源等对响应速度与运行范围要求严苛的场景。未来工作可进一步探索该方法在多电平变换器、间接矩阵变换器等拓扑中的扩展应用。