（电力电子与电力传动专业论文）矩阵式变换器及其在风力发电中的研究与应用.pdf

士= d明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文矩阵式变换器及其在风力发电中 的研究与应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刍；昂圃 关于学位论文使用授权的说明 l 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： e l期：翌型里：兰：塞 产 ， j j l ， 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文首先分析了矩阵变换器的原理和调制方法，重点研究了间接空间矢量 调制法，并进行了m a t l a b s i m u l i n k 仿真，验证了该方法的有效性，而后建立了 双馈电机数学模型，给出了双馈电机的直接功率控制法。矩阵变换器为双馈电 机的转子供电，建立了双馈电机变速恒频风力发电系统仿真模型。其中的矩阵 变换器采用间接空间矢量调制法，双馈电机采用简化的直接功率控制法，二者 的结合使得该变速恒频系统能够在不同风速下最大程度地获得风能，实现有功、 无功功率的独立调节，使得励磁器输入功率因数可调，同时大大减小了励磁器 体积。仿真结果验证了该方案的可行性及其控制方法的有效性。 关键词：矩阵变换器，空间矢量调制，直接功率控制，交流励磁风力发电 a b s t r a c t i n t h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l ea n dm o d u l a t i o nm e t h o d so fm a t r i xc o n v e r t o ra r e a n a l y z e d ，e s p e c i a l l yd e d u c e dt h ei n d i r e c ts p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n , a n dt h e s i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nm a t l a b s i m u l i n k ，w h i c hv e r i f i e dt h i s m e t h o d se f f e c t i v e n e s s ，t h e n ，m a t h e m a t i c a lm o d l eo fd f i gi se s t a b l i s h e d ，p r e s e n t d p co fd f i g b ym a t r i xc o n v e r t e ra sd f i g sc o n v e r t e r , t h es i m u l i n km o d l eo fd f i g w i n dg e n e r a t i o ns y s t e mw a sb u i l t t h ei n d i r e c ts p a c ev e c t o rw a si n t r o d u c e di nt h e m a t r i xc o n v e r t o ro ft h es y s t e m ，d f i gu s es i m p l ed p c ，t h ec o m b i n a t i o no ft h e m m a k et h ew i n dg e n e r a t i o ns y s t e mg a i nt h em o s tw i n de n e r g yi nt h es a m ec o n d i t i o n ，a n d r e a l i z et oc o n t r o la c t i v ep o w o ra n dr e a c t i v ep o w e ri n d e p e n d e n t l y , t h ep o w e rf a c t o rc a n b ea d j u s t e d ，t h e nt h ev o l u m eo fe x c i t e rw a sd e c r e a s e d l a r g e l y t h e r e s u l to f s i m u l a t i o nv e r i f l e dt h es o l u t i o n sr i g h ta n dt h em e t h o do fc o n t r o l e f f e c t i v e n e s s m az h i g u o ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e r s ) d i r e c t e db yp r o f z h ul i n g k e yw o r d s ：m a t r i xc o n v e r t e r , s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ，d p c ，a ce x c i t e d w i n dg e n e r a t i o ns y s t e m 4 ， 蠢 ， 华北电力大学硕士学位论文目录 中文摘要 英文摘要 目录 第一章绪论1 1 1 矩阵变换器的发展背景与国内外研究动态1 1 1 1 矩阵变换器的研究背景：1 1 1 2 矩阵变换器的国内外研究动态3 1 2 变速恒频风力发电系统的研究及应用现状4 1 3 矩阵变换器应用于变速恒频风力发电的研究意义6 1 4 本文研究的主要工作7 第二章矩阵变换器控制策略的研究。8 2 1 矩阵变换器的基本原理8 2 2 矩阵变换器的控制策略的研究1 1 2 3 间接空间矢量控制方法的研究与仿真1 2 2 3 1 矩阵变换器的交一直一交等效变换1 2 2 3 2 等效交一直一交结构的空间矢量调制1 4 2 3 3 矩阵变换器间接空间矢量调制的仿真研究1 6 2 4 本章小结2 3 第三章变速恒频双馈异步发电机控制方法的研究2 5 3 1 变速恒频双馈异步发电系统简介2 5 3 2 双馈电机工作原理2 5 3 3 双馈电机控制策略2 7 3 3 1 交流励磁双馈电机等效电路与基本方程式2 8 3 3 2 变速恒频双馈电机的直接功率控制2 9 3 3 3 变速恒频双馈电机的恒开关频率直接功率控制3 2 3 4 本章小结3 7 第四章矩阵变换器励磁的双馈电机风力发电系统仿真研究3 8 华北电力大学硕士学位论文目录 4 1 仿真模型的建立3 8 4 2 仿真结果及分析3 9 4 2 1 双馈电机风力发电系统变速恒频运行3 9 4 2 2 双馈电机风力发电系统超同步运行。4 2 4 2 3 双馈电机风力发电系统次同步运行4 5 4 3 本章小结4 8 第五章结论与进一步工作4 9 5 1 结论j 4 9 5 2 迸一步工作4 9 参考文献：5 1 致谢5 4 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 5 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 矩阵变换器的发展背景与国内外研究动态 1 i 1 矩阵变换器的研究背景 随着电力电子器件、大规模集成电路、变流技术、计算机技术以及现代控制理 论的迅速发展，电力电子技术在现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力 工程、国防工程等领域得到了广泛应用，在提供高质量、高效率、高可靠性的电能 方面起着关键的作用。随着电力电子技术的发展，g t o 、i g b t 、i g c t 等高频全控 开关器件的出现和p w m 调制技术的日趋成熟，这使得交流传动在工农业生产和家 庭生活中得到了广泛应用，并有逐步取代直流传动的趋势。与直流调速比较，交流 调速具有单机容量不受限制、体积小、重量轻、转动惯量小、动态响应快、维护简 单、节约能源等优点n ，。 从电力变换的形式上分，最基本电力电子变换装置有以下四种：( 1 ) a c d c 整流； ( 2 ) d c a c 逆变；( 3 ) d c d c 变换；( 4 ) a c a c 变换。将上述四种最基本的电力电子变 换电路组合使用，可得到如a c d c a c 变换的间接变频电源，a c d c a c d c 三级 变换的高频开关电源，d c a c d c 直流电源等。 交流传动电源主要利用a c d c a c 间接变换和a c a c 直接变换来获得。根据 开关器件的选择不同，a c d c a c 变换器具有三种不同的结构，如图1 1 所示。图 1 1 ( a ) 中整流和逆变采用的开关器件均为晶闸管，整流电路控制电压输出，逆变电路 改变输出频率。该电路输出电压为矩形波，谐波含量较大，对负载不利；采用相控 方式改变中间直流环节电压，输入功率因数较低；整流和逆变两级电路均采用可控 环节，控制复杂且成本高，动态响应慢。图1 1 ( b ) 中只采用了一级可控环节，输出 电压接近正弦，电路的结构和控制相对简单，但不控整流和滤波电路会引起输入电 流畸变，谐波含量增加，输入功率因数较低，特别是中间直流环节，需要体积较大 的直流储能电容，而且不能实现电能的双向流动。图1 1 ( c ) 中用p w m 整流代替不 控整流，解决了前面问题，可以获得正弦的输入电流和正弦输出电压，功率可双向 流动，而且输入功率因数可以接近单位功率因数髓。 蓁蔓兰耋狴蠢誓| | | 羹三重摊| | | 鎏蠢要三芏雠蓁蕃 ( a ) 普通变频电路( b ) p w m 变频电路( c ) 双p w m 变频电路 图1 1a c d c a c 变频电路的组成 华北电力大学硕士学位论文 a c a c 直接变频器分为两种：一种是由晶闸管组成的交一交变频电路，又称为 周波变换器( c y c l o c o n v e r t e r ) ，主要应用于大容量低速运转的生产机械中。交一交变换 器采用余弦交点法实现输出波形正弦变化，由于只用一次变换，并采用电网换相， 因此提高了变流效率，且可以方便地实现四象限工作。其缺点是其输入侧功率因数 低，输出电压调频范围小且含有大量的谐波，对电网和电动机均有严重的谐波污染 以及由谐波带来的负面效应眵。4 1 。另外一种a c a c 变频电路即是本文将叙述的矩阵 变换器( m a t r i xc o n v e r t e r - - m c ) ，其拓扑结构如图1 2 所示。该电路的9 个双向开关 呈矩阵式连接电源与负载，可获得理想的输入输出性能，并逐渐成为近年来电力电 子技术领域内的研究热点之一。 图1 - 2 矩阵变换器的拓扑图 矩阵变换器直接实现从输入到输出的电能转换，依靠双向开关阵列，产生频率 与幅值可调的输出电压，无需任何的中间储能滤波环节，是真正的全硅变换器( p u r e s i l i c o nc o n v e r t e r ) 。理论上，矩阵变换器具有m 相输入，n 相输出，通过采用不同 的控制策略，可使其分别实现整流、逆变、斩波或变频等功能，因此，亦被称为“万 能变换器一晒1 。 近二十年的研究表明，矩阵变换器与传统的交埴一交变频器或交一交变频器相 比，至少具有以下优点刮： ( 1 ) 控制自由度大，输出电压可调，输出频率不受输入频率的限制； ( 2 ) 输入功率因数可调，可以滞后、超前或为1 ，不受负载性质限制； ( 3 ) 输入电流正弦，对电网无谐波污染； ( 4 ) 能量可以双向流动，尤其适合于电机四象限运行； 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 无任何中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，易于实现集成化和模块 化。 矩阵变换器因其优越的性能，三十多年来理论和应用方面都得到了各国学者的 广泛研究。矩阵变换器可实现电压频率的直接变换，无中间直流环节的直流电容， 因此可以获得较高的功率密度，易于集成，除适合应用于一般的电能变换领域，更 可以应用于高温、高功率密度等特殊的场合。 1 1 2 矩阵变换器的国内外研究动态 矩阵变换器作为一种新型的交一交变频电源，其电路拓扑形式早在1 9 7 6 年就被 提出，但直到1 9 7 9 年意大利学者m v e n t u f i n i 和a a l e s i n a 较系统的提出了矩阵变 换器理论及控制策略n 们后，其特点才为人们所关注。早期矩阵变换器的研究主要针 对主回路的拓扑结构及双向开关的实现，大多都处于理论研究阶段。m v e n t u f i n i 和 a a l e s i n a 首先在理论上证明了n 相输入、p 相输出的矩阵式逆变器的实现条件，同 时给出了一种电压控制策略，这种控制策略虽然解决了矩阵变换器的谐波问题，但 也有输出输入电压比小于0 5 的严重缺陷n 。 二十世纪8 0 年代，电力电子器件制造和微电子技术的发展推动了矩阵变换器 控制策略的研究，矩阵变换器的实验装置在实验室中得以实现。早期的实验装置由 于工作频率不够高及换流技术不完善，输出频率都很低，通常低于电网频率，但突 破了以往交一交变换器的上限。 八十年代末到九十年代初，南斯拉夫l h u b e r 教授和美国弗吉尼亚州电力电子 中心d b o r o j e v i c 教授提出了一种采用空间矢量调制p w m 控制技术n 2 。1 引。采用该技 术的矩阵变换器，电压利用率为0 8 6 6 ，输入功率因数可调，与负载性质无关。日 本a i s h i g u r o 和t f u r u h a s h i 提出了输入双线电压瞬时值法控制原理n 劓，从理论上分 析可知当输入电源不对称或含有高次谐波时，控制函数可以自动修正而不需要额外 的计算量。这一优点尤其适合在某些电网电压不够稳定的场合，但这种控制方案使 得输入功率因数无法随意控制，这也就成其不能广泛应用的障碍。韩国学者w ：h k w o n 和gh c h o 提出了一种开关控制方法n 钉，该方法成功地应用于一台3 0 马力 交流感应伺服电动机矢量控制系统中，结果表明，当输入功率因数为1 时，输入电 流中不含低次谐波分量。 近十年来，人们在原有控制策略基础上提出了不少改进方法，如乌克兰学者p m c h e k h e 和v p m o r d a t c h 提出了对空间矢量调制改进方法n 鲥。在调制过程中不使用 零矢量，不仅减少了开关的换流次数，还提高了输出电压增益，但是电压的增益与 输入输出频率的比值相关。丹麦学者p e t e rn i e l s e n 提出一系列矩阵变换器在实际应 用中的保护措施，对矩阵变换器发展起到了推动作用。美国w i s c o n s i n m a d i s o n 3 华北龟力大学硕士学位论文 大学的t a l i p o 研究了在输入电源不对称情况下矩阵变换器的控制策略等n 8 3 。 我国在这方面的研究开始于9 0 年代初。西安交通大学、南京航空航天大学、 上海大学、福州大学和哈尔滨工业大学等学校先后对其进行了研究。 西安交通大学的王汝文等对斩控电力电子整流、逆变、周波变换及交直流电压 控制器主电路运行的共性技术问题进行了分析，提出了一种以功率因数可调，正弦 输入电流和输出电压为目标的m 相到n 相矩阵变换器的开关调制函数，并进行了数 值仿真n 们。 南京航空航天大学穆新华、庄心复对双电压合成矩阵变换器进行了深入研究， 提出了“原点开关的概念，简化了双电压合成矩阵变换器仿真分析的复杂性乜们。 上海大学研制了基于空间矢量控制的矩阵变换器试验样机，输入工频电压，开 关频率为8 k h z ，最高输出频率为3 2 0 h z ，设计容量为2 k v a ，综合指标达到了国际 先进水平晗。 福州大学基于电流滞环跟踪控制的矩阵变换器研究，建立了电流滞环跟踪控制 仿真模型并进行了仿真研究，推导了电流跟踪控制方式下的开关函数，试制样机并 带三相感性负载进行了实验，从而验证了矩阵变换器电流滞环跟踪控制的正确性和 可行性乜射。 目前，英国诺丁汉大学已将矩阵变换器应用到了a 3 2 0 飞机，实现了飞机副翼、 航向舵及升降舵的姿态控制啪1 。 总的来看，矩阵变换器是随着电力电子技术的发展在不断发展，但目前世界范 围内矩阵变换器的研制所形成实用化的成熟产品还非常少矩阵变换器在国内外虽 然己在研究，但是尚有许多问题还没有解决。 1 2 变速恒频风力发电系统的研究及应用现状 目前，在风力发电系统中，无论是采用定桨距调节技术、变桨距调节技术还是 主动失速调节技术，它们都属于恒速发电机，因为并网后定子旋转磁场的频率等于 电网频率，而异步电机的转差率一般为3 5 ，转子本身的转速变化范围很小，所 以也称为恒速风力发电机。恒速风力发电机的一个显著的缺点就是对风能的利用率 不高，为获得风能的最大转换效率，也必须要求与风力机相联的发电机具有变速运 行的能力。另外，对恒速风机来说，当风速跃升时，巨大的风能将通过风力机传递 给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力，如果上述过 程频繁出现将会引起这些部件的疲劳损坏，因此设计时不得不加大安全系数，从而 导致机组重量加大，制造成本增加。 变速恒频风力发电是2 0 世纪7 0 年代中后期逐渐发展起来的一种新型风力发电 4 华北电力大学硕士学位论文 技术。随着电力电子技术和数字控制技术的迅速发展，人们在不断寻求新的途径解 决电力系统稳定和无功问题的时候，提出了将用于绕线式感应电机的串级调速的原 理应用于风力发电机，实现了交流励磁变速恒频风力发电。当电机转子通以某一频 率( 转差频率) 的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，转子的实际转速加 上交流励磁产生的旋转磁场所对应的转速等于同步转速，则在电机气隙中形成一个 同步旋转磁场，在定子侧感应出同步频率的感应电势。从定子侧看，这与同步发电 机直流励磁的转子以同步转速旋转时，在电机气隙中形成一个同步旋转的磁场是等 效的。如果按电机的转子转速是否与同步转速_ 致来区分异步发电机或同步发电 机，则交流励磁发电机应当被称为异步发电机。但是，从外特性来看，交流励磁发 电机在很多地方又与同步发电机类似。从能量流动的特性来看，与采用直流励磁的 同步发电机相比，同步发电机励磁的可调量只有直流励磁电流的幅值一个，所以同 步发电机励磁一般只能对无功功率进行调节，而使用绕线式感应发电机，即双馈电 机，其励磁的可调量除了励磁电流的幅值外，还有励磁电流的频率和相位口们。通过 调节双馈电机转子电流的大小、频率和相位，从而实现转速的调节，可在很宽的风 速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，进而实现追求风能最大转换效率；同时又 可以采用一定的控制策略灵活调节系统的有功、无功功率，抑制谐波，减少损耗， 提高系统效率。由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统结构示意图如图1 3 所 示。 电网 图1 - 3 变速恒频风力发电系统结构示意图 该系统有如下优点嘲： ( 1 ) 允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械 应力。同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效率； ( 2 ) 需要变频控制的功率仅是电机额定容量的部分，使变频装置体积减小，成 本降低，投资减少； ( 3 ) 调节励磁电流幅值，可调节发出的无功功率；调节励磁电流相位，可调节发 出的有功功率。应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。 5 华北电力大学硕士学位论文 基于上述诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前 国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。 1 3 矩阵变换器应用于变速恒频风力发电的研究意义 交流励磁发电机系统中的主要设备交流励磁器采用变频器。为使发电机获得由 次同步到超同步的无级调速性能和有功与无功独立调节的运行特性，作为交流励磁 器的交频装置必须具备的基本条件是：功率可双向传送，且输出电压及其电流的幅 值、频率、相位、相序均可调节。可用于交流励磁发电机系统的变频装置的结构有 以下几种型式： ( 1 ) 晶闸管相控整流与有源逆变器组合的a c d c a c 变流器，如图1 - 4 ( a ) 所示。 由两组完全相同的全控桥式变流电路组成，具有中间带大电感滤波直流环节。该变 换器装置的优点是：器件采用电网换流，主控电路简单，功率双向控制易实现。缺 点是：励磁电流为方波，存在较大谐波转矩。当发电机运行在同步转速附近时电机 侧变流器无换流电压，电机无法跨越同步转速点，系统运行不稳定，需另采取特殊 换流措施。 ( 2 ) 晶闸管相控型交- 交( a c a c ) 直接变频器( 亦称循环交流器) ，这是一种单级交 换器。图1 - 4 ( b ) 所示是三相零式a c a c 变频电路，它是三相交一交交频器中最简单 的一种，由六组三相半波可控整流电路组成；其优点是电源无中间直流环节，变换 效率高，励磁电压或电流接近正弦波，低频特性好。缺点为主电路元件多，输出频 率低，仅为( 1 2 1 3 ) 电源频率，功率因数低等。 ( 3 ) 双高频p w m 整流器组合的a c d c a c 变频器，如图1 - 4 ( e ) 所示。在电源侧 与电机侧各接一套三相高频p w m 整流电路，通过中间电容滤波直流环节连接起来。 开关元件采用有自关断能力的g t o 。其优点是能向电机转子提供三相正弦波励磁电 压和电流，能使电源侧电压和电流为正弦波，且功率因数为l 。缺点是可关断器件 多，低频特性差，成本高，控制较复杂。 ( 4 ) 矩阵式a c a c 变换器其采用9 个双向全控开关，按3 x 3 矩阵排列。控制自 由度大，输出电压可调，输出频率可调范围大；输入功率因数可任意调节，可超前、 可滞后，可调至其逼近于1 ；由于采用双向开关，能量可双向流动；无中间直流环 节，结构紧凑，体积小，效率高。 比较而言，矩阵变换器很适合作为交流励磁发电机系统中的交流励磁器，对促 进我国风力发电技术的发展有着重要的经济意义和社会效益。 6 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) a c d c a c 相控变流器 c o ) 晶闸管相控a c a c 直接变频器 ? i ( c ) 双高频p w m 整流器a c d c a c 变频器 图1 4 用于双馈电机励磁的几种变流方案 1 4 本文研究的主要工作 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 分析矩阵变换器和变速恒频风力发电的发展历史和研究现状，比较各种变频 器作为交流励磁器的优劣，讨论矩阵变换器做为交流励磁器的优势。 ( 2 ) 研究矩阵变换器的基本原理、控制方式，建立基于间接空间矢量控制方法的 数学模型及其仿真系统，分析典型输入输出波形特性，为应用于变速恒频风力发电 奠定基础。 ( 3 ) 分析比较双馈电机的不同控制策略，在两相同步旋转坐标系下建立变速恒频 双馈发电机的数学模型，深入研究双馈电机直接功率控制的原理，给出功率解耦和 励磁控制方法。 ( 4 ) 在完成上述工作的基础上，将矩阵变换器用作双馈电机交流励磁的励磁器， 提出矩阵变换器间接空间矢量控制与双馈电机直接功率控制相结合的控制方法( 本 文简称d p v c ) ，并通过m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真研究，验证该系统的可行性及其 控制方法的有效性。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章矩阵变换器控制策略的研究 2 1 矩阵变换器的基本原理 矩阵变换器被定义为一种含有朋, 个双向开关的单级电力变换器，它可以将输 入侧m 相电压源直接连接至疗相负载。实用的三相一三相交流矩阵交换器包括3 x 3 共 9 个双向开关& a 4 b ，c , je 以v ，矿) ，如图l 2 所示。 矩阵变换器在实际运行中通常需要实现的控制目标乜阳是： ( 1 ) 输入电流控制为与电源电压同频同相位的正弦波形，以尽可能提高输入侧功 率因数，或根据需要使输入电流相对于电源电压超前或滞后。 ( 2 ) 对输出电压、电流进行有效控制，使之达到负载的要求；同时应尽可能提高 矩阵变换器的电压利用率。 矩阵变换器由9 个双向开关组成，但目前市场上尚未出现能够直接实现上述功 能的电力电子开关器件，因此在矩阵变换器的研制开发中，需要采用分立的开关器 件来组成双向开关。如图2 1 所示： 毋匈曲 ( a ) 二极管桥式结构( b ) 普通i g b t 共射极式结构( c ) 普通i g b t 共集电极式结构 图2 1 矩阵变换器双向开关构成 图2 1 ( a ) 中所示双向开关仅包含一个可控开关器件，可以降低电路成本。但由 于在电流流通过程中需要经过三个开关器件，必然造成开关器件损耗的增大，而且 这种双向开关中的电流方向很难控制。图2 1 ( b ) 所示结构具有两个明显的优点：一 是可以独立地控制电流方向；二是由于电流只经过两个开关器件，开关器件的导通 损耗也随之减小。但由于两个i g b t 的射极被连接到一起，因此每个双向开关都需 要至少1 个隔离电源为驱动电路供电。图2 1 ( c ) 所示结构不但具有器件导通损耗小， 电流方向易控制等优点，三个射极相连的i g b t 可以共用一个隔离电源为驱动信号 供电，可以减少驱动电路隔离电源的数量，因而，这种双向开关的构成方式也得到 了比较广泛的应用。 8 华北电力大学硕士学位论文 一一l _ _ i 一 矩阵变换器研究的根本目标就是选择合适的开关组合和开关函数矩阵，调制出 所需的输出电压和输入电流。 对于矩阵变换器的输入输出的电压，可以设三相输入的相电压为： 料 c o s ( c o t ) 州咿争 州哆+ 争 其中：为输入相电压的幅值。 忽略高次谐波后的三相输出线电压为： v o = 豳 c 。s ( 卜+ - 万g ) = 吨m ic o s ( o , o f 一+ 詈一争 c 0 s ( 卜+ 詈+ 争 其中：v o 为输出相电压的幅值， 此相角为参考分别滞后警与竽。 卧豳 酬f 一+ t = 扣蛾f 一+ 詈一争 州r 一+ 詈专) ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 纯为输出u 相电压的初相角，v 相与w 相以 其中：f 为调制系数，o f 1 ，仍为输入功率因数角。 将式( 2 1 ) 、式( 2 - 2 ) 和式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) ，可得： 9 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 订ij万一；万一3幼一3幼一3 ) 一 + 纺 纺 纺 一 一 一 纺 册 础 义 义 义 o 0 o 华北电力大学硕士学位论文 v o = f c o s ( 矿织+ c o s ( 吃+ 詈寺) 心3 c o s 纺= 帆一纪+ i 一了) i 互c 傩纺2 3 c o s 啡一纯+ 詈寺) 酬妒仍+ c o s ( m o 魄+ 詈一争 c o s 一纯+ 吾哼) ( 2 5 ) = 粤f c o s 仍( 2 - 6 ) 因此选择不同的c o s 仍就可以调制出不同的输入功率因数，可以超前、滞后或为 1 。若识= o r f = 1 ，则可得到三相矩阵变换器的输出电压的最大增益为： g = 笋= 譬地8 6 6 ( 2 7 ) 2 p 1 ， 对于矩阵变换器的输入输出电流，当忽略输出电流的高次谐波时，输出的线电 流可表示为： - o = m c o s ( a , o f 一见+ 詈一纯) 嘲一亿+ 詈寺一吼) 州旷纯+ 詈+ 等一统) 式中：纯为输出负载的功率因数角，乙为输出线电流的幅值。 同时变换矩阵t 满足： 卜豳i b = t r 1 。= 知纯 由此可知输入电流的幅值乙： e o s ( c o , t 一仍) c o s ( o , , 寺) c o s ( 哆f 一仍+ 孕) j 1 0 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 10j 饥慨慨 。l r t = 1j 嘻 ： rll即 华北电力大学硕士学位论文 l ：半l(211vcos伊z )k 2 f 。 u j 由式( 2 6 ) 和式( 2 。1 1 ) 以及幅值与有效值的关系可知，输入功率乜力为： 昂= 3 c o s 仍= d 3 v o l oc o s 纯= 乞 ( 2 1 2 ) 式中k 、。、圪、l 分别表示矩阵变换器输入线r g 玉, 、线电流有效值与输出线 电压、线电流有效值，最、只埘表示矩阵变换器三相输入和三相输出功率。昂= 说明调制过程中满足输入输出有功功率相等。 2 2 矩阵变换器的控制策略的研究 矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，控制繁琐，因此在矩阵变换器的实 际应用中，采用适当的调制策略，并将其加以实现，保证系统稳定可靠地运行，是 至关重要的一个环节。到目前为止，已经提出并实现了直接传递函数法，空间矢量 调制法，双电压控制法等多种调制方法，取得了较理想的控制效果船8 。3 1 1 。 ( 1 ) v e n t u r i n i 控制法( 直接计算控制法) ：1 9 8 1 年，数学家a l e s i n a 和电力专家 v e n t u r i n i 合作，给出了基于高频合成线电压的矩阵变换器数学模型的证明，并得出 了一个符合要求的开关调制矩阵，可以称为v e n m r i n i 控制法。该方法采用3 个输入 线电压对输出线电压进行合成，从而获得了开关占空比计算的统一公式；当输入电 压发生畸变时，可动态计算开关占空比，使输出电压能保持正弦。但v e n m r i n i 控制 法电压增益只有0 5 ；变换器开关策略要求在一个开关周期内共换流1 2 次，换流损 耗比较大，开关器件频率要求也比较高；为提高电压增益而在输出电压中加入三次 谐波，开关占空比的计算变得非常复杂，不利于实时计算。 ( 2 ) 瞬时双电压合成法：它的基本思想是在每一个开关周期内输出电压总由输入 线电压的瞬时值来合成，而参与合成的输入线电压的占空比与它们的电压幅值成正 比。可以证明，当输入电压发生畸变时，变换器可实时调节开关占空比使得输出不 变，而且不增加额外计算量，抗干扰性好。但是由于开关占空比的变化，无法确定 最优开关策略，而且软件仿真和实时控制不方便：输入功率因数角调节不便，如果 使用参考输入电压可解决这一问题，但计算量增加较大。 ( 3 ) 滞环电流控制法：滞环电流控制法就是控制变换器的输出电流为标准正弦 量。控制系统跟踪输出电流的实际值，将实际值和电流的给定值比较，进而控制各 个开关通断，使得实际电流按照给定电流规律变化。该法以输出电流为控制目标， 其动态响应比较快，抗干扰性能比较好。但是此方法有开关频率不固定、电流误差 变化无规律、输入电流谐波丰富等缺点。 ( 4 ) 空间矢量调制技术又称为间接变换法或交一直一交等效变换法，是基于空间矢 1 l 华北电力大学硕士学位论文 量变换的一种方法。它将交一交变换虚拟为交一直和直一交变换，当然具体实现时， 整流和逆变是一步完成的。这种调制策略既能控制输出电压波形又能控制输入电流 波形，可改变输入功率因数，低次谐波得到了较好的抑制，尽管控制方案较为复杂， 缺少有效的动态理论分析支持，但它是目前在矩阵交换器中研究较多也是较为成熟 的一种控制策略，比较有发展前途。本章研究重点就是间接空闻矢量调制法。 2 3 间接空间矢量控制方法的研究与仿真 1 9 8 9 年l h u b e r 等发表了一系列文章介绍了矩阵变换器的空闯矢量调制原理。 当矩阵变换器每一采样周期内的输出电压和输入电流确定后，可将交一交直接变换 虚拟为前级交一直整流变换和后级直一交逆变变换，分别采用空间矢量调制方法，然 后综合得到矩阵变换器的控制策略，在整个复平面内用逼近方式合成输出电压矢 量，获得所需的三相输出线电压，同时优化输入电流波形并确保输入电流与输入电 压同相位。 2 3 1 矩阵变换器的交一直一交等效变换 矩阵变换器可以采用由一个虚拟的整流器和一个虚拟的逆变器构成的等效交一 直一交结构来代替，如图2 2 所示采用这样的等效结构可以充分利用成熟的交_ 直一 交变换中的p w m 控制技术，并可通过对比分析得出实际矩阵变换器的开关控制规 律。 彳 口 c 图2 2 矩阵变换器的等效交一直一交结构 u y 矽 分析图1 - 2 和图2 2 时，首先定义开关函数跌：导通时，歌= 1 ；断开时，歌= o 。 对于图2 - 2 的等效交一直一交结构，_ ，m ，b ，c ，u ，矿，渺) ，七 只) 。由于输入是电压 源性质，输入电压不能被短路；输出为感性负载，输出电流不能突然开路。按照这 一原则，虚拟整流器中接于同一直流母线p 或n 上的开关必须有一个且只能有个 处于导通状态，即： 邑七+ + 如= 1 ，k p ，n ) ( 2 - 1 3 ) 而虚拟逆变器同一输出相u 、v 、w 上必须有一个而且只能有一个开关导通， 1 2 s 即： 华北电力大学硕士学位论文 + = 1 ，j ，矿，叨 等效交一直一交变换器中虚拟整流器部分的变换关系为： 巧= 【 = 【s 心s b n 如，豳 球1 l “c j 引卦 等效交_ 直一交变换器中虚拟逆变器部分的变换关系为： 刚驯孙 = 【姊 k = 一【 m 肛i 训 嘲 ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) 将式( 2 - 1 5 ) 、式( 2 - 1 6 ) 代入式( 2 - 1 8 ) ，并按= u v u g ，u r n , = 即一u ，= - - u u s 矗】p + s 髓毒k 酣一( s s c p s r v + s s v s v d s n p s v v + s s v s w 一晰+ 洲 墨渤+ 声湘一a 汹+ 芦酿芦曲 将式( 2 1 9 ) 、( 2 - 2 0 ) 代入式( 2 1 7 ) ，可得输入相电流的表达式： ( 2 2 1 ) s a p s 盱+ s a n s 蹦s a p s w e + s n j v s w n 飞i u 、 鼢s b p 坼s v p + + s b n 踊s i o vs c p s 跏w p ：s c n s 聊v j 匕j c 2 之2 ， s c p s y p + s c n s 喇 + 虻wl 1 3 裟一 嚣 寒一 誊脚未 的 慨慨竺篇 电 成渤涡尝寒一誊 得月划秣臣 彬 彳 度 c颤 + + + 炉 俨 胆 舻缈缈 尸 p p 彳 口 c 缈缈缈 = 1j 嘧 华北电力大学硕士学位论文 i “wlls u a 一既一蹁s u c s r c0 l i “胛| - i 锄一s w a 一蹁s v c 一虢怕l l “降可j 【s 如一s u ms v , , a s u ns 旁c s u c j l u c j 篓差涮 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 从而可分别推导出实际矩阵变换器和等效交一直一交结构开关函数之间的对应 关系： s 准= s 伊s 蹬+ s i n s 蝌，j p ，v ，w 、，k u ，b ，q q 一2 5 ) 限定条件为： 1 瓯+ 如+ 2( 2 - 2 6 ) 式中，g ，- 厂，k e 仉一矽) ，e , h ，i e 么，b ，q ，且g ，k ，e h z 。 按照等效交一直一交结构的间接变换原贝! f ，这个限定意味着矩阵变换器的三条输 出线只能连到一条或两条输入线上，不能分别连到三条不同的输入线上，这是因为 采用了等效交一直一交方法后，中间虚拟直流环节电压只能是两个输入相电压之差， 故而三个输出相不可能分别连到三个输入相d 别 2 3 2 等效交一直一交结构的空间矢量调制 由于矩阵变换器可以等效成虚拟交一直一交变换蒜的结构，因此可以采用成熟的 p w m 调制方式，其中空问矢量调制是最为优越的一种调制方式。以电压为例，电 压空间矢量是按照所加绕组电压的空间位置来定义，将三相电压采用矢量形式在复 空间做综合表示的结果，即：元= 要+ 侧v w + a 2 ) ，其中、为三相 j 2 f 输出线电压瞬时值，a = ，这样采用空间矢量描述的电机定子电压方程为： 吃= 足五+ 警，式中疙、五、死分别为定子电压、电流、磁链的空间矢量。 “ 当忽略定子绕组电阻压降的影响时，则有或a j _ l ，可见磁通的运动轨迹可由 一 d f 电压空间矢量来控制。一般三相逆变器功率元件开关动作所能形成的定子电压空间 矢量有8 种，其中6 种有效矢量露一或，2 种零矢量巧、元。各矢量的空间位置如 图2 - 3 ( a ) 所示。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 _l _ _ - _ _ _ _ _ l 一 x - - 圪 ? x 。 入 乡瓣 一 i l 一 厶 ( a ) 输出线电压合成图 ( b ) 输入相电流合成图 图2 - 3 矩阵变换器空问矢量合成示意图 7 ： 为了获得频率可变的三相输出线电压，可以定义一个输出线电压的参考矢量 疙= 怕吒掣飞，这是一个以吃的角速度围绕中心点作连续旋转的以睨为初相角 的空间参考矢量。如果采用上述8 种电压空间矢量近似地合成这个参考矢量，我们 就可以得到所需的输出频率为a , o 的三相正弦输出线电压。逆变器供电时，某一时 z 刀。 刻输出线电压参考矢量瓦可以用其所在扇区的两个空间矢量和零矢量来合成。各矢 量的作用时间可用在开关周期i 中的占空比( 相对作用时间) 来表示： 瓦矢量的占空比：= = m 。s i n ( 3 一印 ( 2 _ 2 7 ) 瓦矢量的占空比：叱2 乏2 m s i n ( o , ) ( 2 - 2 8 ) 零矢量的占空比：d o 。= 等= 1 - 丸一叱 ( 2 - 2 9 _ 工j 其中或是输出线电压矢量瓦所在扇区的扇区角，o 见 手，调制系数 j o ：簪l ，为母线间的电压。 r p a t 按照上述调制方法即可在整个复平面内，采用逼近圆形的旋转磁场方式合成输 出线电压矢量疙，从而获得所需的三相输出线电压。同理对于虚拟整流器部分也可 采用复空间表达方式定义输入相电流矢量，获得输入电流空间矢量调制的方案。可 1 5 华北电力大学硕士学位论文 以定义输入相电流空间矢量为：互：罢也+ 口+ a 2 i c ) ，其中、屯为三相输入电流 瞬时值，口：口j 2 ，x 。同样定义输入电流参考矢量为：互：毛雕一吲，可以利用空间矢 量的线性组合，采用逼近z 方式合成输入相电流矢量，如图2 3 ( b ) 所示。 各矢量的作用时间可用开关周期霉中的占空比来表示： 不矢量的占空比：九= = 佛s i 詈一只) ( 2 3 。) 云矢量的占空比：九。2 s 域b ) ( 2 - 3 1 ) 零矢量的占空比：d o i = t 1 0 - 丝，= l 一吆一叱 ( 2 - 3 2 ) 其中，最是输入相电流矢量乏所在扇区的扇区角，o s q 罢，调制系数 0 s 砚暑等鲥 在矩阵变换器的交直一交等效结构中，输出线电压矢量调制和输入相电流矢量 调制是彼此独立进行的而在真实的矩阵变换器中，同一开关既要担负整流的任务， 又要担负逆变的任务，整流和逆变的过程是相互包含同时进行的 2 3 3 矩阵变换器间接空间矢量调制的仿直研究 本文在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境中对矩阵变换器间接空间矢量调制方法进行 仿真研究。在实际的矩阵变换器系统中，主电路与控制回路间的联系极为密切，且 控制算法相对复杂，若仿真模型能够尽可能的贴近实际系统，其仿真的实际意义将 更加明显本文给出的仿真模型正是在这一思想基础上建立的 ( 1 ) 模型的主电路流通的均为强电信号。主电路全部采用p o w e r s y s t e m 中的模