（电力电子与电力传动专业论文）矩阵变换器的控制方法与应用研究.pdf

a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ec o n t r o lm e t h o df o rm a t r i xc o n v e r t e r ( m c ) i se m p h a s z e d i t s m a t h e m a t i cm e c h a n i s m ，f u n d a m e n t a lp r i n c i p l e ，c i r c u i tc o m p o n e n t sa n da p p l i c a t i o n a r ea l s od e s c r i b e db r i e f l y b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o nw i 也s e v e r a jv o l t a g ec o n t r o lm e t h o d s s u c ha s v e n t u r i n im e t h o d ，i n s t a n t a n e o u sd o u b l e v o l t a g es y n t h e s i sm e t h o da n ds p a c e v e c t o rm o d u l a t i o nm e t h o d ( s v m ) ，t h r e en e wc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ep u tf o r w a r d f i r s t l y ，at i m e - v a r y i n g m o d u l a t i o nc o e f f i c i e n ts v mm e t h o di s p r o p o s e d t o i m p r o v em c sa n t i d i s t u r b a n c ep e r f o r m a n c eu n d e rt h ea s y m m e t r yi n p u tv o l t a g e s e c o n d l y ，a5 - s t a t es w i t c h i n gs t r a t e g yi sp r e s e n t e df o rm c c o n t r o l l e db yt h es v m m e t h o d ，w h i c hr e d u c e st h ec o m m u t a t i o nn u m b e ra n ds w i t c h i n g l o s s e sr e m a r k a b l y | t h i r d y , as i n g l e v o l t a g es y n t h e s i sm e t h o di sp u tf o r w a r d ，w h i c hs i m p l i f i e st h e a l g o r i t h ma n d r e d u c e st h es w i t c h i n gl o s s e st ot h el o w e s tl e v e l r e a r e dt ot h ea c h i e v e m e n to fc u r r e n tc o n t r o l l e dv o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r , 也ei d e ao fc u r r e n tc o n t r o li si n t r o d u c e di n t om c s e v e r n lc u r r e n tc o n t r o l s t r a t e g i e s a r ep r o p o s e d f i r s t l y ，ah y s t e r e t i cb a n dc o n t r o lm e t h o di s a p p l i e dt o m c so u t p u tc u r r e n tc o n t r 0 1 i no r d e rt od e c r e a s et h eh a r m o n i c si nm c si n p u t a n do u t p u tc u r r e n t ，t h es v mm e t h o da n ds i n u s o i d a lh y s t e r e t i cb a n dm e t h o da r e i n t r o d u c e di n t ot h em c h y s t e r e f i cc o n t r o lr e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , b a s e do nt h e p r e d i c t i v e c u r r e n tc o n t r o lf u n d a m e n t a l p r i n c i p l e ，t h ep a r t i c u l a r 2 7v e c t o r s p r e d i c t i v ec u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g ya n d c u r r e n tt r e n dp r e d i c t i v ec o n t r o l s t r a t e g ya r e p r o p o s e d t h e s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a ta l lo ft h ec u r r e n tm e t h o d sc a ni m p r o v et h e m c so u t p u tc u r r e n tq u a l i t ya n d s p e e d i t sd y n a s t i cr e s p o n s e a tl a s t ，t h eu n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ( u p f c ) p e r f o r m e db ym c i s s t u d i e d t h e nas t a t e f e e d b a c kd e - c o u p l i n gc o n t r o ls t r a t e g yi sf u l f i l l e db ym c s v e n t u r i n im e t h o df o ru p f c sp o w e rf l o wc o n t r 0 1 u io fh i ec o n c l u s i o n sa r c v e r i f i e db yt h em a t l a bs i m u l a t i o np r o g r a m k e y w o r d s ：m a t r i x c o n v e r t e r s p a c e v e c t o rm o d u 】a f i o nc u r r e n tc o n 订o i s t r a t e g y h y s t e r e t i cb a n d c o n t r o lu n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r 第一章绪论 第一章绪论 矩阵变换器是一个从任意1 t i 相输入直接变换到任意n 相输出的电力变 换装置。其学术思想最初由l g y u g y i 和b p tp e l l y 在1 9 7 6 年提出 ”。它有 矩阵变换器( m c ：m a t r i xc o n v e r t e r ) 、强迫换流周波变换器( f c c ：f o r c e c o m m u t a t i o nc y c l o c o n v e r t e r ) 、直接频率变换器( d f c ：d i r e c tf r e q u e n c y c o n v e r t e r ) 等多个名称。在提出后，由于当时电力电子技术和计算机控制技 术水平还远不能满足变换器要求。因此还只是一种学术思想而没引起足够的 重视。 最近十多年来电力电子器件和控制手段的发展与成熟使得矩阵变换器从 学术思想变为现实成为可能。于是人们从控制方法、换流方法、等效电路等 不同的角度对它进行了一系列深入的研究工作，表明了矩阵变换器具有众多 优越的性能： 能同时提供正弦输入电流和输出电压； 功率可以真正实现双向流动； 输出电压幅值、相位和频率均可以独立调节； 输入电流可调节为超前、滞后或同相于输入电压： 没有中间直流环节，体积小，重量轻，可靠性高。 由于这些优点，矩阵变换器正渐渐成为传统交直交变频器的替代技术， 而且它具备一些比交直交变频器更优越的性能而有着更广阔的应用前景：在 安装空间有严格要求的装置上的变频控制和电源供应，高温振动等恶劣场合 的变频控制及要求频繁四象限运行的电动机调速等等。因此对它做进一步深 入的研究是很有实际意义的。可以预见在不远的将来，矩阵变换器将成为广 泛使用的电力变换器之一。 1 1 矩阵变换器产生的背景 常用电力变换器( c o n v e r t e r ) 主要有五种：整流器、逆变器、斩波器、交 流调压器和周波变换器。由于电能通常以交流方式产生与传输，整流器最先 开始出现。在1 9 5 7 年晶闸管( s c r ) 出现之前，直流电通常由旋转交流机 组或汞弧整流器变换而来。在s c r 出现之后，变流技术开始进入晶闸管时 代，目前整流器已发展到采用全控型器件的p w m 整流器阶段。 塑堕奎兰婴主兰垡丝苎 在工业化过程中，交流传动占据了主要地位，但其调速系统绝大多数采 用直流调速。上个世纪7 0 年代席卷世界先进工业国家的石油危机导致了高 效节能的交流调速系统的发展。交流调速的技术核心就是获取符合调速要求 的频率和幅值均可变化的交流电。这一交流电由逆变器将直流电变换而来。 逆变器将直流电逆变为交流电。但现代电力系统通常采用交流供电，直 流电源并不多见。获取所需的交流电有两种基本思路：一种是先将交流电网 的交流电经整流器变换为直流电，再经逆变器将直流电逆变为所需的交流 电，即交直交变频器。在现代电力电子技术中它属于组合变换器的种，目 前商品化的通用变频器几乎无一例外地采用这种方式。另一种是不通过中间 直流环节而直接把交流电网的电能变换为所需的变压变频交流电，即交交 直接变频器，也称为周波变换器。 交直交变频器整流环节可采用单相桥式整流，这主要应用于三相电源不 方便的场合，但更多的采用三相桥式整流器。根据中间直流环节的不同，它 可分为两种基本电路拓扑，即电压型交直交变频器和电流型交直交变频器， 其中电压型的最为常用。根据不同控制思路，电压型交直交变频器又有三种 基本结构。如图1 - 1 所示： 相控整流p w m i 堇变不可控整流p w m 逆变p w 临流p w m 逆壹 啡拉瑚蝈习瑚 ( 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 - 1电压型交直交变频器原理框图 图1 - 1 a 中，变频器由一个相控整流电路和个逆变电路组成，控制整 流电路以改变输出电压，控制逆变电路以改变输出频率。这种控制方式有以 下缺点：输出电压为矩形波，谐波丰富，对负载不利；用相控方式改变中间 直流环节电压，输入功率因数很低；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。该电路目前已很少采用。该电路还有一种 改进型，即可控整流器由一个不可控整流器和一个斩波器替代，不可控整流 器使功率因数提高，而斩波器调节直流电压。但该电路相比于图1 1 b 所示 电路并不优越，因此己很少采用。 图1 - 1 b 中，变频器由一个不可控整流器和一个p w m 逆变器组成。整 流器采用二极管不可控整流，提供给逆变器稳定的直流电压；而p w m 逆变 器既调节输出电压的幅值，也调节输出电压的频率。相比于普通电压型交直 第一章绪论 交的变频器，它有以下优点：接近正弦波的输出电压；接近1 的功率因数； 只采用一级可控环节，电路结构和控制简单化。 1 - 1 b 图电路是目前变频器的主流电路。但是它有几个缺点：功率不能 双向流通，特别在应用于电机调速时，电机不能做四象限运行，制动时回馈 到直流环节的电能不但不能回送到电网中去，而且必须设计一个能量消耗回 路把能量消耗掉，以防直流电压过高导致电路中功率开关管的损坏。同时， 如果电网输入电压不稳定，将导致中间直流电压不稳定，进而影响逆变环节。 1 1 一c 所示电路针对这些缺点将不可控整流改为p w m 整流器，克服了上 述缺点。但是它的控制略微要复杂些，成本也有所增加，主要应用在负载运 行性能有严格要求的场合。它和后面讨论的矩阵变换器已经有着非常相似的 电路拓扑。 幽1 - 2 = 相零式交交变频器主电路 交交变换器通常为三相交流输入，输出端可以为单相或三相，但三相的 情况最为常见。它的一种典型电路如图1 2 所示，图中p 表示正变流器组， n 表示副变流器组。让两组变流器按一定频率交替工作，就可以给负载输出 该频率的交流电。改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率。改变 变流器工作时的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。它只需1 8 个功 率开关管，但仅用于具有中线的场合。另外，交交变换器还有公共交流母线 进线方式和输出星型连接方式等多种主电路，这时就必须具备3 6 个功率开 关管。 交交变频器采用余弦交截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。 但它有两个主要缺陷： 输出频率低。由于它的输出电压由若干段电网电压拼接而成，当输出 频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就要减少，谐波分量就要 塑堕查兰堡主兰堡垒苎 增加。另外，负载功率因数也对输出特性有一定影响。一般而言，变流电路 采用6 脉波的三相桥式电路时，最高频率不高于电网频率的1 3 - 1 2 。我国 电网频率为5 0 h z ，因此交交变频电路的输出频率上限约为2 0 h z 。 由于采用相控方式，它的输入功率因数较低，谐波丰富，对电网而言 是一个谐波干扰源，对电力品质产生很大的影响。 交交变频器主要用于5 0 0 k w 或1 0 0 0 k w 以上，转速低于6 0 0 r m i n 的大功 率、低转速调速装置中。目前在矿石破碎机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机 及扎机主传动装置中获得了较多应用。 交直交变频器和交交变频器的进一步发展产生了变换效率高、变频范围 宽、能实现四象限运行的电力变换器的需要。 其次，随着电力电子技术的飞速发展，各种七十年代中期提出的第二代 电力电子器件全控型器件( 如g t o ，g t r ，p m o s f e t , i g b t ，m c t ) 在容 量、开关频率及体积等各个方面都有了长足的进步。脉宽调制技术( p w m ) 的提出与实现更使电力电子技术获得了极其广泛的应用。电力电子技术的发 展为矩阵变换器的实现提供了元器件的保证。 另方面，上个世纪的七十年代末到九十年代初，微电子技术和计算机 技术得到了飞跃的发展口1 。单片机由8 位发展到1 6 位，指令执行时间只有1 2 5 纳秒。而几十纳秒的数字信号处理器( d s p ) 已大量面市。高级专用集成电 路( a s i c ) 也已商品化。所有这些都为矩阵变换器控制的实现提供了控制 手段的保证。 控制手段、电力电子元器件、实际应用的需求这三者结合就导致了矩阵 变换器在九十年代的日益重视和深入研究。经过各国学者的不断努力，也取 得了一系列的成果。 矩阵变换器从严格意义上来说仍属于交交变换器的一种，它既采用一次 性功率变换，省去中间直流环节，去掉了体积庞大的电磁元件( 电容器或电 感器) 。使得体积减小，效率提高，电磁响应加快；又避免了采用相控方式 而导致的丰富低频谐波；更重要的是，矩阵变换器的输出频率从理论上可以 实现由0 h z 到无穷大的变化，实际上也可实现由0 h z 到4 0 0 h z 的频率变化 范围，大大扩展了变频应用的场合。在不远的将来它必将从实验室走向广阔 的应用现场。 4 第一章绪论 1 2 矩阵变换器的研究进展 矩阵变换器从1 9 7 6 年提出到现在已经有二十六年的时间。国外已有不 少文献提出矩阵变换器的实验样机，但是还没有真正进入实用的报道。目前 变换器最大的输出功率可达2 0 k w t 5 ，控制的手段主要采用t m s 3 2 0 c 3 0 、c 4 0 数字信号处理器、8 6 0 3 8 6 微机及p l d 器件。在这方面做得比较好的是意大 利a a l b o r g 大学矩阵变换器项目组f 5 1 。 国内目前只有哈尔滨工业大学的陈希有博士、南京航空航天大学的庄心 复教授进行过这方面的研究，但没有样机的报道。 主要的研究内容和所取得的成果体现在以下几个方面： 电路拓扑结构的研究。 矩阵变换器最初提出时指的是m 相输入变换到n 相输出的一般化结构， 因此曾被称为通用变换器【3 】。根据m 、，l 取值的不同及输入输出端电源性质 的不同，人们提出了许多的拓扑： 由三相交流变换到两组直流，或者一组可变换极性的直流【4 1 。 从三相交流变换到单相交流。 从单一直流变换到三相交流，也就是通常所说的逆变器。 由交流三相变换到交流三相，它的输入输出端之间采用双向开关互相 连接，即9 开关矩阵变换器。它是研究得最多的一种拓扑，如没有特别的说 明，本文中所说的矩阵变换器均指这种情况。 由交流三相变换到交流三相，但输入输出端之间采用3 个全控桥进行 连接，称为电压源型矩阵变换器【5 6 儿5 7 i s “。它的结构比9 开关矩阵变换器复杂， 但性能也要好些。 变换器控制方法的研究 到目前为止，矩阵变换器的控制方法主要集中在以输出电压为主要控制 目标的电压控制法上，所取得的主要成果有： v e n t u r i n i 控制法：作为最先提出的矩阵变换器控制方法，它采用3 个 输入线电压对输出线电压进行合成，从而获得了统一的计算公式。而且相电 压能保持正弦变化，但电压增益低。 陈氏合成法：作为v e n t u r i n i 控制法的改进，它采用两个输入线电压 进行输出合成。降低了变换器的换流次数和开关损耗，但电压增益依然不理 想。 湖南大学硕士学位论文 瞬时双电压合成法：它利用任一瞬间的两个输入线电压对输出电压进 行合成。由于通过采用实时检测输入电压来计算开关占空比，抗干扰性比较 好，但具体实现比较困难。 空间矢量调制法：引入空间矢量的概念，利用输出电压空间矢量和输 入电流空间矢量进行合成。它的谐波分量少，电压增益可达最大值o 8 6 6 ， 具体实现简单，因而具有实用价值，但它的抗干扰性能不好。 但是，以输出电流为控制目标的电流控制法很少被注意。本人在这一方 面作了一些研究，也获得了一些令人满意的结论。 矩阵变换器元器件的研究 矩阵变换器元器件的研究进展充分体现了电力电子技术的进步和它的发 展趋势。总的说来，主要经历了以下几个过程： 双向功率器件的研究【5 1 。由于矩阵变换器所要求的双向功率器件目前 并不存在，人们就研究利用其他电力电子器件来合成双向开关。已知的合成 方法有：在整流桥内嵌入全控开关；并联电流开关；串联电压开关；共集电 极反并联全控开关；共发射极反并联全控开关。 功率模块的研究【6 】【7 1 。采取与i g b t 模块类似的做法，将多个双向开 关器件集成在一块硅片上，有的甚至将保护电路、触发电路也集成在一块。 使得变换器的体积减小，重量下降。 装置集成的研究【6 1 1 8 1 。将功率器件或模块、驱动电路、保护电路、电 源都集成在一起，形成所谓的功率电子积木( p e b b ：p o w e re l e c t r o n i c sb u i l d i n g b l o c k s ) 。它使得整个变换器装置的体积进一步减少。更重要的是，它使变 换器的可靠性大大提高，而损耗变得很少。 换流方法的研究 影响变换器工作的一个重要制约因素是它的换流。矩阵变换器由于采用 双向开关器件，换流情况更加复杂，严重影响了它的实用化进程。为了实现 安全换流，各国学者进行了大量的研究，研究的主要成果有： 四步法【9 1 ( 半软开关法) ：通过检测负载电流的方向，恰当地安排两 个双向开关中4 个单向开关的导通关断顺序，经历4 步可以使负载电流从一 个双向开关转换到另一个双向开关。由于一次换流中总有2 步是自然换流， 因此也称之为半软换流( s e m i s o f tc o m m u t a t i o n ) 。 三步法【1 5 ”6 】：按一定原则选择两个开关构成一个换流开关对，这一个 开关对不受控制规律的影响而总是导通的。利用换流开关对提供的电流回 第一章绪论 路，在两个双向开关换流的中间时段插入一个死区时段，使得换流只需3 步 就可以完成。 两步法【1 3 1 ：引入输入电压相区概念，在每个相区中，输入电压中总有 一个最大值和最小值的极性不变，采用适当开关策略，就可以实现直接从一 个开关到另一个开关的安全换流。 软开关换流【2 3 1 ：加入电容电感等谐振元件并采用适当的开关策略，可 以实现各个开关的零电流或零电压导通和关断，从而使得变换器的换流问题 完全消失。但它需要接入一些所不希望的电磁元件，使用受到限制。 变换器的应用研究 矩阵变换器由于具有输出电压输入电流均为正弦量、双向功率流动、输 入端功率因数可调等优越性能而成为传统交直交变频器的替代技术，所有传 统变频器的应用都可用矩阵变换器来实现。因此，人们主要对矩阵变换器特 有的应用情况进行了研究： 风力发电【4 7 】【聃l ：风力发电的特殊性在于：不同季节不同天气下风速不 同，而风力所能产生的电能与风速直接相关。传统做法是在风轮机输出轴上 安装机械调速装置，使风力发电机转速在不同风速下能基本保持恒速运转。 但这无法使风能在不同风速时利用率达到最高。 文 4 7 】、【4 8 1 提出一种利用双馈电机做风力发电机的新方法，实现了所 谓的变速定频运行。发电机转予通过一个矩阵变换器与电网相连，利用变换 器的双向功率流通能力，使转子与电网实现功率交换：当发电机次同步运行 时，电网向转子提供电能；否则转子向电网提供能量。变换器还同时控制转 子电压和变换器输入电流为正弦量，它的另一个作用是实现定子输送有功无 功的闭环控制。变换器采用空间矢量调制，而发电机转速、定子电流有功无 功控制通过定子磁场定向原理实现。两者结合，就得到了风力发电机的最优 控制模式，实现了最大风能利用率。 热电机组【4 9 】：热电机组( c h p ) 对装置体积的苛刻要求限制了它的普 及。文 4 9 1 提出一种新的热电机组，其基本构成框图如1 3 所示。( a ) 图是 传统c h p 单元组成，( b ) 图是采用矩阵变换器改进后新c h p 单元组成。它 把体积庞大的变速箱和启动器去掉，改用高速发电机直接与汽轮机相连，整 个机组体积大大减少。 湖南大学硕士学位论文 睚目蛳t 圈摩旧啪 + 土一 j 一热能i 启动器卜_ j 煞能 一三峨萎 第一章绪论 格的应用场合，矩阵变换器相比而言更有优势： 对装置体积与重量有严 格要求的场合如电动汽车，军用汽车，战车等地方，作为全硅器件的矩阵变 换器比传统变换器要优越。 电力系统应用：矩阵变换器同样可应用于电力系统中。统一潮流控制 器( u p f c ) 作为柔性交流输电( f a c t s ) 技术的重要一员，就可用矩阵变 换器来实现。本文第五章将就这一方面进行一些研究工作。 1 3 论文的主要工作 论文的主要工作有： 介绍了矩阵变换器的起源和研究现状，描述了它的基本电路拓扑及 工作原理； 在傅立叶分析基础上，探讨了矩阵变换器所依据的高频合成法的数 学机理，并证明了变换器的开关调制函数矩阵不可能从变换器基本关系式中 直接求解； 重点介绍了v e n t u r i n i 法、瞬时双电压法和空间矢量法等矩阵变换器 的基本电压控制策略。针对最有前途的空间矢量控制法，提出了时变调制比 的改进控制策略，改善了变换器的抗干扰性能。提出了空间矢量法的5 状态 开关策略，减少了变换器的换流次数，降低了开关损耗。 在分析了各种多电压合成控制法的基础上，提出了一种单电压合成 方法。它最大限度地减小了变换器的换流次数和开关损耗，并且减少了计算 工作量，简化了控制规律。 在分析电压控制法的基础上，结合电流控制电压逆变器的控制方 法，将电流控制的概念引入矩阵变换器。并提出了固定环宽滞环控制、正弦 环宽滞环控制、输入电流空间矢量合成滞环控制、2 7 矢量预测控制和2 4 矢 量预测控制等多种电流控制策略。这些方法改善了变换器的输出电流品质， 提高了变换器的动态特性。 在分析了统一潮流控制器基本工作原理的基础上，用矩阵变换器实 现了u p f c 的各种控制功能，证明了变换器作为u p f c 的可行性。在对电力 传输线状态方程分析的基础上，提出了一种潮流解耦控制方法，并利用矩阵 变换器进行具体实现，所得仿真结果验证了这一方法的正确性。 湖南大学硕士学位论文 第二章矩阵变换器基本工作原理 2 1电力变换器的数学基础 电力变换器在过去二十年来已经获得了广泛的应用。虽然它的种类已极 其繁多，但都无一例外以高频开关合成原理为基本依据。文【3 】从傅立叶频 谱的角度出发，对高频合成原理进行了严格的数学推导与证明。为了使后面 的分析有一个严格的数学基础，本节对高频合成原理进行简要叙述。 2 1 1 电力变换器开关的模型 电力变换器从本质上来说只包含开关器件和无功器件，因此分析变换器 必须从开关模型的分析着手。对于变换器的开关而言，最简单的模型就是理 想化开关模型。这一模型可以用一个不连续函数旭f ) 来描述：开关通断时不 存在任何中间转换时间，当开关闭合时为1 ，断开时为0 ，州f ) 称为开关的 调制函数。如果设l ( t ) 为开关的输入，则开关输出，d ( f ) 为： ，d ( f ) = m ( f ) x 正( f ) ( 2 1 ) 理想开关实际上总处在一定电路之中，根据开关输入输出变量的特性可 将开关分为两类：电压开关和电流开关。但由于同一开关将不同端点看做输 入端就可以实现电流开关和电压开关的相互转换，因此下面只分析电压开 关。对于n 个并联的电压开关，如果满足： m 心) = 1 ( 2 2 ) 也就是说，这r 1 个并联开关在输入端没有短路而输出端没有开路，那么， 它的输出电压为： v o ( t ) = m 心) v o ( t ) ( 2 - 3 ) ， k ，为输入电压，这意味着不仅可获得各个开关各自的输出电压，而且 可获得输入电压的和值。 第二章矩阵变换器基本工作原理 再考虑m 个输入n 个输出的一般变换器情况。它可以用一个n x m 的开 关调制矩阵来表示：m ( f ) 一 m ( f ) ，i 一1 ，n ；，一l ，m ，这里m 。，( t ) 是连接第 f 个输入端和第f 个输出端的开关的调制函数。则式( 2 - 2 ) 的开关条件可以 做进一步的扩充。有： m ( t ) x l = 1 ( 2 - 4 ) 这里1 表示一个元素全为1 的1 3 维矢量。 设变换器输入电压和输出电流矢量以及期望的输出电压和输入电流矢量 分别表示如下： v ( f ) = i v , 。( f ) ：( f ) ( f ) ri o ( f ) = 【，。( f ) i o ：( f ) i o ( f ) r v o ( t ) = v o 。( f ) v o ：( f ) v o 。( f ) ri i ( f ) ； ，。( f ) i n ( f ) ，。( f ) r 则开关矩阵的运行规律，也就是开关矩阵的输入输出电压电流关系为： v o ( f ) ；m ( f ) v ( f )i z ( f ) = m ( 矿i 。( f ) 2 1 2 电力变换器高频合成原理 为了叙述的方便，作如下的基本假设：本节所有涉及的函数都被定义为 分段连续的非负有界实函数，而且是周期为有限值的周期函数。当处理这样 的函数集时，假定它们周期的最小公倍数为有限值，即它们的周期相同。 对于符合上面基本假设的周期函数，它的傅立叶频谱为： 1 r ， ) ；l j m - r ，( f ) p 1 “d t ，e o e r 。 ， 不妨假设变换器只由开关矩阵构成，它的输入函数为正( f ) ，这里矗( f ) 都是时间t 的连续函数，则变换器的输出为丘( t ) 。m ( t ) x 矗( f ) 。通常( f ) 是 一个具有无限带宽的非连续函数，因此大多数变换器的输出波形为方波或阶 梯波，不能产生平滑波形。可见变换器必需无功元件。但现代电路设计希望 去掉这些无功元件以减小体积，因此只能使变换器的无功元件越小越好。 湖南大学硕士学位论文 现在考虑一个单输出的变换器。它的期望输出变量l ( t ) 的傅立叶频谱 可以表示为：对于，。，有五) = 0 ，亦即输出变量具有有限带宽或输 出平滑。如果变换器实际输出变量满足如下条件：不等式i 正 ) 一丘 ) l c 对于频率万成立，这里s 是一个任意给定的无穷小量，且万，c ) 。，则 实际输出变量频谱和期望输出变量频谱在低频段只有一个任意无穷小量的差 异。因此可利用一个低通滤波器使得输出变量完全平滑，且滤波器的带宽 c o f 满足条件6 。 c f 万。可见滤波器带宽由万决定，如果能使上面不 等式对万很大时仍然成立，则可将滤波器设计得很小。 定义：如果对一组给定的输入函数集正( f ) e ( f ) m _ 。和任意给定的一个 参数对( ，万) ，总能找到合适的开关调制函数m ( t ) ，使得不等式 i 五( ) 一无 ) i 0 s a l s a 2 s b l s b 2 ( b ) i l 0 图2 - 8 四步换流时序图 由上面的分析可知，换流所采用的开关顺序是由负载电流的方向确定 的，因此这要求在换流时刻能准确得知电流的方向。常用的方法是采用电流 传感器直接测量电流值，但传感器通常都有传输延时，有时还受外界干扰信 号的影响。文 6 】中提出采用一对快恢复二极管串联在负载回路，这两个二 极管能导通极大的电流，通过监视= 极管电压降( 典型值为2 v ) ，就可得 知负载电流的方向。这一方法简单可行，但增加了两个晶体管，也同样增加 了导通损耗，使得整个变换器效率下降。文 1 2 1 进一步提出监视双向开关本 身的两个反向阻断二极管的电压降，从而获得负载电流的正确方向。这一方 法没有增加主回路的元器件和损耗，只是控制电路略有增加，是一种理想的 方法。 但是，四步换流法也有一个缺陷，就是它换流所采用的开关顺序完全由 负载电流方向确定。一旦获知错误的电流方向信息，将导致负载开路和电源 湖南大学硕士学位论文 短路。在电流波形偏离零点较远的时候，电流方向信号不容易出错，但当电 流接近过零点时，出错的可能性大大增加。而且，换流策略要求电流方向在 换流期间( t 1 一t 4 ) 不能变化方向，但电流过零时是有可能在换流期间变化 电流方向的。最简单的锯决方法是在电流过零点( 或者说电流方向不确定区) 附近设立一个换流死区，在死区内不进行换流。直到重新进入电流方向确定 区后，依然按新的电流方向进行换流控制。由于死区设立在负载电流过零点 附近，电流幅值很小，由此导致的电感负载感生电压比较小，没有什么危害。 ( a ) 电路原理图( b ) 换流管的确定示意图 图2 - 93 妒蚴变换器三步换流示意图 2 3 3 三步换流法 另一种换流策略是在换流期间插入一个死区时间【1 5 | 【l “，以图2 - 9 为例进 行说明。输入三相电源v 1 、v 2 、v 3 为标准三相正弦电压源。可将三相电 压按他们彼此的大小分为六个相区，在任一相区，三个电压源中有一个总是 最大值，而另一个则为最小值。将最大幅值相的反向开关和最小幅值相的正 向开关称为换流管，这两个换流管不受控制策略的限制，只考虑三相输入电 压源的幅值变换而不断进行轮换，如图2 - 9 ( b ) 所示。设现在输入三相电 压处在第一相区，负载电流由v 1 提供，电流方向如图所示，则这时导通的 开关有s a l ( 电流通路) s a 2 ( 反向换流管) 和s b l ( 正向换流管) ，由于 v 1 电压高于v 2 ，电压源v 2 经s b l 、s a 2 和电压源v 1 之间的短路回路实 际上是不会有电流流过的。当由于控制策略要求将电流换到v 3 时，先将正 向导通管s a l 关断，这时电流流经s b l ；然后再将s c l 导通，同样由于v 3 电压高于v 2 ，不会形成短路电流回路。可见换流实际上只经历了三个步骤。 兰三兰堑堕銮堡矍蔓查三堡堕矍 如果电流流向正好和图示相反，可得到类似的结果。换流的开关顺序可以用 下面的换流时序图2 1 0 表示。 2 4 矩阵变换器的滤波电路和保护电路 2 4 1 矩阵变换器的滤波电路 矩阵变换器能产生正弦输出电压和正弦输入电流，但是实际的瞬时输出 电压和输入电流并不一定是标准的正弦波，而只是他们在一个采样周期中的 平均值为标准正弦波。通常输出电压和输入电流都是p w m 调制波，含有谐 波分量。因此，必须经过滤波才能获得期望的正弦量。由于变换器所带的一 般为阻感性负载，负载本身可起到滤波的作用，因此输出端一般不再单独设 立滤波电路。但输入端必须再附加滤波元件。 由于采用p w m 控制策略，变换器通常的输入电流谐波是比较小的，滤 波元件也可取得比较小。如果要进一步减少谐波含量，一个通用的办法是提 高变换器的开关频率。但是，开关频率的提高也意味着变换器的开关损耗增 加，效率降低。因此在提高开关频率和减小滤波元件的两者之间必须综合考 虑，去寻取一个最优解。 滤波器电路各种各样，可采用单调谐的，也可采用多调谐的f 1 0 l 。但最常 用的还是单调谐低通l c 滤波器，如图2 2 所示。这时需要三个电感和三个电 容，为了减少滤波器的体积，文1 7 提出了一种只采用两个铁心电感器的滤 波器的新方法。它的滤波效果与三电感时类似，但体积减小1 3 。 湖南大学硕士学位论文 确定l c 滤波器参数时，需要考虑多方面的因素： 滤波器的截止频率f 1 7 】，它不应高于希望滤除的最低次谐波频率，通常 变换器最大的谐波分量出现在开关频率或其边带频率上( 取决于开关频率的 大小和变换器控制策略) ，例如，若采用开关频率为5 k h z ，则截止频率一般 取为2 3 k h z 。 滤波器对变换器输入功率因数的影响【1 8 l ，滤波电容导致了一个无功电 流的产生，使得变换器功率因数下降。通常希望在变换器轻载且加上滤波器 运行时，变换器的功率因数不低于期望值( 一般为0 9 5 以上) 。 滤波器对变换器输入端电压的影响1 1 8 】，滤波电感串联在变换器与电网 之间，感抗必然导致一定的电压降，这也导致了输出电压的降低。 这几个因素是互相关联的，功率因数要求电容越小越好，为了保证截止 频率，就导致了电感的增大，与输入端电压要求滤波电感变小正好相反。因 此在设计参数时，需协调这些不同因素的制约，去获取最优解。一个典型的 设计范例是：一台1 0 k v a 的变换器，开关频率为5 k h z ，要求功率因数在9 0 的功率范围内不低于0 9 ，滤波器截止频率不低于2 k h z 。选取滤波器的参数 为：电容6 l - tf , 2 5 0 v a c ，电感l m h ，1 6 a 。可以验证，它的截止频率为2 0 5 5 h z ， 无载电流为0 4 3 a ，在1 0 功率输出时功率因数仍高于0 9 ，输入电流基波时 电感感抗为0 3 1 4 q ，额定电流时的电压降为4 4 v ，是额定电压的2 。取得 良好的滤波效果。 2 4 2 矩阵变换器的保护电路 矩阵变换器采用全半导体器件，而半导体对过电流、过电压特别敏感， 因此有必要对变换器进行过电流过电压保护。 矩阵变换器产生过电压的原因主要有： 电源加压过程。变换器由非工作状态转入工作状态时，电源电压忽然 加在变换器的输入端，由于输入端l c 滤波器的感生作用，导致了高电压 的产生，幸运的是，这一过程可以事先预测到并计算出过电压的大小： 变换器停止工作时，所有开关都被关断，这时在感性负载中产生一个 感应过电压，但这时的过电压也是可以计算出来的： 变换器运行过程中电网电压的波动，或开关管触发电路出现不正确触 第二章矩阵变换器基本工作原理 发使得负载断路，也将产生过电压，这时的过电压是无法预测并计算出来的。 矩阵变换器产生过电流的原因主要有： 由于控制或触发电路的故障使得各个开关管出现短路回路； 在变换器出现过电压时，有时会由于存在电流回路而导致过电流； 当负载参数出现忽然显著变化时，可能导致过电流的产生。 合上电源产生过电压的过程，实际上是r l c 回路串入一个电压源的响 应过程，求解这个二阶微分方程，就可得到它的响应情况。众所周知，这一 响应过程由于电路参数：滤波器的临界电阻r k 的不同而不同。如果电路阻 抗r c r 。，将出现一个谐振暂态过程，产生过电压。因此，最理想的抑制 过压方法是减小临界电阻，使得r ，取而免于谐振。但是如的减小要受到 滤波器自身要求的制约而不能有多大的变化。文 1 9 1 提出在电网和输入滤波 器之间串入一个阻尼电阻的方法，同样使得r ，r k 而免于谐振。当变换器 进入稳态工作时，阻尼电阻被一个电流继电器的触点短接，避免了功率损失。 对于其他情况出现的过电压和过电流，由于不能预测和计算，只能采用 钳位电路钳制过电压，并提供过电流分流支路减少过电流。常见的做法是在 输入端和输出端各接入一个三相整流桥，再并接在一个钳位电容上。如图2 - 1 1 所示。这一电路的缺点是它增加了1 2 个快恢复二极管，使得整个变换器电 路变得复杂。文 2 0 ，2 1 】提出了种只采用6 个二极管的钳位电路，仿真与 实验证明了它具有同样的保护效果。是一个理想的保护电路。 u i b 。一 ， 商赢。孟 0 厂、 i - r b 、 彩 ， 厂、 i石。 石 i c 、 秽i 面名名 7 i 、 ，i b 、 i c l u本本本l 士士本、 喇t 丰丰f 图2 一l l 矩阵变换器二极管桥钳位保护电路图 湖南大学硕士学位论文 第三章矩阵变换器电压控制策略及其改进 根据对矩阵变换器控制目标为输出电压或输出电流的不同，可将变换器 各种控制方法分为电压控制法和电流控制法两大类。电压控制法以变换器输 出电压为控制目标( 通常要求为对称正弦量，但也可为直流量甚至其它任意 波形) 。目前已知的控制方法大多属于电压控制法。主要有：v e n t u r i n i 控制 法、双电压合成法、陈氏合成法、空间矢量法。 根据变换器合成输出电压时有无中间虚拟直流环节可将它们分为间接法 和直接法两大类。间接法通过一个中间虚拟直流环节分两步合成输出电压， 空间矢量法可归入此类；而直接法则由输入电压直接合成输出电压，v e n t u r i n i 法、陈氏合成法和双电压法属于直接法。 根据参与合成输出电压时输入线电压的个数，可将它们分为三类：单电 压法指采用一个输入线电压来合成输出三相电压；双电压法指采用两个输入 线电压来合成输出三相电压，陈氏法、双电压合成法和空间矢量法都属于此 类；三电压法指采用三个输入线电压来合成输出三相电压，标量控制法和 v e n t u r h a i 法属于三电压法。 本章主要讨论矩阵变换器的电压控制策略，在分析了它们的基本工作机 理之后，提出了单电压合成法以及基于空间矢量法的几种改进控制策略。 3 1v e n t u t i n i 控制法 1 9 8 1 年，数学家a l b e r t oa l e s i n a 和电力专家v e n t u r i n i 两个人合作，提 出矩阵变换器基于高频合成的严格数学证明，并描述了第一个矩阵变换器实 用控制策略【3 】，不妨称之为v e n t u r i n i 控制法。正是由于这一方法的提出，才 使得矩阵变换器的实现成为真正可能。其它所有控制方法都是在对v e n t u r i n i 控制法进行改进或针对它的局限性而推导出来的。下面就这一方法进行详细 地论述。 3 1 1 基本v e n t u r i n i 控制法 由电力变换器数学分析可知，对矩阵变换器的控制就是找到并实现一个 符合要求的开关调制矩阵m ( f ) 。设变换器的输入电压和输出电流分别是： 第三章矩阵变换器电压控制策略及其改进 卟即憾剖卜卧七麟划 u 。= i ； = u 。 ：i 蒌；芝：； - 。4 i 12 “ ：；嚣三i i j ? ；耋； 其中c o ：、c o 。分别为输入和输出端的角频率；蛾、疵分别是输入端的功率因 u 。zm ( f ) u 。i 。= m 7 ( t ) x i 。 ( 3 1 ) 由于方程( 3 - 1 ) 的系数矩阵各项都是三角函数，可以自然地推测m ( f ) 的各个元素也都由三角函数组成。进一步推测，由于四个矢量v f ，v d ，i ：， i 。的运算导致了角频率为( 。4 - 0 ) 。) 的三角函数的出现，m ( t ) 各元素中也可 m c 。2 d 薹茎d 茎d + 差薯h 芝 c s 之， m = 卜d ，d ：h 玛啊l 3 - 2 ) i 。 ， 。li 吃 啊 ：f 其中d t ；晏【1 + 2 q c o s ( q r + ( 七一1 ) 1 2 0 。) 】 魄；罢 【l + 2 q c o s ( c o ：f + ( 七一1 ) x 1 2 0 6 ) 】 p 。、p