（电力系统及其自动化专业论文）基于空间矢量调制的矩阵变换器研究与实现.pdf

a b s t r a c t a sa na c a cp o w e rc o n v e r t e r , m a t r i xc o n v e r t e rh a sb e e nm o r ea n dm o r e a t t r a c t i v et op o w e re l e c t r o n i c si n d u s t r yd u et oi t sn u m e r o u sm e r i t s ，s u c ha ss i n u s o i d a l i n p u t o u t p u tw a v e f o r m s ，c o n t r o l l a b l ei n p u tp o w e rf a c t o r ，p o w e rr e g e n e r a t i o na n dl a c k o fb u l k ye n e r g ys t o r a g ec o m p o n e n t s r e c e n t l y ，m a t r i xc o n v e r t e rs t i l lr e s to nt h e t h e o r ya n de x p e r i m e n ts t a g e t h i sp a p e ra i m st od e s i g na n di m p l e m e n te x p e r i m e n t s y s t e mo ft h es p a c ev e c t o rm o d u l a t e dm a t r i xc o n v e r t e rb a s e do nd s p ，h o p i n gt ob o o s t t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fm a t r i xc o n v e r t e ra st h en e x tg e n e r a t i o nc o n v e r t e r t h i sp a p e rs e t so u tf r o mm a t r i xc o n v e r t e rt o p o l o g y ，a n a l y z e sa n dd e d u c e sm a t r i x c o n v e r t e rc o n t r o lp r i n c i p l e sa n dm o d u l a t i o nt h e o r i e s ，a n ds u m m a r i z e st h es w i t c h i n g c o m b i n a t i o nf u n c t i o n sb a s e do ns p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n b ya d o p t i n gc o m p u t e r s i m u l a t i o nm e t h o d ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo fm cc o n t r o ls y s t e mi sb u i l t c o n t r o l t h e o r y ，i n p u t o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ei n f l u e n c e so fi n p u tf i l t e rp a r a m e t e r st ot h e s y s t e mp e r f o r m a n c e sa r es t u d i e dt h r o u g hag r e a td e a lo fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，a n d p h a s es h i f tp r o b l e mo fi n p u tc u r r e n ta r o u s e db yf i l t e ri sc o m p e n s a t e d b a s e do nt h er e s e a r c h e so ft e c h n i c a l i s s u e s ，s u c ha st h er e a l i z a t i o no f f o u r - q u a d r a n ts w i t c h e s ，s a f e t yc o m m u t a t i o n ，i n p u tf i l t e rd e s i g na n dp r o t e c tc i r c u i t s d e s i g n ，as c h e m eo fm cc o n t r o ls y s t e mi sp r o p o s e d ，w h i c hi se a s yt ob er e a l i z e db y s o f t w a r ea n dh a r d w a r e b yu s i n gt h eh i g hp e r f o r m a n c e3 2 b i t sd s pt m s 3 2 0 f 2 812a s m a i nc o n t r o l l e ra n dc y c l o n ef p g ap r o d u c e db ya l t e r aa sc o p r o c e s s o r , t h ec o n t r o l s t r a t e g yo fs p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ，s w i t c h f u n c t i o n s y n t h e s i sa n df o u rs t e p c o m m u t a t i o na r es u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n t e di n t op r a c t i c a ls y s t e m t h eh o l i s t i ce x p e r i m e n ts y s t e mo fm a t r i xc o n v e r t e ri ss e tu p ，t h ei n p u ta n do u t p u t c h a r a c t e r i s t i c sa r et e s t e db ye x p e r i m e n t a sar e s u l t ，i d e a le x p e r i m e n tr e s u l t sa r e o b t a i n e d ，c o n t r o l l a b l ei n p u td i s p l a c e m e n tf a c t o ra r ea c h i e v e d ，a n df r o mt h e e x p e r i m e n t a la s p e c t ，t h ef e a s i b ili t yo fs y s t e md e s i g ns c h e m ei sv a l i d a t e d k e yw o r d s ：m a t r i xc o n v e a e r ，s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ，d s p ，p u l s ew i d t hm o d u l m i o n ， b i d i r e c t i o n a ls w i t c h ，c o m m u m t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得墨注盘望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：吾i 丢彦 签字吼矽。7 年9 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：诩去证 签字日期：汐审年7 月季日 新签名：勘 签字日期： 砷年7 月 ，日 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着电力电子技术、微电子技术和控制技术的迅猛发展，使得实现能量转换 的电力电子变换器在电力、机械、冶金、化工、交通运输、人民生活等各个领域 获得了广泛的应用，不仅产生了明显的节能效果，而且也给各行各业带来显著的 综合效益，例如提高工效及产品质量、改进生产工艺、改善工作环境等。目前， 各种电力变换器的应用程度和发展水平已经成为衡量一个国家电气化发展水平 的一个重要标志。 然而，随着接入电力系统的电力电子装置数量及容量急剧增加，从小容量的 家用电器到交直流调速传动的各类大中容量静止变流装置，以及感应加热、电弧 炉、电化学生产等大容量负荷，它们一方面从电网吸收大量的无功功率，影响电 网的频率和电压稳定性；另一方面也向电网排放了大量的谐波电流，引起电网电 压畸变，同时也使传统的无功补偿问题复杂化。因此电力谐波对电能质量影响的 日益恶化，引起了人们广泛的关注和重视。 目前，解决上述问题的方法一般可分为两种，一种是在电网中投入大容量的 电力滤波器和无功补偿器来补偿谐波和无功功率；另一种是开发高功率因数和低 谐波含量的新型功率电子变换器f 1 1 1 2 。其中，无功补偿和有源滤波虽然是目前主 要的防治手段，但从本质上它是一种先污染后补救的方式。因而，研制优良性能 和高品质的功率变换器，使其能够实现可控的功率因数和较低的谐波污染，则是 一种比较积极的“治本”方法【3 1 。近年来，倍受国内外关注的矩阵变换器以其输 入功率因数可调、电流谐波畸变小、无中问直流滤波电容，能量再生等显著特性， 迎合了上述需求，成为电力电子技术领域的研究热点。 1 2 矩阵变换器的结构和特点 矩阵变换器是一种从任意n 相输入到任意p 相输出的电力变换装置，其学术思 je h l g y u g y i 和b p p e l l y ：在1 9 7 6 年提出1 4 1 。目前，三相三相矩阵变换器最 具研究意义，其电力变换主电路如图1 1 所示，可实现三相到三相的直接交交变 换。矩阵变换器由九个双向开关元件组成，每一输出相都通过一个双向开关与三 第一章绪论 相输入分别相连。通过采用一定调制策略，对这些功率元件进行通断控制，就可 实现对变换器输出电压和输入电流同时调制。 图卜1 三相一三相矩阵变换器电力变换主电路 矩阵变换器以其先进的拓扑结构，与交直交变换器相比，具有以下显著优 势【5 】： l 、矩阵变换器可调制出正弦输入电流、输入功率因数可近似为l ，且与负载 特性无关，满足对电网无污染要求。 2 、矩阵变换器的输入电流畸变率低，位移因子正负可调，可作为无功功率 补偿装置，对电网侧进行无功功率补偿。 3 、采用交一交直接变换，使用四象限开关，能够实现带各类机械负载的四象 限运行，满足生产设备对传动电源的要求。 4 、矩阵变换器输出产生的共模电压及其大幅波动产生的共模电流较交直一 交变换器均大大降低，减少了e m i 辐射，可改善电动机与传动电源之间的电磁 兼容性。 5 、矩阵变换器无中间直流环节及相应的滤波电容，动态响应快，传输能量 密度大，体积小。 由此看出，矩阵变换器是一种控制性能优良，且可解决电力公害问题的新型 变频电源。目前，针对矩阵变换器的研究引起了国内外电力电子行业的广泛重视， 可以预见在未来几年中，这种变换器很有可能取代交直交变换器成为下一代新 型电力变换器。并且，随着研究的深入，矩阵变换器以其独特的优势极有可能发 展成为通用的电源变换器，成为主电路和控制系统均高度集成化的产品，开拓新 第。章绪论 的变频器时代。因此对矩阵变换器进行深入的理论和实验研究是极具现实意义 的，必定会给节能、电气传动及高性能交流伺服控制等领域带来深远影响，产生 巨大社会效益及经济效益。 1 3 矩阵变换器的发展及研究现状 矩阵变换器的硬件特点要求具有大容量和高开关频率而且具有双向阻断能 力的功率器件，同时由于控制方案的复杂性，还要求具有快速处理能力的微处理 器作为控制单元。而这些硬件条件在上世纪七十年代是难以满足的，因此早期的 矩阵变换器研究大都处于理论研究阶段。1 9 7 9 年，m v e n t u r i n i 和a a l e s i n a 提出 矩阵变换器存在理论促进了矩阵变换器的迅速发展。他们在理论上证明了m 相输 入、n 相输出的矩阵变换器的实现条件，同时提出了一个矩阵变换器实用控制策 略，称为v e n t u r i n i 调制法。这种控制策略虽然解决了矩阵变换器的谐波问题，但 存在着变换器电压传输比小于0 5 的缺陷1 6 儿7 | 。 为了解决m v e n t u r i n i 控制方案的不足，一些学者在对矩阵变换器进行一系 列深入研究基础上，从各自的角度提出了许多不同的控制方案，并通过实验样机 得到了验证。这些研究工作基本克服了v e n t u r i n i 调制法的缺点，在输出电压传 输比、输入功率因数和输入电流品质等方面都取得了很大的改善和提高，但仍存 在明显的缺陷，如p d z i o g a s 的方案输出频率限制在3 0 0 h z 以下，还有些控制 方案的效率不够高等。 1 9 8 9 年，南斯拉夫l h u b e r 教授和美国的d b o r o j e v i c 教授联合提出了空间矢 量调制法。该控制策略通过一个虚拟的直流环节，将矩阵变换器的交交直接变 换虚拟成交直和直交变换，通过采用高频整流和高频逆变p w m 波形合成方法， 实现输入电流空间矢量和输出电压空间矢量的同时调制。采用空间矢量调制法的 矩阵变换器，电压传输比最大为0 8 6 6 ，并具有输入功率因数可调且与负载性质 无关等特点。并于1 9 9 5 年，首次采用该控制策略，由d s p 芯片t m s 3 2 0 e 1 4 作为 控制器，成功研制了2 k w 的实验样机，实现了0 - 1 6 7 h z 的输出频率范围及0 9 9 以上的输入功率因数瞵j 。 19 9 1 年日本学者a i s h i g u r o 和t f u r u h a s h i 提出的输入双线电压瞬时值法 9 1 ，控制原理是任一时刻输出电压由两个输入线电压合成。该方法当输入电源不 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不够稳定的场合。但是由于该策略本身无法实现对输入功 率因数的控制且实现困难，因而该方案的广泛应用受到了限制。 另外，韩国学者w h k w o n 和g h c h o 也提出了一种控制方案。由于其 3 第一章绪论 “逆变器”部分由一个宽频带的闭环电流控制系统进行控制，使系统稳态时负载 功率谱仅含有一种直流电平的高频脉冲分量。该技术被作者成功地应用于一台 3 0 h p 伺服交流感应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i 1 0 1 。 近十年来，人们已经在原有控制策略基础上提出了许多改进方法，比如乌克 兰学者e m c h e k h e t 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j ，在调制过 程中不使用零矢量，不仅减少了开关的换流次数，而且还提高了输出输入电压增 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 提出了 一系列矩阵变换器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 1 2 1 ：美 虱w i s e o n s i n m a d i s o n 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【i 引。 国内学者对矩阵变换器的研究始于二十世纪九十年代。当时南京航空航天大 学庄心复教授和穆新华副教授首先开始了矩阵变换器的研究，对矩阵变换器的双 电压瞬时值控制策略技术进行了详细分析，提出了原点开关的概念。使用单片机 实现了原理样机的研制。当时采用双空间矢量调制方法，驱动旋转了一台异步电 机，为矩阵变换器的实验研究积累了经验，从原理上验证了矩阵变换器的特点l l 引。 经过多年的努力，在控制方法的理论研究、控制策略的改进和仿真分析等方 面取得了许多理论成果，逐步跟上国际发展的水平。 浙江大学的贺益康教授提出了将矩阵变换器应用于变速恒频风力发电系统 中，并在矩阵变换器供电的变速恒频交流励磁风力发电机定子磁场定向的矢量控 制系统模型基础上进行了仿真计算。结果表明，应用矩阵变换器作为交流励磁电 源，不但能满足交流励磁变速恒频发电所需的功率双向流动，而且具有良好的输 入、输出特性【l 引。 清华大学的黄立培教授等人研究了用于异步电机调速的矩阵变换器，通过数 字仿真研究，对矩阵变换器在输入电压不平衡、含有第k 次谐波、瞬时跌落等非 正常情况的运行性能进行了分析，提出了一种基于调制系数补偿的改进p w m 算 法，改善了矩阵变换器的输出特性【l 引。2 0 0 6 年，清华大学采用新型双向开关 r b i g b t 成功研制矩阵变换器实验样机，实现了异步电动机恒压频比控制【l 丌。 目前，国内外学者对矩阵变换器的研究进入了一个新的阶段，开始着手解决 矩阵变换器的双向开关元件实现技术、安全换流方式、输入滤波器和保护电路设 计等关键技术问题，并对矩阵变换器的应用前景进行了探索。 2 0 0 1 年，一种新的双向开关形式h 桥型开关被提出，其主要特点就是可 以多电平输出，提高矩阵变换器的电压传输比【硌】。近年，一种适用于矩阵变换器 的双向开关元件r b i g b t 研发成功，其由两个r b i g b t 反并联构成，是一种具有 4 第一章绪论 反向阻断能力的新型功率半导体器件，该开关与共集电极和共射极反相串联开关 相比具有更低的通态损耗圳。 对于矩阵变换器的安全换流方式，各国学者研究出多种换流方式，主要包括 基于死区延时的三步换流、辅助谐振换流、基于负载电流检测的两步换流和四步 半软换流，以及两步半自然换流【2 0 l 。其中一些换流方式由于逻辑关系清晰、控制 功能相对独立，目前可采用可编程逻辑器件f p g a 或c p l d 给予实现。 近年来，随着对矩阵变换器的深入研究，国内外学者获得了大量的理论成果 和实验结果，逐渐开始了基于矩阵变换器的开关电源，交、直流调速系统的研究。 2 0 0 4 年，美国军事研究实验室( a r m yr e a c hl a b o r a t o r y ) 使用6 0 0 a 、1 4 0 0 v 的i g b t 构成的矩阵变换器，实现了l5 0 k v a 感应电动机矢量控制系统实验样机设计，为 矩阵变换器在电动车辆研究领域开辟了广泛的应用前景1 2 。2 0 0 6 年，泰国、韩 国和印度的几位学者对三相矩阵变换器结构进行简化，并将高频变压器引入其 中，构成a c d c 矩阵变换器，设计实现了1 5 k w 通信基础开关电源，展现了矩阵 变换器在开关电源领域的发展潜力1 2 引。 到目前为止，国内外学者对矩阵变换器进行了近3 0 年的研究，但矩阵变换 器的研制与应用还停留在理论研究和样机实验阶段，尚未形成实用化的成熟产 品，究其原因，除了双向开关元件实现、安全换流及调制策略等具体技术实现问 题外，制约其在工业方面应用的主要问题是矩阵变换器最大的电压传输比仅能达 到0 8 6 6 。 针对矩阵式变换器研究中存在的上述问题，本文在国内外现有的研究基础 上，进一步对空间矢量调制策略进行深入研究，主要注重其实现技术问题，研制 实验样机，改变目前国内多为计算机仿真研究的现状，完善矩阵变换器的实现方 式。 1 4 论文的主要研究内容 本文在深入研究矩阵变换器空间矢量调制策略基础上，设计实现基于d s p 控制的矩阵变换器实验系统。采用仿真与实验相结合的方法，对变换器的工作特 性以及关键技术问题进行讨论，论文主要围绕以下问题展开： 1 、研究矩阵变换器空间矢量调制原理、建立仿真模型。从矩阵变换器控制 原理出发，推导空间矢量调制策略的等效交直交结构理论基础，研究调制函数 的高频p w m 合成原理。借助m a t l a b 软件，分析矩阵变换器拖动阻感负载时的 输入、输出特性。 2 、设计实现基于空间矢量控制的矩阵变换器控制器。将矩阵变换器的空间 第一章绪论 矢量调制算法进行合理的功能划分，采用d s p 为主控制器、f p g a 为协处理器 的结构，对空间矢量调制策略的软件算法和外围硬件电路进行设计和实验调试。 3 、研究矩阵变换器研制过程中的关键技术问题。利用计算机仿真和硬件实 验等手段，对矩阵变换器的双向开关元件实现、安全换流、输入滤波器和保护电 路设计等问题进行研究，为矩阵变换器整体系统的搭建提供优化的器件参数。 4 、设计实现基于空间矢量控制的矩阵变换器整体实验系统，以三相感性负 载为被控对象，对矩阵变换器的输入输出特性进行深入实验测试，给出实验波形， 进行实验结果分析。 6 第二章矩阵变换器空间矢量调制原理 第二章矩阵变换器空间矢量调制原理 1 9 7 6 年，在强迫换流和周波变换器基础上，矩阵变换器的拓扑结构被首次 提出。随后，其实现条件也得到了严格的数学证明。目前，最具研究潜力的是三 相三相矩阵变换器，其结构简图如图2 1 所示。它由九个双向开关元件组成， 通过对这9 个开关元件进行逻辑控制，就可达到对电源电压、频率进行直接变换 的目的。 矩阵变换器付诸实现的首要问题就是要寻求一个既易于实现又满足“输入相 不能短路、输出相不能开路”条件的开关调制矩阵。到目前为止，国内外学者已 经提出了多种控制方法，一般可被分为直接控制和间接控制两种方法。其中，南 斯拉夫学者h u b e r 和美国教授b o r o j e v i c 基于空间矢量调制法设计实现的矩阵变 换器样机，由于具有输入电流为正弦、输入功率因数为1 ，输出电压幅值、频率 独立可调等理想的电气性能，使得空间矢量调制法( s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ) 成 为矩阵变换器的主流控制策略。 0 图2 - 1 三相一三相矩阵变换器结构简图 2 1 矩阵变换器控制原理及调制策略 2 3 - 2 7 1 从图2 - 1 可以看出，矩阵变换器由电压源供电，而输出通常连接具有电流源 性质的感性负载，因此对变换器开关元件的控制要满足输入不能短路，输出不能 断路的约束条件。如果将图2 l 中元件嘞的开关函数趴定义为 7 第二章矩阵变换器空间矢量调制原理 矿 罐鬈 川郇印a c ， ， 则“输入不能短路，输出不能断路”的约束条件可表示为 s j 口+ s p + s 声= 1 j 彳，b ，c ) ( 2 2 ) 由上述约束条件，三相三相矩阵变换器共有2 7 种开关组合，如附录1 中表 2 1 所示。按照图2 1 中定义的电流、电压参考方向，这2 7 种开关组合根据输出 线电压和输入棚电流状态可被划分为3 组，分别为： l 、输出相分别连到不同的输入相，6 种； 2 、输出相中有两相被短接，1 8 种： 3 、所有输出相被短接，3 种。 由表2 1 及矩阵变换器的拓扑结构，可直接推导得到矩阵变换器的输出线电 压与输入相电压、输入相电流与输出线电流的数学关系为： v 以= 莲 = l 三s ：c a 三三兰三s ：c b 三三 - g 兰a b 要s ：c c 三三兰 差； = 乃忱c 2 3 )l v 翻j s 一口 一 一s 加jl v p o j 屯= 差 = 7 磊 羞 = 7 盘也 ( 2 4 ) 其中，矩阵t p h l 为三相三相矩阵变换器的瞬时开关函数。 采用p w m 调制技术，当开关频率瓤时，则在开关周期瓦= 1 石内，开关函 数暾的平均值即为开关薄旌开关周期内导通的占空比礅( os 礅冬1 ) 。这样，公 式2 1 2 4 在一个开关周期内的局部平局值可表示为 0 矿肚1 ， j a ，b ，c ) ，k 口，b ，c ) d j 。+ d p + d 声= 1 ， j 么，b ，c ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第二_ 章矩阵变换器空间矢量调制原理 其中， d a o d b 口d 曲一d 酤 t e h l = db a d c n db b d c b 0 c d d a 口d c b d 舳 若将输入相电压表示为， 其中，为输入相电压峰值，为输入角频率。 将输出线电压在单位开关周期内的平均值表示为正弦形式，将其写为 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 的形式。其中，为输出相电压的峰值，c o 。为输出电压角频率，纸为输出相电 压的初相位。 那么，开关函数矩阵可用下式表示： ( 2 1 2 ) 其中，所称为调制度，且0sm 1 ，够为任意角度的输入功率因数角。且有 ：鱼2 m c o s ( 仍) ( 2 1 3 ) 同理，由于变换器输出接感性负载，输出线电流为正弦，将其设为如下形式： 9 1，j 规 艮 舭咄屯“ 一 一 一 加 o“k 如 0 o ) 2 2 一 + 州 0 o 。l i | 砌 1“川“0 ，烈烈 n u 一 卜 如 一 + 矿旷织“ 卜 纯咿嘿嘿| ；她呱 硌 於 仪 吃 压 占 c d一一k一场 = 一 仍o 邓厂+ _ 弘 依仍 缈 一 一 杖0 0 嘶蛾慨 如 一 + 舻旷“ 一 d o铲嘞他酬 珊 一乃 第二章矩阵变换器空间矢量调制原理 ( 2 1 4 ) 其中，厶忉为输出相电流的峰值，吼为输出频率六下的负载阻抗角。 将公式2 1 2 和2 1 4 代入公式2 8 ，可以得到单位开关周期内的输入相电流的 平均值 其中， _ l ，砌：鱼2 l m - c o s ( 眈) 。( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 通过上述推导可知，在选取的开关函数为公式2 1 2 所示形式时，矩阵变换 器可调制得到正弦的输出线电压和输入相电流，输入的功率因数可调且与 负载特性无关。同时，矩阵变换器满足输入、输出有功功率相等这一关系，即 z 善委乙c o s ( 仍) ：i 3 t o ，。 ) 量( 2 1 7 ) c o s ( 0 p o z 善丢乙c o s ( 仍) = i ，。所) 量 ( 2 此外，由公式2 1 3 可知，当输入功率因数为l ，即c o s ( 红) = 1 ，且调制度m = l 时，矩阵变换器最大的电压传输比为4 3 2 = o 8 6 6 。 从上述矩阵变换器的控制原理可以看出，矩阵变换器控制策略的关键就是实 现公式2 1 2 到公式2 9 的变换。为了解决这一问题，国内外专家学者提出了多种 调制策略，如v e n t u r i n i 控制法、瞬时双电压法、空问矢量调制法等。这些方法 根据变换器合成输出电压过程中有无中间虚拟直流环节，可被分为直接控制法和 间接控制法两种。 1 、直接控制法 直接控制法由输入电压直接合成输出电压，主要包括v e n t u r i n i 控制法、瞬 时双电压法等。 v e n t u r i n i 控制法是意大利学者v e n t u r i n i 和a l e s i n a 联合提出的第一个矩阵变 l o o 0 o p 如 一 + 矿旷 缈+ + 一 叩叩旷嘞嘞劬 0 o 丝压 k 一压 i | ，k o 0 ) 2 2 够 哪叩叩 殴0 麟 他 o o = 第_ 章矩阵变换器空间矢量调制原理 换器实用控制策略。它采用三个输入线电压对输出线电压进行合成，具有统一的 开关占空比计算公式。当输入电压发生畸变时，该方法可动态计算开关占空比， 使输出电压能保持正弦。但v e n t u r i n i 控制法由于存在电压传输比小于0 5 ，且开 关策略要求变换器在单位开关周期内换流1 2 次，元件损耗大、开关频率高等缺 陷，限制了该方案的广泛应用。 1 9 9 1 年，日本学者a k i ol s h i g u r o 等人提出了一种新的控制方法，称为“瞬 时双电压法”。它的基本思想就是每一个开关周期内的输出电压均南输入线电压 的瞬时值来合成，而参与合成的输入线电压的占空比与输入电压幅值成正比。该 方法在输入电压发生畸变时，不仅可实时调节开关的占空比使输出保持正弦，而 且不增加额外计算量，抗干扰性能好。但是由于开关占空比的变化，该方法无法 确定最优的开关策略，因而实时控制不方便。此外，该策略下变换器的输入功率 因数也不便调节，虽然依靠引入参考输入电压可解决这一问题，但计算量增加较 大。 2 、间接控制法 间接控制法是通过一个虚拟的中问直流环节将输出电压的合成过程分为交 直变换和直交变换两部分。该方法的典型代表就是空间矢量调制。采用该调制 策略不仅可以运用成熟的高频整流和高频逆变p w m 波形合成技术，使变换器的 性能得到较大的改善，而且具有电压传输比最大可达到0 8 6 6 ，占空比计算量小， 方便结合电机负载进行矢量控制系统设计等特点。 下面将从调制原理和仿真实验两方面深入讨论矩阵变换器空间矢量调制策 略，为全文的研究奠定理论基础。 2 2 矩阵变换器空间矢量调制原理【2 8 - 3 4 1 将公式2 1 2 中的开关函数t p h l 用两个矩阵瓦( c o 。) 和，- - 脚t ( c o 。) 的乘积来表示， 则矩阵弱( c o ，) 与三相输入电压v 栅相乘后可得到一个恒值电压，即 - - 脚t ( q ) v 1 p h = 吾- c o s ( 仍) = 删盯 ( 2 1 8 ) 而该电压与瓦( c o 。) 相乘又可得到角频率为c o o 的三相交流电压。这一过程与 三相工频交流电经过整流得到一个直流电压，再进行逆变实现变频输出是完全相 同的。因此，矩阵变换器的空间矢量调制就是在上述原理的基础上，在交交直 接变换中引入个虚拟的直流环节，然后将熟知的v s i 和v s r 的p w m 技术应 第二章矩阵变换器空间矢量调制原理 用到矩阵变换器的控制中，从而构成等效的交直交结构，如图2 2 所示。 图2 - 2 等效v s r - v s i 变换 2 2 1v s i 输出线电压空间矢量调制 对于图2 2 的电压源逆变器v s i 部分，如果将瞬时输出线电压的空间矢量用 下式表示， = 詈( v 矿y 粥矿+ e - j 1 2 0 。) ( 2 1 9 ) 则在单位开关周期内，输出的三相线电压的平均值，即公式2 1 1 就被合成为幅 值为；、角频率为纯的旋转矢量，即 吒= 压p 舰也+ 3 矿 ( 2 2 0 ) 设v s i 部分的输入电源v 。= 。将逆变器8 种开关组合下输出的线电压转 换为空间矢量，则其在极坐标系下就可表示为6 个幅值为2 3 ，且方向固定 的空间矢量v l v 6 ，以及2 个零矢量v o 。6 个非零矢量将空间分为六个扇区，如 图2 3 所示，称其为空间矢量六边形。这样，在空间中以角频率0 9 口旋转的输出线 电压空间矢量砭，可以由其所在扇区的两个相邻矢量虼和吻，及零电压矢量v o 进 行合成，其合成方法如图2 - 4 所示。 1 2 第：章矩阵变换器空间矢最调制原理 v 。o l v c a v 。( p ，p ，p ) ( n ，n ，n ) ” 图2 - 3v s i 空间矢量六边形 图2 - 4v s l 空间矢量合成 设开关周期为t ，由图2 - 4 ，根据正弦定理，可得到相邻电压矢量圪、及 零矢量作用的占空比： 或= l t = m ，s i n ( 6 0 。一) d p = 乃l = m ，s i n ( 8 ) d ，= t o 。| 1s = 1 一d ，一d8 ( 2 2 1 ) 其中，氏【0 ，6 0 0 】为输出电压矢量合成偏置角，m ，为逆变器的调制度，且 0s 所。= ( 压v o m ) v 出s1 ( 2 2 2 ) 以输出线电压矢量位于第一扇区为例，根据图2 3 、图2 4 矢量合成过程 得逆变器输出的三相线电压平均值为 刚引一，慝牛 汜勘 在单位开关周期内，逆变器的输出线电压合成过程如图2 5 所示。 1 3 图2 - 5v s l 输出线电压合成 由于输出线电压矢量吒在第一扇区内，则有 氏= ( 眈f 一线+ 3 0 。) + 3 0 。，一3 0 ：c o o t - - c o o + 3 0 。+ 3 0 a ( 2 。2 4 ) 将公式2 2 4 代入2 2 3 ，则 阱，离磊酬协讹眩 其中，矩阵称为逆变器的开关函数。 而输入电流在乃内的平均值为 = 霜小孚帆。啷纯：c 删i ( 2 2 6 ) e兰譬：篡 出，当逆变器的输入电源为直流的时，经过开关函数调制 后，输出的线电压为公式2 1 1 中的三相正弦，而输入电流为恒定的直磊i 叫。 】4 第_ 幸矩阵变换器空间矢量调制原理 2 2 2v s r 输入相电流空间矢量调制 对于如图2 - 2 中电压源整流器v s r 部分，负载为直流电流源，设0 面。 与逆变器的推导过程类似，其空间矢量六边形及空间矢量合成如图2 - 6 所示。 ， ( b ，a ) 1 3 1 4 ( c ，a ) l c i o ( a ，a ) ( b ，b ) ( c ，c ) ( a )( b ) 图2 - 6 ( a ) v s r 空间矢量六边形及( b ) v s r 空间矢量合成 矢量合成过程中，相邻矢量l 、l 及零矢量作用的占空比为： d u = t u it s = i n c s i n ( 6 0 一9 s c 、) 或= 瓦正= m 。s i n ( 幺。) d o 。= t o 。l = 1 一d l , 一以 其中，纪为输入电流矢量合成偏置角，m 。为整流器的调制度，且 0 m 。= l i 出1 l ， l i p h ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 同样，以合成的输入相电流矢量k 位于第一扇区为例，在单位开关周期内， 输入相电流的平均值为 将 刚鞠。” 二篡斗 亿捌 & = ( 6 0 , t 一仍) + 3 0 ，一3 0 o g , t 一仍+ 3 0 ： ( 2 3 0 ) 1 5 第二章矩阵变换器空间矢量调制原理 代入到公式2 2 9 ，得到调制后输入相电流的表达式，其中为整流部分的开关 函数。 睁。k 黧纠小出、川 而v s r 的输出电压为 = 2 - - 煳t l y i p h - = 吾掰。c 。s 仍= c 。行鲥 ( 2 3 2 ) 从而，当整流变换的输出电流为恒定值匕时，经过开关函数取r 调制后，输 入相电流为公式2 1 5 中的三相正弦，而输出电压为恒定的直流。 经过上述逆变和整流部分空间矢量调制原理分析，由公式2 3 2 和2 2 6 可知， v s r 的输出电压和v s i 的输入电流在单位开关周期内的平均值为常数。因此，基 于空间矢量调制的v s r 与v s l 可被直接连接，从而构成图2 2 所示的等效交直 交结构。与此同时，将公式2 3 2 的矿。代替玩代入到公式2 2 5 中，则可得到与 公式2 1 2 相同的开关函数，其中珑= m ，。m 。 2 2 3 矩阵变换器空间矢量调制 矩阵变换器的空间矢量调制是在上述原理的基础上，将交一直和直交两部分 进行高频合成，从而消去中间直流环节，实现对输出线电压和输入相电流的同时 调制，其双空间矢量调制六边形如图2 7 所示，其中令整流部分的调制度聊产l ， 而逆变部分的调制度肼，= m 。由于v s r 和v s i 的空间矢量六边形分别有6 个扇区， 则矩阵变换器的电流、电压同时调制就存在3 6 种电流电压扇区组合。 以输出线电压和输入相电流矢量均位于第一扇区为例，由公式2 。2 5 和2 3 l ， 在单位开关周期内，公式2 1 2 中的开关函数矩阵b 。，为以下形式 rc 。s ( 氏_ 3 0 。) 1fc 。s ( 氏- 3 0 “) 7 珏胁卜箍州q 竺箍刊 q 3 3 1 6 i b l ( b ，a ) j 3 第章矩阵变换器空间矢量调制原理 l c ( a ) u c a ( b ) 图2 7 ( a ) 矩阵变换器的整流部分六边形及( b ) 逆变部分六边形 将公式2 2 1 和2 2 7 代入2 3 3 ，则公式2 7 的输出线电压为 嚣 = ：三 ：琴。r 区o y n 为v 口6 = v 。o v mv 。= v 。o 一，。o ，则在单位开关周期内， = 蚓屹性 而平均的输入相电流为 其中， ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) f 蓁 = 二 c 一。，+ f 一! 誊 c ，+ 二奠 c ，+ 菱 c 一如， c 2 3 6 ， d ，u = d ，dh = m s i n ( 6 0 j 一9 0 s i n ( 6 0 。一9 s 0 吆= d p 以2 聊s i n ( 氏) - s i n ( 6 0 。一氏) ( 2 3 7 ) 丸= 以玑= m s i n ( 6 0 ：一氏) s i n ( a s c ) 略= d a + d ，= m s i n ( a , ，) s i n ( p , 。) 1 7 墟 ， v 力 b c h一一场 一 一 第_ 章矩阵变换器空问矢量调制原理 通过比较公式2 3 5 和2 2 3 可以看出，当调制的输出电压、输入电流矢量均 位于第一扇区时，矩阵变换器的输出线电压是由在分别为v 口6 和的逆变器中 采用空问矢量调制得到的。在l , v n = v 。情况下，由图2 7 可知，整流部分需要应 用1 6 矢量。此时，为了得到第一扇区内的砭，需要在逆变部分应用v 6 和v 1 矢量 进行合成。而v 6 和v 1 作用的占空比分别为d 筚和d 助。在v 邵= k 时，输出电压矢 量是在应用1 1 矢量的条件下，同样应用v 6 和v l 矢量调制得到的，而此时v 6 和v 1 作 用的占空比变为d 。和d 加。 由此可以推导得到以下结论：为了获得位于第一扇区的输入相电流和输出线 电压，需要在单位开关周期内对1 6 v 6 ，1 6 v l ，1 1 v 6 ，i i v l 及i o v o 等矢量组合进 行调制。而每一种电流一电压矢量组合，在矩阵变换器开关组合表2 1 的第2 、3 组内均有唯一的开关状态与其相对应。例如，对于1 6 v 6 矢量组合，使用1 6 时有 萨a ，n = b ，而对于v 6 矢量，从图2 - 7 b 可矢h a = p ，b = n ，c 7 。因而，对1 6 v 6 其对 应的开关组合为a = a ，b = b ，c = a 。这样，在输出电压、输入电流矢量均位于第 一扇区时，矩阵变换器9 个双向开关元件在单位开关周期内的开关状态及其导通 时间可归纳为表2 1 ，其中零矢量的作用占空比为 d o = i d a , 一d 砸一d ，v d w 表2 - i 开关顺序 ( 2 3 8 ) 空间导通开关组合开关状态 矢量时间 p na b c s a as a bs a cs b as b bs b cs c 。 s c b s c c 1 6 一v 6d a t s ababa10oo1o1o0 1 6 一v id b 。t s a b abb1000 l 0o l 0 i l - v 1d b u t s acacc1ooo0100l ij v 6 d t s acaca1o0oo110o l o - v od o t s a aaaa100 1o oloo 采用上述开关函数的合成方法，可以推导得到3 6 种不同电流电压扇区组合 下9 个开关元件的通断状态及其在单位开关周期内的导通时间，获得矩阵变换器 的全部开关调制函数，从而实现公式2 1 2 到公式2 9 的变换。 为了减少矩阵变换器的开关转换次数、降低开关损耗，在系统设计中采用了 优化的单边调制顺序。其调制原则为： 1 、输入电流、输出电压扇区之和为偶数，调制顺序为嘞_ 以p _ 1 8 第_ 章矩阵变换器空间矢量调制原理 d 8 l _ d o ； 2 、输入电流、输出电压扇区之和为奇数，调制顺序为_ 嘞一咖 以p d o ： 3 、零矢量的选择以开关转换次数最少为基准。 以输入电流、输出电压矢量均位于第一扇区为例，开关元件的转换过程如图 2 8 所示。 胜隧隧隧隧 1 6 v 1 c 1 6 - v 6 cc ：- v l c l o - v ocv6 l l - v 61 1 - v 0 0 v1 6 -1lo 图2 - 8 开关转换过程 则在单位开关周期疋内，作用在9 个双向开关元件上的p w m 驱动信号及其占 空比如图2 - 9 所示。该开关周期内三相输出线电压的合成波形如图2 1 0 所示。 打 fj ； 一 晒 ir tf i l i il i 电e j 上已 墨i 毒上丑 ：咖 以。如巩。幽 ： i h 瓦叫 图2 - 9 矩阵变换器元件驱动