（电工理论与新技术专业论文）简化换流的间接式矩阵变换器的研究.pdf

简化换流的间接式矩阵变换器的研究 r e s e a r c ho ni n d i r e c tm a t r i xc o n v e n e rw i t hsi m p l ec o m m u t a t i o n a b s t r a c t t r a d i t i o n a la c a cc o n v e r t e r sa r eo f t e na c h i e v e dt h r o u g ha c d c - a cw a y s ，i n a c d c - a cw a y ，t h ec a p a c i t o ri sa l w a y su s e da si n t e r m e d i a t es t o r a g ed e v i c e st os t o r ee n e r g y t h e r e f o r e ，al a r g ec a p a c i t o rs h o u l db ec o n t a i n e di na c - d c - a cc o n v e r t e r b e c a u s et h el a r g e c a p a c i t o rh a sar e l a t i v e l yl a r g es i z e ，w h i c ha c t u a l l yb r i n gal o to fi n c o n v e n i e n c et op r o j e c t b u tt h em a t r i xc o n v e r t e r ( m e ) c o m b i n e db yb i d i r e c t i o n a ls w i t c h e sh a s n ti n t e r m e d i a t e s t o r a g e ，a n dm c h a su n i t yp o w e rf a c t o ri nl i n es i d e ，h i g hv o l t a g et r a n s f o rr a t i o ，f o u r q u a d r a n t o p e r a t i o nc a p a b i l i t y ，s oi th a sb e e nb e c o m i n gt h ef o c u so fr e s e a r c h h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e dc o m m u t a t i o np r o b l e mi nt h et r a d i t i o n a lm c ，i th a s b e e nu n a b l et oa p p l yi nr e a lp r o j e c t i nt h i sp a p e r ，an o v e lt y p eo fm a t r i xc o n v e r t e r t o p o l o g y - i n d i r e c tm a t r i xc o n v e r t e r ( i m c ) i si n v e s t i g a t e d ，b e c a u s eo fi t ss p e c i f i cs t r u c t u r e ， i m ch a sn o to n l ym a n ya d v a n t a g e si nm c ，b u ta l s og r e a t l ys i m p l i f i e st h ec o m m u t a t i o n p r o b l e m ，a n da p p l i e st h ec o n t r o ls t r a t e g yi nt h et r a d i t i o n a lt h r e e - p h a s ei n v e r t e r i m ci sm a d eu pb yt h er e c t i f i e ra n di n v e r t e r i nt h i sp a p e r , m a t h e m a t i cm o d e l so ft h er e c t i f i e r a n di n v e r t e ru n d e rt h eb a l a n c e ds o u r c e v o l t a g ea r es e p a r a t e l y s e tu pi nt h r e e - p h a s e c o o r d i n a t e ，口- pc o o r d i n a t ea n dd _ qc o o r d i n a t e m e a n w h i l e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r i d v o l t a g ea n do u t p u tv o l t a g ea r ed e r i v e d ，ac l o s el o o pc o n t r o ls t r a t e g yi sd e s i g n e d ，a n da l lt h e c o n t r o ls t r a t e g i e sa r es i m u l a t e di np s i m o nt h e b a s i so ft h e t h e o r e t i c a la n a l y s i so fi m c ，ar e s o l v i n gs t r a t e g yb a s e do n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 au n d e rb a l a n c e dg d dv o l t a g ei sg i v e n ，w h i c hi n c l u d e sh a r d w a r ed e s i g na n d s o f t w a r ed e s i g n t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mi ss e tu pa n dd e b u g g e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s s h o wt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yp r o p o s e di sa b l et oa c h i e v et h eg o a l s ：a d j u s t a b l ei n p u tp o w e r f a c t o r ，z e r oc u r r e n ts w i t c hi nm a i nc i r c u i t ，s i m i l a rv o l t a g et r a n s f o rr a t i oc o m p a r e dw i t hm c k e yw o r d s ：m a t r i xc o n v e r t e r ；c o n t r o ls t r a t e g y ；p w m ；c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论 文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 翩躲铡 篮年互月笸日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究背景和意义 电能是迄今为止人类文明史上最优质的能源。正是有赖于对电能的充分开发和利 用，人类才得以进入如此发达的工业化和信息化社会。虽然人类在电能的产生、传输和 利用方面已经取得了十分辉煌的成就，但是如何更加合理、高效、精确和方便地利用电 能，仍然是需要解决的重大问题。 在目前被使用的电能中，大多是以交流电的形式服务于人们。为了使某些用电负载 正常工作或使其工作于理想状态，从而获得最大的技术经济效益，人们需要把一种幅值、 频率、相位的交流电变换成另一种幅值、频率、相位的交流电使用，这时就需要电力变 换技术。交流电力变换技术在现代社会的应用范围已经十分广泛。它不仅用于一般工业， 也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空 调等家用电器及其他领域中也有广泛的应用l l 】。当今，经过变换处理后再供用户使用的 电能在全国总发电量中所占的百分比值，已经成为衡量一个国家技术进步的主要标准之 一。二十世纪八十年代，美国发电站生产的电能4 0 以上都是经过变换和处理后才供负 载使用的，而当今发达国家所使用的电能中有7 5 左右是经过处理以后供负载使用，预 计到本世纪二、三十年代，美国发电站生产的全部电能都将经过变换和处理后供负载使 用【2 1 。而当前我国经过变换或控制后使用的电能仅占3 0 ，远远达不到应用电力电子技 术进行节能的效果。即使按照7 5 的比例推算，到2 0 1 0 年我国将有2 5 5 6 0 万k w 电能 需要变换或控制。如何更好的对这些电能进行变换，提高变换效率，降低电能变换带来 的污染，缩短我国与发达国家之间在电力变换技术上的差距，已经成为摆在广大电力工 作者面前的一个噬待解决的问题。 1 2电力变换器的发展进程及其负面效应 在讨论本文主题矩阵变换器之前，先回顾一下交流电力变换的现状。近十几年来， 围绕着新型功率器件的应用，人们进行了大量系统的研究工作。到目前为止，这些新型 功率器件的驱动、保护及其控制技术己趋于成熟。目前用量最大的是基于交一直一交变 换的电压源型通用变频器以及用于低速高压大功率的相控式交一交变频器。交一直一交 变换是电力电子技术中应用极为广泛的一种基本变流方案，脉宽调制型( p w m ) 逆变器采 用不控整流，通过调节逆变器的输出脉冲宽度来改变其输出电压，通过改变调制周期来 控制其输出频率，由于p w m 逆变器开关频率高，其动态响应很快。然而这种变换形式 存在着许多问题。不可控整流电流的输入功率因数很低，一般最大只要o 6 5 左右，即使 简化换流的间接式矩阵变换器的研究 是晶闸管相控整流电路，其输入功率因数也不高。而且电压源型的交一直一交变换器通 常采用大电容滤波，整流器一电容滤波电路是非线性元件和储能元件的组合，其电路如 图1 1 ( a ) 所示。因此，虽然输入交流电压是正弦的，但输入电流却严重畸变，如图1 1 ( b ) 所示。更为严重的是，中问直流环节大体积的无源元件( 大容量滤波电容) 还会造成系统 成本上升、集成度低、可靠性降低等问题。1 9 8 2 年，国际电工委员会制订了i e c 5 5 - - 2 限制高次谐波的规范( 后来的修订规范是i e c l 0 0 0 - - 3 - - 2 ) ，促使众多电力电子技术工 作者开始对滤波和功率因数校正( p f c ) 技术开展研究。 ( a ) 电容滤波全波整流电路图 ( a ) r e c t i f i e rc i r c u i tw i t hc a p a c i t o rf i l t e r 。 ：l _ ； 7 、 一 弋j夕 、 一+一 、。 ( b )电容滤波全波整流电压电流波形图 ( b ) t h ev o l t a g ew a v e f o r m so fr e c t i f i e rc i r c u i tw i t hc a p a c i t yf i l t e r 图1 1电容滤波全波整流电路图及电压电流波形图 f i g 1 1 t h er e c t i f i e rc i r c u i tw i t hc a p a c i t o rf i l t e ra n di t sw a v e f o r m s 大连理工大学硕士学位论文 晶闸管器件的出现促进了交一交变频技术的深入发展。交一交变频器又称作交一交 直接变频器或周波变频器( c y c l o c o n v e r t e r ) ，属于传统的变换装置形式。电流型的交一交 变频器在输出侧采用电抗器将输出电流强制为矩形波( 或阶梯波) 并对负载做无功补偿； 电压型的交一交变频器输出端直接接负载，由于供电电源的低阻抗使其具有电压源性 质，负载的无功能量直接来自电源。 交一交变频器的每一相由两组整流桥反并联构成，通过按特定规律连续改变晶闸管 触发角可实现对输出电压波形的控制。三相输出交一交变频器由三组单相交一交变频器 按相位互为1 2 0 。的关系组成，若变频器的调制信号是一组频率、幅值和相位可调的三 相正弦信号，则变频器输出为相应变化的三相正弦交流电压，依此实现变频1 3 j 。但由于 换流死区的存在，会产生对系统不利的低次谐波h j 。 传统的交一直一交变换器则是由三套可逆整流装置组成，它采用移相触发控制的方 式实现功率变换，会引起电流、电压波形的畸变，无论是输入侧还是输出侧都含有丰富 的谐波，造成严重的谐波效应。 传统的交一直交变换器使用元器件较多，控制线路复杂，低速时功率因数低，因 而仅适用于大功率电机高速时小范围调节和大型水轮发电机的交流励磁【5 j 。 1 3 矩阵式变换器应用前景 无论是高性能传动系统还是高效率变速恒频发电系统，从电网侧谐波治理以及能源 的有效利用开发角度出发，对变频电源的性能都提出了更加严格的要求，而满足这些要 求的理想电力变换器应该具备下面一些特点： ( 1 ) 良好的输出特性 标准的交流电机一般都是设计成采用三相正弦工频交流电源供电的，采用变频器作 为电源时，要求电源不含低次谐波。而且p w m 电压的高次谐波成分容易造成电气系统 的电磁兼容性问题，因此迫切要求降低变频器输出电压中的谐波，提高变频器的输出性 能。 ( 2 ) 对电网谐波污染小，输入侧功率因数高 当变频器的输入电流中含有大量谐波时，由于谐波噪声水平的提高，整流电路的入 端必需增加滤波器，其成本高、系统笨重。大量电流谐波分量排放注入电网后，造成对 电网的“谐波污染 。一方面会产生“二次效应”，即谐波电流流过线路阻抗造成谐波 压降，反过来使电网电压也发生畸变；另一方面会造成电路故障，使变电设备损坏。这 样一来，由于谐波对电力系统造成的污染，影响了整个电力系统的电力环境，不仅导致 简化换流的间接式矩阵变换器的研究 电网电压幅值和频率不能维持恒定，电压波形发生畸变，还对电力系统本身和用户的各 种电气设备造成极大的危害1 6 j 。 由于谐波引起的电力公害问题日益严重，各种治理措施和方案不断提出，而其中最 积极有效的办法是开发不产生谐波且功率因数为l 的新型变流装置。因此理想的变频电 源应具有高输入功率因数低输入谐波，满足对电网无污染( 绿色) 的要求。 ( 3 ) 能实现能量的双向流动，满足电机四象限运行的需要 电动机不同的负载情况具有不同的特点，为了达到了高效、节能和充分柔性的效果， 理想的变频器输出电压、输出频率宽范围可调，带动电机负载时应使电机既能工作在电 动状态，又能工作在发电状态，满足电机四象限运行的需要1 7 j 。这同时也是交流励磁发 电对励磁电源的要求。 ( 4 ) 结构简单，具有较高的能量密度和效率 目前，通用的交一直一交型p w m 变频器采用了不控整流加大电容作直流滤波的配 置，滤波用电解电容随变频器容量而增大，成为变频器寿命、可靠性的隐患，更是变频 器功率密度提高的严重制约因素。因此，理想的变频电源应该不含大容量储能元件，且 要求其集成度高，具有较高的能量密度和效率。 目前来看，矩阵式变换器就是具有上述特征的理想电源 8 1 。矩阵式交一交变换器是 一种具有先进的拓扑结构“全硅组成 的功率变换器，它允许频率单级变换，无需大容 量的贮能元件。能使输入电流正弦，输入功率因数可达到0 9 9 以上并可在较大范围内 自由调节，且带感性负载时受负载的功率因数影响小。输出电压正弦，输出频率、电压 可调，输出频率可高于、低于输入频率。此外，它还可以四象限运行，能量可双向流动， 体积小，效率高，而且符合模块化发展方向。 随着国民经济的高速发展，对电力能源的需求随之增长。风力发电己成为我国电力 发展的一个重要方向。现在一般采用的是变速恒频异步发电方式。由于受到电网频率的 限制，发电机转速不能改变，原动机须在不同风力的情况下采用机械调速装置维持恒速 运行，这一方面加大发电设备的初投资，同时也使能源利用情况变坏。采用矩阵式变换 器后，通过电力电子技术就可以轻易的实现电机变频无级调速，相对于机械调速，可以 大幅减少投资，且调速效果更为理想。 交流励磁发电是一种先进的发电技术，可以克服上述发点方式的缺点 9 1 。使用交流 励磁发电机可使励磁频率随转速改变，从而在不同的速度下实现变速恒频发电，从而使 原动机( 风力机、水轮机) 能在一定的可变速度范围运行，从而提高能量的获取和转换利 用率，是一种很适合风力等可再生能源发电利用的运行方式。采用这种技术可使发电系 大连理工大学硕士学位论文 统根据原动机的转速变化来调节励磁电流的频率，从而实现变速恒频发电；通过改变励 磁电流的幅值和相位来实现发电机的有功、无功功率的调节，并达到提高电网稳定性的 目的，这是其它调速方法所不能做到的。应用此项技术的发电系统称为交流励磁发电系 统( a ce x c i t eg e n e r a t o r ) 。要实现交流励磁发电，关键在于开发出一种输入、输出特性好， 无电力谐波，功率可双向流动的“绿色 变频器，矩阵式变换器便是符合以上种种要求 的理想电力变换器。 随着电力电子技术的不断进步，变频调速已在交流调速传动中占据了主导地位，成 为工业自动化的关键传动技术，更是运行节能的重要手段。然而，如前文所述，随着变 频装置的日益广泛应用，特别是交一直一交型p w m 变频器迅速成为变频电源的主体， 电网中的谐波污染也越来越严重，防治“电力公害”，提高供电质量是当前电工技术最为 关注的热点问题。除了被动的谐波抑制外，改变变频装置的输入、输出特性的谐波削减 主动措施具有事半功倍的效果，更为人们所关注。矩阵式变换器具有优良的输入输出特 性，能够避免常规变换器的负面效应，达到谐波主动削减的目的。矩阵式变换器能够适 合在变频调速系统中的应用，特别是双馈电机调速系统。无刷双馈电机是一种新型电机， 它具有鼠笼型转子异步电机的简单结构，而且具有绕线式转子异步电机和同步电机的优 良特性，速度及功率因数均可调节，既可同步运行又可异步运行，且变流装置只需处理 滑差功率，变频器的容量小，可以在无刷的情况下实现双馈，电机控制绕组电压不高的 特点非常适应当前矩阵式交一交变换器电压传输比不高的技术现状。研究矩阵式变换器 在双馈电机调速系统中的应用，具有重要的工程实用价值。同时，由于矩阵式变换器的 “全硅”开关结构，为了充分发挥其体积小、便于集成的特点，设计变换器与电机高度集 成的传动系统为矩阵式变换器的提供了良好的应用前景l l u j 。 矩阵式变换器在变频调速系统中及交流励磁变速恒频发电系统中的应用既可产生 节能的重大经济效益，又能实现电力谐波的主动削减从而避免因谐波污染带来的电能质 量下降问题，是一种无负面效应可持续发展的技术方案，因而研究意义深远。 1 4 矩阵式变换器研究状况简介 矩阵式变换器的名称来源于它的矩阵状拓扑结构，传统的矩阵式变换器一般由3 相 输入、3 相输出组成，排列成矩阵性状，如图1 2 所示。 简化换流的间接式矩阵变换器的研究 图1 2 传统矩阵式变换器拓扑结构 f i g 1 2c o n v e n t i o n a lm a t r i xc o n v e r t e rt o p o l o g y 1 9 8 1 年m v e n t u r i n i 首次提出了矩阵式变换器的存在定理【l ，由于具有性能优良的 潜在优势，越来越引起人们的重视，有逐步取代交一直一交变频器、周波变流器的趋势。 特别是它具有本身不产生谐波污染的同时，能够对电网进行无功补偿的能力，其总体性 能高于其它变换器。在日益关注可持续发展问题，大力推行电力环保、绿色电源的今天， 研究与开发矩阵式变换器特别具有现实意义。与传统的交一直一交变换器相比， 矩阵 式变换器具有如下优点： ( 1 ) 无大容量的储能器件，结构紧凑，体积小，效率高，便于实现模块化，同时易于 实现大容量变换器； ( 2 ) 能够实现能量双向流动，便于电机实现四象限运行1 1 2 ； ( 3 ) 通过合适的开关控制策略，可以轻易实现输入侧和负载侧仅有开关频率或高于开 关频率的高次谐波，很容易被滤除掉； ( 4 ) 输入侧功率因数可调，带任何负载时理论上都能使功率因数为1 ； ( 5 ) 控制自由度大，输出电压幅值和频率范围连续可调。 然而，到目前为止，矩阵式变换器还未能实现工业上的大规模应用u 3 1 ，其主要原 因在于它具有复杂的换流问题：换流是指负载电流从一个输入相换到另一个输入相。在 调制过程中，矩阵式变换器的开关管状态不断改变，换流始终存在。在矩阵式变换器中， 输入侧任何时刻两相开关不能同时导通，输出侧由于负载大多为感性，因此任何时刻都 不允许同时断开同一相的开关。为实现双向开关之间的安全切换或抑制换流不安全所带 来的危害，除了在输出侧增加整流式阻容箝位电路限制过压、在输入端增加滤波器外， 还需要有复杂的控制电路来解决复杂的换流问题。为解决此问题，很多学者分别提出了 大连理| t 大学硕十学位论文 四步换流【1 4 j 、两步换流【l5 j 等多种换流策略，并通过应用可编程逻辑器件 f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ， 现场可编程门阵列) 、 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 等实现了这些换流策略。 但是，这些换流策略往往需要额外的保护电路，从而大大增加了矩阵变换器控制电路的 复杂性。截止到目前为止，所有这些控制策略都还未能使矩阵变换器走出实验室，进入 到工程应用阶段。 长期以来，人们都把对矩阵变换器的研究重点放在安全换流和控制策略上，却忽略 了传统的矩阵变换器的拓扑结构才是造成其换流复杂的根本原因。直到近几年，矩阵变 换器拓扑结构的研究才出现突破。1 9 9 7 年，i i m o r i 提出了一种无直流滤波元件的交一直 一交电力变换拓扑电路，提出了其输入侧是电流源整流器，输出侧是电压源逆变器的观 点【1 6 1 。 2 0 0 1 年，j k o l a r ，l i x i a n gw e i 等学者提出了这种交一直一交拓扑的多种演变 形式，并归为矩阵变换器一类。z w i m p f e r p 将这种拓扑电路称为双级矩阵变换器 ( t w o s t a g em a t r i xc o n v e r t e r ) 1 7 】。j k o l a r 将其中开关数量低于1 8 的电路拓扑称为稀疏矩 阵变换器r ( s p a r s em a t r i xc o n v e n e r ) 、非常稀疏矩阵变换器等【l 阳5 1 。l i x i a n gw e i 和m a t t i j u s s i l a 将这种新型矩阵变换器称为双桥矩阵变换器( t w o b r i d g em a t r i xc o n v e r t e r ) 1 2 6 删j 或 间接式矩阵变换器( i n d i r e c tm a t r i xc o n v e r t e r ) t 3 m 3 5 1 。丹麦学者c h r i s t i a nk l u m p n e r y 则将其 称为双级式直接功率变换器( t w os t a g ed i r e c tp o w e rc o n v e r t e r s ) l s 6 - 4 0 l ，或简称为双级矩阵 变换器。本文采用间接式矩阵变换器的称呼，简称i m c ，其拓扑结构示意图如图1 3 所示。 图1 3i m c 拓扑结构示意图 f i g 1 3 t h et o p o l o g yo fi m c 简化换流的间接式矩阵变换器的研究 1 5 本文主要工作与论文结构 由前文所述可以看出，和传统的矩阵式变换器相比，i m c 不仅具有传统矩阵式变换 器的优点，如高电压传输比、输入侧功率因数为l 等，同时还具备自身独特的优点： ( 1 ) 所有开关都可以控制在零电流状态下关断，从而解决了传统m c 中的换流问题； ( 2 ) 可以应用传统逆变器中成熟的脉宽调制( p w m ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 来大大 简化其控制电路； 正是基于以上原因，本文将i m c 作为主要研究对象，进行了从理论到实践系统的 分析。本文分为以下5 个部分： 第一章，简要回顾了电力变换器在最近几十年的发展状况，重点介绍了矩阵式变换 器的研究现状，同时分析了矩阵式变换器中噬待解决的问题。 第二章，建立了i m c 整流侧的一般数学模型，分析了整流侧的一种高功率因数的 控制策略，然后对整流侧控制策略进行了改进，提出了一种新型的输入侧功率因数可调 的控制策略。 第三章，阐述了i m c 逆变侧的p w m 控制方案，分析并建立了i m c 逆变侧闭环控 制系统的数学模型，设计了一套性能优良的p i 控制系统。由于i m c 结构上的优越性， 使其可以使用针对传统三相逆变器开发出的一系列控制策略。本章重点分析了性能优越 的空间矢量调制策略( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，s v p w m ) ，并创造性的对 其进行了矢量重新安排，使其能适用于i m c ，且实现了i m c 中零电流换相，从而解决 了传统矩阵变换器中换流复杂的问题。 第四章，介绍了i m c 整流侧和逆变侧协调控制的算法，通过巧妙的安插零矢量， 将整流侧和逆变侧进行联合调制。同时给出了使用电力电子仿真软件p s i m 6 0 及 v c + + 6 0 对本文提出的控制策略进行仿真的结果。 第五章，详细介绍了实现i m c 的整个实验平台，全系统以t i 公司的d s p 芯片 t m s l f 2 4 0 7 a 为核心，以i g b t 为功率器件，实现了本文提出的控制目标。本章阐述了 详细的软件及硬件设计方案，绘制了控制程序流程框图，然后给出了实验结果。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2i m c 整流侧p w m 调制策略 2 1引言 i m c 由整流侧和逆变侧两部分组成，由于无直流储能环节，i m c 的调制策略既包含 整流侧和逆变侧各自独立的调制技术，又包含基于矩阵变换器调制理论的全部开关的协 调控制技术。 p w m 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术， 广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域，是目前用于电力变换器最有前途 的一种调制技术，也是在矩阵变换器中普遍使用的调制技术。许多微控制器内部都包含 有p w m 控制器。例如，t i 公司的l f 2 4 0 7 a 内含两个事件管理器，可独立产生1 2 路p w m 脉冲波，每一路都可以通过编程设定占空比和周期值。 p w m 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。 让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1 改变为逻 辑0 或将逻辑0 改变为逻辑1 时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力强是 p w m 相对于模拟控制的另外一个优点，通过适当的r c 或l c 网络便可以轻易滤除调制 高频方波并将信号还原为模拟形式。 总之，p w m 既经济、又节约空间、而且抗噪性能强，是一种已经获得广大工程师 认可并在许多设计应用中验证了的有效技术。 目前在各个领域实际应用的整流电路几乎都是晶闸管相控整流电路或二极管整流 电路。如第一章所述，晶闸管相控整流电路输入电流滞后于输入电压，其滞后角随着触 发延迟角的增大而增大，位移因素也随之降低。同时，输入成分中谐波分量也相当大， 因此，功率因数很低。二极管整流电路虽然位移因数接近于1 ，但输入电流中谐波分量 很大，所以输入功率因数也很低。在i m c 中，通过使用p w m 控制技术和全控型器件， 可以使i m c 中输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1 。通 过双向开关的使用和输入侧控制策略的改变，甚至可以在一定范围内调节输入侧功率因 数，使i m c 整体呈现感性或容性。 2 2i m c 整流侧开关控制方案 2 2 1i m c 整流侧无零矢量调制方案 图2 1 是i m c 整流侧的拓扑结构示意图。为确保i m c 正常工作，需保证中间直流 侧电压一直为正。i m c 输入侧电路拓扑结构和传统的p w m 整流器类似，唯一不同的地 简化换流的间接式矩阵变换器的研究 方在于在该新型m c 中每个开关都是双向开关，可以承受双向电压，也可以关断双向电 流。从而通过一定的控制策略能确保输入侧电流谐波小，同时直流侧电压一直为正。 pi d c 羔- ：彦男又旺可于f 乡i i 图2 1i m c 整流侧拓扑示意图 f i g 2 1t h er e c t i f i e rp a r tt o p o l o g yo fi m c d e 为简化分析，假设开关频率远高于基波频率，负载为感性，从而在每个开关周期内， 输入侧电压和输出侧电流可看成不变。中间直流侧电压由输入侧电压和整流部分的开关 函数决定，电流则由输出部分的开关函数和输出电流共同决定。现假设输入侧电压表达 式为： 1 1 ，一= 匕c o s o 口= 圪c o s ( c o i t ) 1 ，b = 圪c o s 皖= 圪c o s ( c o , t 一2 n 3 ) ( 2 1 ) 【v c = c o s o 。= 圪c o s ( o i t + 2 n 3 ) 在上式中： q 代表输入侧角频率；圪代表输入侧电压幅值。 为简化整流侧分析，再假设输入侧无滤波环节，即：l ，= 0 ，r = 0 ，c i = 0 ，叱= v “， f ，= f 。，x ( a ，b ，c ) 。 整流侧p w m 控制策略的目标是确保直流侧电压为正且输入侧功率因数为1 。在输入 大连理工大学硕士学位论文 侧三相电压平衡的情况下，可将输入电压分为六个扇区，如图2 2 所示。 j x 一一 厂 l 一 i i 1 2 3 4 5 6 。 图2 2 输入电压六扇区的划分 f i g 2 2t h es i xs e c t o r so fi n p u tv o l t a g e 根据输入电压的不同极性，输入电压的六个扇区可以分成下列两种情况： ( 1 ) 两相为正，一相为负( 图2 2 中2 、4 、6 扇区) 假设a 相和b 相电压为正，c 相为负，则有： j l , c f _ 1 1 ，i + l v b l ( 2 2 ) 在这种情况下，应保持开关s c n 一直导通，而开关s a p 和s b 口轮流导通，其它开关一律 断开。 当s a p 导通时，由于开关s c n 一直导通，故直流侧电压等于1 ，a c 且为正，s a p 的占空比 由下式给出： d _ c = ( 2 3 ) 当s b p 导通时，由于开关s c n 一直导通，故直流侧电压等于v b c 且为正，s b p 的占空 比由下式给出： 铲l 剿 ( 2 4 ) 且有： d _ c + d b c = 1 ( 2 5 ) 如设开关周期为瓦，s a p 和s b p 在一个开关周期内的导通时间分别设为r c 、f 嬲，则它 们的值由下式给出： 眈一眈 s s一 简化换流的间接式矩阵变换器的研究 乃c = 瓦d 4 c i b c = i d 肥 ( 2 6 ) f 4 c + 丁配= 瓦 将式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 代入到式( 2 1 ) 中，可得每个开关周期内，直流侧电压平均值表达式 为： y 2 = d 爿c ( v 一一v c ) + d 嬲( 1 ，8 1 ，c ) ( 2 7 ) 在其他开关周期内，类似可推算出一个p w m 周期内直流侧电压表达式，综合以上可 得a 相和b 相电压为正，c 相为负时直流侧电压为： 0 t ， 2 丽- v 两r n ( 2 8 ) ( 2 ) 两相为负，一相为正( 图2 2 中1 、3 、5 扇区) 假设a 相和b 相电压为负，c 相为正，则有： m = i v i + l v b i ( 2 9 ) 在这种情况下，应保持开关s c d 一直导通，而开关s a l l 和开关s b n 轮流导通，其它开关 一律断开。 当s a n 导通时，由于开关s c p 一直导通，故直流侧电压等于v c a 且为正，s a n 的占空比 由下式给出： 蝣酬 ( 2 1 0 ) 当s b 导通时，由于开关s c p 一直导通，故直流侧电压等于v c 。且为正，s b 。的占空比由 下式给出： d b 。酬0 s ( 2 1 1 ) l c1 将式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 代入到式( 2 1 ) 中，可得每个开关周期内，直流侧电压平均值表达 式为： 屹= d a c ( ，爿一) + d 幻( 1 ，c 一1 ，口) ( 2 1 2 ) 在其他开关周期内，类似可推算出一个p w m 周期内直流侧电压表达式，综合以上可 得a 相和b 相电压为负，c 相为正时直流侧电压为： 气矿 屹2 群初( 2 1 3 ) 按照以上规律，其它开关周期内可得类似占空比计算方法，各扇区内应导通开关、 导通开关的占空比及对应的直流侧电压如表2 1 所示。从而易得每个开关周期内直流侧电 压平均值为： 3 矿 2 赢( 2 1 4 ) 大连理工大学硕士学位论文 上式中，t o s s , 为i c o s ( 眈) i 、i c o s ( 见) | 、l c o s ( o 。) l 中的最大值。 表2 1 整流侧各个电压扇区开关控制规律 t a b 2 1 t h es w i t c hc o n t r o lr u l e so fr e c t i f i e rp a r ti nd i f f e r e n ts e c t o r s 2 2 2 对i m c 整流侧无零矢量调制方案的改进 上节提到的整流侧无零矢量的调制方案，虽然可以保证直流侧电压始终为正，但却 无法调节输入侧功率因数。众所周知，目前接入电网中的电力负荷如电动机、变压器、 日光灯及电弧炉等，大多属于电感性负荷，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向 电力系统吸收有功功率，还同时吸收感性无功功率。这就造成接入电网的用电设备整体 功率因数偏低，降低了电网中的电能质量，给电网造成危害。目前解决的办法大多是通 过在电网中安装并联电容器无功补偿设备，从而提供补偿感性负荷所消耗的无功功率， 减少电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率。由于减少了无功功率在电网 中的流动，因此可以降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损 耗。但是，并联到线路上进行无功补偿的电容器对谐波会有放大作用，使得系统电压 及电流的畸变更加严重。另外，谐波电流叠加在电容器的基波电流上，会使电容器的电 简化换流的间接式矩阵变换器的研究 流有效值增加，造成温度升高，减少电容器的使用寿命。谐波电流还使变压器的铜损 耗增加，引起局部过热、振动、噪音增大、绕组附加发热等。谐波污染也会增加电缆等 输电线路的损耗。而且谐波污染对通讯质量有影响。当电流谐波分量较高时，还有可能 会引起继电保护的过电压保护、过电流保护的误动作。因此，设法减少电网中的谐波污 染应成为广大电力电子工作者的目标【4 】。 本节通过对i m c 整流侧无零矢量调制方案进行改进，通过在每个开关周期按指定 规律安排占空比的方式，使其输入侧功率因数可以在一定范围内变换。按照电网的需要， 通过控制程序的改变，可以使i m c 工作在感性或容性状态，提供系统功率因数，提高 整个电网中的电能质量。 仍然假设i m c 输入侧三相电压表达式如式( 2 1 ) ，现引入一参考电压，其幅值为， 相位与输入侧电压正好相差仍，其表达式如下： 1 1 ，叫= c o s o , o = c o s ( o ) i f 一仍) = v r mc o s o r b = c o s p l f 一仍一2 7 r 3 ) ( 2 1 5 ) 【v r c = c o s 既= c o s ( o ) i f 一仍+ 2 7 r 3 ) 式中：缈代表参考电压角频率； 参考电压v 脚、1 ，坩、，圮分别与三相实际输入电压v p p 相对应。参考输入电 压的一个周期分成六个区间，如图2 3 所示。 j xw 潲介一 瓜 ( in nk i v i 1 2 3 4 5 6 图2 3 参考电压六扇区的划分 f i g 2 3t h es i xs e c t o r so f r e f e r e n c ev o l t a g e 每个区间具有相同的特点：一相电压绝对值为最大，另两相电压极性同它相反。每 个区间有两个最大且极性为正的参考线电压。采用与两个参考线电压对应的实际输入线 大连理工大学硕士学位论文 电压来合成直流电压。例如在第一扇区区间两个最大且极性为正的参考线电压为1 ，棚、 1 ，州c ，与，棚、1 ，叫c 相对应的实际输入电压应为1 ，仙、1 ，彳c ，因此可采用v 船、1 ，j 4 c 来合成此 时的直流侧电压。 六区间的参考线电压、合成直流电压的实际线电压和开关状态如表2 2 所示。 表2 2 整流侧各个电压扇区开关控制规律 t a b 2 2t h es w i t c hc o n t r o lr u l e so fr e c t i f i e rp a r ti nd i f f e r e n ts e c t o r s 与2 2 1 节整流级开关占空比计算方法不同，2 2 1 节中占空比按照实际输入电压计 算，与输入侧两个相电压的幅值成正比。而改进的调制策略中整流级每个线电压占空比 按照参考电压计算，与形成参考线电压的两个相电压的幅值比相等。从而可以保证在程 序中设定不同的参考电压，间接控制输入侧功率因数。 以第1 区间为例，在一个p w m 开关周期内，将合成直流电压的两个线电压1 ，一b 、v c 对应的占空比设为d 枷和d 舯，占空比计算方法由下式给出： 简化换流的间接式矩阵变换器的研究 i d r a b2 一v 坩v 州 d 喇c = 一v 。v 叫 ( 2 1 6 ) 【d r a b + d 州c = 1 如设开关周期为瓦，开关s a p 一直导通，s b n 和s c 。在一个开关周期内的导通时间分别 设为f 州曰、f 脚c ，则它们的值由下式给出： iz r a b = i d 喇b f c = t d 脚c ( 2 1 7 ) 【l r a b + r 叫c = t 每个开关周期内，直流侧电压平均值为： 屹= d 州口( v 一1 ，b ) + d 脚c ( 1 ，一，c ) ( 2 1 8 ) 将式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 代入式( 2 5 ) 中，可得直流侧电压值为： 气矿 屹2 差面云南c o s ( 饵) ( 2 1 9 ) 2 2 3 输入侧电流分析 i m c 改进调制策略的目的是使输入侧功率因数可调，即在保证输入侧电流谐波小的 前提下，使其与输入三相电压的相位差可调。当开关频率足够高时，可假定一个开关周 期内直流电流和三相输入侧电流值均保持不变。为分析方便，现设一个开关周期内直流 侧平均电流值为么，三相输入侧电流值为、如、i c 。按照2 2 2 节提出的调制策略， 在图2 3 中的第一扇区内，三相输入电流如下式： i 一：( d ，彻+ d 耐c ) i 出= v r a i 出= m ，崩 1 ，一 i b ：一d r a b 么：v r b i 出= 肌1 ，旧 ( 2 2 0 ) ，一 屯一d r a cx 么2 爸刈出硼则心 式中，m = k ，一 由上式可知，在一个开关周期内，各相输入电流局部平均值与对应相的参考输入相 电压瞬时值成正比。其它扇区也有同样结论。这就是上一节中提出来的改进i m c 控制 策略的理论依据，通过控制参考输入相电压的相位即可改变输入侧电流的相位，从而改 变输入侧功率因数，实现控制目标。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 4 输入侧仿真结果 本节采用p s i m 6 0 和v c + + 6 o 作为仿真软件，建立了i m c 仿真模型，对整流侧插 入零矢量的调制策略进行了仿真验证。 i m c 整流侧仿真模型如图2 4 所示，其中各模块功能及仿真参数如下： 输入为三相对称电源，其相电压为2 2 0 v 5 0 h z ；为了滤除i m c 输入电流和输出电 压中的开关高频谐波，i m c 输入侧加入l c 滤波器( 为图示清晰，滤波器未在图2 4 中画 出) ，输