（电工理论与新技术专业论文）矩阵式变换器控制策略及其计算机仿真研究.pdf

r e s e a r c h0 1 1m a t r i xc o n v e r t e rc o n t r o ls t r a t e g ya n d i t sc o m p u t e rs i m u l a t i o n a b s t r a c t m a t r i xc o n v e r t e ri san o v e la c a cc o n v e r t e r , c o m p a r ew i t hc o n v e n t i o n a la c d c l i n k a cc o n v e r t e ra n dp h a s ec o n t r o l l e da c a cc o n v e r t e ri th a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha s ： ( 1 ) i th a sn od cl i n l 【p o w e rt r a n s p o r td i r e c t l y h e n c et h et r a n s f e re f f i c i e n c yi sh i g h ； ( 2 ) t h er e s u l t a n to u t p u tv o l t a g e sa n di n p u tc l m e n t 8a 把s i n u s o i d a l ，p r a c t i c a l l yw i t h o u t s u b h a r m o n i c sa n dh i g h e ro r d e rh a r m o n i c s ； ( 3 ) r e s p e c t i v e l yi n d e p e n d e n tc o n t r o l l a b l ei n p u ta n dl o a d sp o w e rf a c t o r ； ( 4 ) b i d i r e c t i o n a le n e r g yf l o wc a p a b i l i t y , s u i t a b l ef o rf o u rq u a d r a n ta cd r i v es y s t e m s ( 5 ) f r e es c a l ec o n t r o l ，c o m p a r ew i t hp h a s ec o n t r o l l e da c a ct r a n s d u c e r , o u t p u t f r e q u e n c yi sn o tr e s t r i c t e db yt h ef r e q u e n c yo fs u p p l y i nt h i sp a p e r , f i r s t l yg i v e na no v e r v i e wo nt w oo ft h et y p i c a lp u b l i s h e dt r a n s f e r p r i n c i p l e so fm c sw i t ht h r e ei n _ p l l ta n dt h r e eo u t p u tp h a s e s ( 3 3 m c ) ，d i r e c tt r a n s f e r ( v e n t u r i n ip r i n c i p l e ) b a s eo ns w i t e hf i m c t o na r i t h m e t i ca n di n d i r e c tt r a n s f e ra r i t h m e t i c u s i n gs p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ( s v m ) s e c o n d l yp r o p o s e dac o n t r o ls t r a t e g yb a s eo n t h o u g h to ft h eh y s t e r e s i s - c u r r e n tc o n t r o lf o rt h r e ei n p u ta n do n eo u t p u tp h a s e sm a t r i x c o n v e r t e r ( 3 1 m c ) ，t h e ng i v e nt h ef o r mp r o c e s s e so f3 3 m c st o p o l o g ya n di t sc o n t r o l s t r a t e g y a tt h es a 腓t i m eac o n t r o ls t r a t e g yf o rl i n ev o l t a g e si n p u t31 m cb a s eo n h y s t e r e s i s - c u r r e n tc o n t r o li sp r e s e n t e d an o v e ls p w mc a r r i e rw a v ep r e m o d u l a t i n g m o d u l a t i o ni sa l s op r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fo u t p u tw a v ed e t e r i o r a t i o nu n d e rt h e u n b a l a n c ei n p u ts t a t u s e s ，b yam a t hm e t h o dt h ec a r r i e rw a v ep r e - m o d u l a t i n gi sv e r i f i e d f i n a l l y , s i m u l a t i o no f v c n t u r i n ip r i n c i p l ei sv e r i f i e db yu s i n gt h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e 31 m ca n d3 3 m cb a s eo nt h et h o u g h to fh y s t e r e s i s c u r r e n tc o n t r o la l ea l s os i m u l a t e d ， a d d i t i o n a l l y , l i n ev o l t a g e si n p u t31 m cu s i n gs p w mc a r r i e rw a v ep r e - m o d u l a t i n g m o d u l a t i o ni ss i m u l a t e du n d e rt h ec o n d i t i o n so f b a l a n c ea n du n b a l a n c ei n p u ts t a t u s e s e m p h a s e so ft h i sp a p e ra l ep r e s e n t a t i o n sa n dv e r i f i c a t i o n so fh y s t e r e s i s - c u r r e n t c o n t r o ls t r a t e g yf o rm c ，a n dl i n ei n p u t3i m cc o n t r o ls t r a t e g yw i t hs p w mc a r r i e rw a v e p r e m o d u l a t i n g t h e o r ya n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o ni nt h i sp a p e rp r o v i d et h eb a s i c t e c h n o l o g yo fm c k e y w o r d s ：m a t r i xc o n v e r t e r ( m c ) ，v e n m r i n ip r i n c i p l e ，h y s t e r e s i s - c u r r e n tc o n t r o l ，s p w m c a r r i e rw a v ep r e - m o d u l a t i n g ，s i m u l a t i o nm o d l e 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 插图清单 n p m c 拓扑结构。7 3 3 m c 的典型拓扑结构 双向开关的几种构成形式 正常条件下矩阵式变换器最大电压变比 7 8 三相对称输入电压及注入三次谐波后的输出电压波形1 4 矩阵式变换器及其等效交，直交结构 空间电压矢量和它代表的三相电压 输出线电压六边形空间矢量 电压空间矢量的合成 输入相电流六边形空间矢量图 电流空间矢量的合成 1 8 1 8 1 9 1 9 开关控制规律的合成原则2 l b u c k 变换器及交流斩波电路 三相单相矩阵式变换器电路的推出 三相单相矩阵式变换器工作波形图 三相单相矩阵式变换器开关器件的开关逻辑 2 4 2 5 三相三相矩阵式变换器电路2 6 线电压输出矩阵式变换器图 由线电压供电的等效斩波电路2 8 矩阵式变换器的工作波形和开关逻辑2 9 相电压区间划分 s p w m 载波预调制与面积等效原理3 2 电源部分负载部分 单个双向开关的模型3 7 3 3 m c 功率变换部分3 7 3 3 m c 控制部分模型3 8 p w m 驱动信号产生模块及其内部结构3 9 q = o 4 5w o = 2 5 h z 时u a 的波形及f f t 分析结果4 0 q = o 4 5w o = 2 5 h z 时负载电流波形4 0 q = 0 5w o = 1 0 0 h z 时u a 的波形及f f t 分析结果4 1 q = 0 5w o = 1 0 0 h z 时负载电流波形4 l 输入电压和输入电流同相 输入电流超前输入电压6 0 0 输入电流滞后输入电压6 0 。 功率变换模块的仿真模型 4 2 4 2 4 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 状态发生器模块及其内部结构 斩波状态发生器的内部结构 t i m ez b ( p o s i t i v e ) 模块及其实现 s 1 i 参考电流正向时斩波状态逻辑产生过程 p w m 信号发生模块内部机构及产生方法 3 i m c 仿真模型。 2 5 h z 时负载电流及f f t 分析 2 5 i - i z 时负载电压及f f t 分析 1 0 0 h z 时负载电流及f f t 分析 1 0 0 h z 时负载电压及f f t 分析 2 5 h z 时负载电流波形 4 5 4 5 4 5 4 6 ，4 7 4 7 4 7 4 7 负载电流“的f f t 分析图4 8 线电压7 矗波形及f f t 分析 1 0 0 h z 时负载电流波形 负载电流“的f f t 分析图 线电压波形及f f t 分析 3 1 m c 功率变换模块的仿真模型 4 9 4 9 4 9 斩波状态产生模块及其内部结构 3 i m c 的仿真模型结构图 1 0 0 h z 时负载电流电压波形及f f t 分析5 2 不对称输入下滤波前后输出电压波形及频谱图。5 3 表2 1 表2 2 表2 - 3 表3 1 表格清单 电压空间矢量开关组合表 电流空间矢量开关组合表 开关组合方式。 一个周期相应的1 2 个开关管的工作状态逻辑值 2 0 3 0 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及取得的研究成果。据我所 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过的研究成果， 也不包含为获得 金筵王些盔堂 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谢意。 学位论文作者签名： 钵斌 f f 跏期四年厅z f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目工些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 冢有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金b - 王些太堂可 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期1 回年 学位论文作者毕业后去向： t 作单位： 通讯地址： 导师签名 寺叻试 t 签字h 期：。7 年y 月巧自 ， 。 电话 邮编 致谢 回首在合肥工业大学七年的学习和生活，给我留下许多美好难忘的回忆! 借此毕业之际，我首先要向我的导师杜少武教授致以最衷心的感谢! 我的 每一点进步都离不开杜老师的关心和指导。杜老师理论知识渊博、科研实践经 验丰富、敢于创新、对许多学术问题都有独到的见解。他严谨的学术科研作风 使我在科研实践和理论学习中受益匪浅。 我要感谢实验室的各位同学，他们是陈中、丁莉、陆源、张炜、张海云、 郝欣，我们在一起度过了研究生的三年，在这三年中我们不仅有学术的交流， 还有生活上的相互帮助。 最后我要感谢我的父母，感谢父母2 0 多年来对我的养育之恩和对我学业的 大力支持! 作者：韩斌 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 1 1 电力变换器的发展及应用现状 随着电力电子技术、电机控制理论和微处理器的不断进步，交流变频技术 开始逐步取代直流调速，在电气传动领域占据主导地位。在原有直流调速系统 和新建调速系统中，相当一部分都已经采用交流调速系统。变频调速技术在自 动控制、电气传动、电力变换等方面的广泛应用，使电能在变换、控制、利用 方式上获得了本质的变化，达到了高效、节能的效果。微电子技术与电力电子 技术的结合促进了电力电子技术的进步。随着电力电子技术的进步，电力变换 器得到了普及，各种电力变换器已在电力、机械、冶金、石油、化工、交通运 输等经济建设领域中得到越来越广泛的应用。各种电力变换器的应用程度和发 展水平是衡量一个国家电气化发展水平的一个重要标志【l l 。 然而随着接入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，这样使得传统的无功补偿问题变得复杂。因此电力谐波对电能质量的影 响日益显著，已引起人们广泛的关注和重视。 随着国民经济的高速发展，对电力能源的需求随之增长。在传统的石油， 煤炭等不可再生资源日益枯竭，且对环境污染较大的情况下。发挥我国幅员辽 阔，水力、风力等自然资源丰富的优势，大力发展水力，风力发电已成为我国 电力发展的一个重要方向。为提高水力、风力等可再生能源的利用效率，采用 变速恒频方式发电可使原动机( 风机、水轮机) 能在一定的可变速范围运行， 从而提高能量的获取和转换利用率，是一种非常适合水力或风力等可再牛能源 发电利用的运行方式。实现变速恒频发电的最佳方法是交流励磁技术1 2 5 j ，采 用这种技术可使发电系统根据原动机的转速变化来调节励磁电流的频率，可在 不同的速度下实现变速恒频发电；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，这是其它变频方 式所不能做剑的。要实现交流励磁发电，关键在于开发一种输入、输出特性好， 无电力谐波，功率可双向流动的“绿色”变频器。 1 2 常规电力变换器的缺陷 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、保护技术以及控制技术已趋于成 熟。目前常见的交流电力变换器主要是交直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交变频器【6 “l 。 交直交变换是电力电子技术中应用较广泛的一种变流方案。它由整流器、 滤波器和逆变器所组成，它的整流器电容滤波器是一种非线性元件和储能元件 的组合，因此虽然输入交流电压是正弦的，但是输入电流波形却发生严重畸变， 存在大量谐波，输入功率因素较低，会对电网造成“污染”，另外由于需要中间 直流储能环节大体积的无源器件( 大容量滤波电容) ，因此造成系统成本上升、 集成度低、可靠性降低等问题。 晶闸管器件的出现促进了交交变频技术的深入发展，由于交一交变频电路 采用的是移相触发的控制方式。因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压， 需要电网提供无功功率。在输出电压的一个周期内，控制角是以9 0o 为中心而 前后变化的。输出电压调制比越小，半周期内控制角的平均值越大，位移因数 越低。另外，负载的功率因数越低，输入功率因数也越低。而且不论负载功率 因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后的。并且对常用的三相桥 式电路而言，一般认为，输出上限频率不高于电网频率的l 3 l 2 。电网频率 为5 0 h z 时，交交变频电路的输出上限频率约为2 0 h z 。 目前，治理电力电子装置污染的方法有两种：一种是被动地装设谐波补偿 装置来补偿谐波，即在电力系统中投入大量的有源或无源滤波器，以补偿谐波 和无功功率；第二种是主动对电力电子装置本省进行改造，使其不产生谐波、 具有较高且可控制的功率因素。显然后者是一种较为积极的办法。 以上两种变换器的输入电流都含有大量的谐波，输入功率因素低。谐波在 电网中将产生大量的无功功率，使得电网无功功率失去平衡，对电网的稳定构 成威胁，对电力系统本身和用户的各种电气设备造成极大的危害9 j t f m j 。矩阵式 变换器( m a t r i xc o n v e r t e r ，m c ) 以其简单的拓扑结构及诸多诱人的特性，已经被 认为是一种极具发展前途的电力变换器。 1 3 矩阵式变换器的特点 目前普遍使用的晶闸管相控式交一交变频器和各种交直交变频器有较为明 显的负面影响一一无功功率和谐波污染等。为解决这些影响势必开发高功率因 素和低谐波污染的新型电力电子变换器，而矩阵式变换器在这些方面有着其他 变换器无法比拟的优越性能i ，【2 】： ( 1 ) 无中间直流环节，能量直接传递，传输效率高； ( 2 ) 可获得正弦波的输入电流和输出电压，波形失真度小； ( 3 ) 输入功率因数可在正负之间任意调节，可以不产生无功或对电网起剑 定的无功补偿作用，且与负载功率因数无关： ( 4 ) 能量可双向传递，适合四象限运行的交流传动系统： ( 5 ) 控制自由度大，与相控式交交变频相比，输出频率不受输入电源频率的 限制。 ( 6 ) 采用不同的控制算法，同矩阵式变换器装置可实现整流、逆变、变频 等功能： 2 1 4 矩阵式变换器的研究进展及应用领域 1 4 1 矩阵式变换器的发展过程及现状 矩阵式变换器的思想最初由l g y u g y i 和b r p e l l y 在1 9 7 6 年提出，但直到 1 9 7 9 年意大利学者m v e n m r i n i 和a a l e s i n a 提出矩阵式变换器存在理论以及控 制策略，促进了矩阵式变换器的迅速发展【1 2 1 ”。 由于矩阵式变换器的硬件特点要求大容量、高开关频率、具有双向阻断能 力和自关断能力的功率器件，同时由于控制思想较为复杂，要求具有高速处理 能力的微处理器。而在矩阵式变换器提出的初期，半导体工艺和技术水平难以 达到上述要求，所以7 0 年代末到8 0 年代初对矩阵式变换器的研究大多处于理 论研究阶段。 8 0 年代末期，矩阵式变换器的试验装置问世，但由于处理器及换流技术的 限制，输出频率都比较低。进入9 0 年代，随着电力电子器件及微处理器技术的 迅速发展，矩阵式变换器的研制出现了新的高潮。由两个单向开关构成的双向 开关多步换流技术被逐步推广，装置的性能得到极大的提高，最高输出频率达 到了电网频率的2 - - 3 倍。在这期间计算机的迅猛发展，涌现出一大批优秀的仿 真软件，m a t l a b 软件的出现为提高研究效率提供了便利，目前更多的理论分析 采用了仿真的方法。 8 0 年代末，美国弗吉尼亚电力电子研究中心前南斯拉夫学者l h u b e r 和美 国学者d b d r o j e e v i c 提出空间矢量调制技术并制作样机【i “。日本学者a 1 s h i g u r o 和t t u r u b a s h i 提出一种输入双线电压瞬时值法【1 引，南京航空航天大学的穆新 华等对此控制方法进行了仿真研究l l ”。1 9 9 2 年美国学者c l n e f f 和 g d s e h a u d e r 提出了一种应用于3 0 马力的矩阵式变换器的控制理论和实现方 案，并将此技术应用于伺服感应电机矢量控制系统 2 0 i 。1 9 9 6 年英国b r a d f o r d 大学的w a t t h a n a s a r n 等基于d s p 和i g b t 完成了2 k w 的实验样机 2 1 】。1 9 9 7 年 英国学者p w h e e l e r 和d g r a n t 提出了一种对构成双向开关的单向开关间切换实 现四步换流的低开关损耗和优化输入滤波器的矩阵式变换器仿真研究，并研制 出5 k w 的实验装置拉“。 目前国际上对矩阵式变换器的研究趋势是面向产品化，研究手段也在前期 较多采用理论分析和实验相结合的基础上，更多地采用仿真方法，以进一步提 高研究的深度和广度，提高研究的效率。 在国内，我国的矩阵式变换器的研究开展较晚。1 9 9 4 年在美国做过访问学 者的南京航空航天大学的庄心复，在电力电子技术上最早对矩阵式变换器 做了介绍【2 ”。9 0 年代末，上海大学、哈尔滨工业大学等单位先后在不同的基金 赞助下，开展了这方面的研究工作，并达到了一定的水平。1 9 9 8 年j 上海大学 基于空间矢量原理和8 0 c 1 9 6 k c 单片机研制成功了用i g b t 作为功率开关的矩 阵式变换器实验装置【2 4 。6 1 。2 0 0 0 年，哈尔滨工业大学陈学允、陈希有等建立了 矩阵式变换器的电路分析的等效电路，得到了输入电流、功率因数、电压增益、 输出阻抗等性能指标的解析表达式2 7 q 们。总体上来说，我国的矩阵式变换器的 研究工作无论在理论上还是在实际研制上，与国际领先水平相比，还有不小的 差距。 1 4 2 矩阵式变换器控制方法的研究 矩阵式变换器的控制方法有多种，根据变换器输出控制目标为电流或电压 的不同，可将各种控制方法分为电流控制法和电压控制法两大类。其中电压控 制法又有直接控制法和间接控制法。 l 、电流控制法【5 1 5 3 】 电流控制法以变换器输出电流作为控制目标，主要采用滞环电流跟踪的方 法。这种方法将三相输出电流信号与实测的输出电流信号相比较，根据比较结 果和当前的开关电源状态决定开关动作。它具有容易理解、实现简单、相应快 等优点，但是也有滞环电流跟踪控制共有的缺点，开关频率不够稳定，谐波随 机分布，不易滤波等。 2 、直接控制法 直接控制法又称为v e n t u r i n i 法，1 9 7 9 年意大利学者m v e n t u r i n i 和 a a l c s i n a 提出矩阵式变换器存在理论以及控制策略，从傅立叶变换和卷积理论 出发论证了矩阵式变换器高频综合定理，并根据高频综合定理提出一种在给定 输入电压函数、期望输出电压函数以及各种约束条件下，使变换器中相关的一 组功率开关各自的占空比由一个连续低频函数来表示，利用精确的数学表达式 来确定开关的具体动作。 3 、谐波注入法 v e n t u r i n i 法矩阵式变换器的电压传输比偏低，为了提高电压增益 m v e n t u r i n i 和a a l e s i n a 义提出了两种谐波注入式控制策略，通过在输出电压 中注入零序谐波分量使得输出电压的正负极值随着输入电压的包络线变化而变 化并在任何时刻始终位于输入电压包络线之内。谐波注入法的电压增益可以达 到理论 ：的最大值0 8 6 6 ，输入功率因数角也可在负载功率因数角的正负范围 内独立调节。但它的计算量更大，开关状态复杂，因而对控制系统要求很高。 4 、间接控制法 间接控制法主要指空间矢量调制法佰l 【i7 1 ( s v m ) ，它的摹本原理是在变换 器中虚拟一个直流环节，使交交直接变换等效为传统的交直交变换。对虚拟 的整流器和逆变器分别采用电流空间矢量调制和电压空间矢量调制，然后再消 去中间直流环节就得到整个变换器的空间矢量调制。由于采用目前流行的高频 整流和高频p w m 波形合成技术，使矩阵式变换器的性能得到较大的改善。虽 控制方案较为复杂，缺少有效的动态理论分析支持，但是，它能将整流和逆变 一步完成，使低次谐波得到了较好的抑制。更重要的是，对于采用矢量控制的 4 电机调速应用场合，可将电机调速系统的矢量控制和变换器的矢量控制合为一 体。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，并且输入 功率因数可改变，是目前最具有前途的一种调制策略。 1 4 3 矩阵式变换器的应用领域 矩阵式变换器由于具有输出电压输入电流均为正弦、能量可双向流动、输 入功率因素可调等优越性能而成为传统交直交变频器的替代技术。它主要可 以应用于以下场合： l 、风力发电：风力发电由于季节天气不同风速时刻都在变化，而风力所 能产生的电能与风速直接相关。传统做法是在风机输出轴上安装机械调速装置， 使发电机转速在不同风速下能基本保持恒速运转，但这使得风能无法完全利用。 利用双馈电机，可实现变速定频运行。发电机转子通过矩阵变换器与电网相连， 利用变换器的双向功率流动能力使转子与电网实现功率交换。变换器还同时控 制转子电压和变换器输入电流为正弦，它的另一个作用是实现定子有功无功的 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 现最大风能利用率。 2 ，直流电源：矩阵式变换器又称为万能变换器，它能根据负载情况将三 行三列的矩阵开关适当精简，而控制策略不改变即可得到各种输出。若将矩阵 式变换器输出电压频率设定为0 h z ，并去掉其中一行开关，则变成a c d c 变换 器，由于它能调节输入功率因素，因此可以作为功率因素校正器使用。 3 、感应电动机调速：传统变频器在交流电机调速系统领域的应用已经很 成熟，但矩阵式变换器在这一领域的某些方面仍有较强的竞争能力：频繁四象 限运行系统。矩阵式变换器将自身的功率双向流动能力和矢量控制、转矩控制 等调速方法结合起来，实现电机的高性能运行；对装置体积与重量有严格要求 的场合如军用汽车，战车等场合，全硅器件比传统变换器要优越：在变换器和 电机集成的应用场合等。 1 5 课题的主要研究内容 近几十年来，各国学者对矩阵式变换器的研究主要在：控制策略及双向开 关的实现这两个方面。就控制策略方面来讲，以v e n t u r i n i 法、空间矢量法最具 代表性。这两种控制策略各有其优越性，但不同程度地存在问题。其中间接变 换法的空间矢量调制法控制效果最佳，国内外研究者大多数采取这种方法。但 其调制过程复杂且缺少必要的理论分析方法和t 具，使矩阵式变换器走向产品 化缺少完善而深入的理论支持。尤其是国内，许多研究均停留在纯弹论方面， 或对国外研究现状的介绍方面。 为了更进一步研究和改进矩阵式变换器的控制策略，并为矩阵式变换器的 具体制作提供理论支持和实现方法，本文作了如下几方面的工作： 第二章对矩阵式变换器的理论基础进行阐述，并分别介绍了v c n t u r i n i 法 和空间矢量法的控制策略。 第三章鉴于v c n t u r i n i 法和空间矢量法都存在输入电压必须为三相对称电 压，但实际电网往往不能满足这一条件的缺点，采用一种基于电流滞环控制的 矩阵式变换器控制策略，同时为了解决电流滞环控制固有的缺点( 频率不稳定， 不易滤波等) 以及在输入不对称情况下为改善输出波形，提出一种新颖的 s p w m 载波预调制方法，并对此预调制方法进行了数学证明。 第四章在前两章控制理论分析基础上，展示了对矩阵式变换器控制策略的 仿真研究成果。应用m a t l a b s i m u l i n k 软件分别对v e n t u r i n i 法和本文提出的基 于电流滞环控制策略的矩阵式变换器进行仿真研究，并对采用s p w m 载波预调 制策略控制下的矩阵式变换器在输入对称及不对称情况下进行的仿真研究，且 重讲述以上几种控制策略在m a t l a b s i m u l i n k 软件下的建模思想以及仿真的实 现、仿真的结果及对比； 本文对矩阵式变换器的控制策略进行了创新性的研究，提出了新颖的调制 策略，并利用仿真软件进行了可行性的验证。通过对理论，仿真的分析得出了 一些有意义的经验和结论，并为这种新型“万能”变换器的进一步深入研究和 应用打下基础。 6 第二章矩阵式变换器的理论基础 2 1 矩阵式变换器 矩阵式变换器是一种新颖的电力变换器，从理论上讲，矩阵式变换器的输 入可以是n 相频率为五的交流电，输出可以是p 相频率为二的交流电。它的电 路拓扑结构如图2 1 所示：由连接在两个独立的n 、p 相系统之间的双向开关 矩阵组成，n 相输入p 相输出矩阵式变换器( n p m c ) 输入的n 相系统的每一 相输出端都和输出的p 相系统的每一相输入端通过一个双向开关相连接。 输入相 输 出 相 b bc 5 l 厶l 如l f c 丘了a f s f s l 2 ， ，二s 孓b 。f s 2 z ， ，二s 孓cf s 3 t f s 3 2 负 载 图2 1n p m c 拓扑结构 图2 23 3 m c 的典型拓扑结构 在实际研究中，往往以图2 2 所示的三相- 三相矩阵式变换器( 3 3 m c ) 为 丰要研究对象。该电路拓扑中含有9 个双向开关s l i s 1 3 ，s 2 l s 2 3 ，$ 3 1 $ 3 3 ；通过 对这9 个双向开关的逻辑控制，可实现对电源的电压和频率的变换，从而向负 载提供幅值和频率可调的电压和电流。即：对一组频率为劬的三相输入电压【， 通过一定的规则控制变换器中的功率开关，可以合成所需频率为绋的三相输出 电压一u 。，一u 。：一t + 万，式中不同的变换矩阵r 的确定方法就是各种矩阵式变换 器的控制策略。 2 2 双向开关的构成及特点1 5 4 巧6 o 矩阵式变换器是一种直接a c a c 变换器，它能实现能量的双向传递。因 此变换器中的开关器件在关断状态时承受的电压可能是正向的也可能是反向 的，同样在导通状态下，流过的电流既可能为正也可能为负，因此必须采用双 向开关。所谓双向开关是指在导通时能流过双向电流，关断时能阻断双向电 压，且具有自关断能力的器件，这样的双向开关又被称作四象限开关。但是受 制造t 艺，成本等因素的限制，目前尚未成熟的双向开关产品，因而只能采用 单向开关和二极管复合的方法来实现双向开关。这也是矩阵式变换器虽然早己 问世，但至今未能推广应用的原因之一。 目前常使用i g b t 和二极管等组成双向开关作为矩阵式变换器的功率开 关，常用的组合双向开关主要有五种形式，由一个i g b t 和四个二极管组成的 桥式双向开关、i g b t 和二极管组成的并联型双向开关、共发射极反向串联i g b t 组成的双向开关、共集电极反向串联i g b t 组合的双向开关和能实现零电压、 零电流的混和型双向开关。如图2 3 所示。 ( a ) l 广( d ) ( e ) 图2 3 双向开关的几种构成形式 ( 1 ) 桥式型，义称为二极管嵌入型。如图2 3 ( a ) 所示，它是由一个桥式整流 器和一个功率开关组成，可以应用于各种矩阵式变换器中。对于三相三相矩阵 式变换器需要9 个独立的驱动电源。功率开关数量少，但是任意时刻都有3 个 器件同时参与导通，导通压降较大，损耗较高。并且当开通时表现为一个真正 的交流开关，无法对电流方向进行控制，在换流期间会形成环流，必须串联大 容量电抗器。 ( 2 ) 并联型，见图2 3 ( b ) 这种类型需要两个功率开关和两个二极管，也可以 不需要二极管。具有分离元件少、可靠性高、电压传输比损失较小等特点。易 于对两个方向分别控制，便于解决四象限换流问题。 ( 3 ) 串联型，义分为共发射极和共集电极结构，分别见图2 3 ( c ) 和2 3 ( d ) 这 种类型需要两个功率开关和两个二极管，也具有分离元件少、可靠性高、电压 传输比损失较小等特点。每个功率开关、二极管均工作在二象限方式，易于对 两个方向分别控制，适当的换流策略可以消除环流，便于解决四象限换流问题。 对于三相三相矩阵式变换器而言，共发射极串联型图2 3 ( c ) 需要9 个独立的驱 动电源，而共集电极串联型2 3 ( d ) 需要6 个独立的驱动电源。 ( 4 ) 混合型，见图2 3 ( e ) 它由一个桥式整流器、两个功率开关、和一个小电 感、一个电容以及两个快速二极管组成。这种结构依靠电路中电容和电感的谐 9 9 振作用保证了开关开通时的电流从零开始增长，关断时关断电压接近于零，因 而近似做到开关过程零损耗。但是这种开关组合涉及的零电压电流理论较为复 杂，电感和电容的选择跟开关的工作频率、开关受到的压降和导通电流相关， 无法在电压、电流、频率和负载较大情况下运用。 综上所述，在矩阵式变换器的使用中，若i g b t 的驱动电路采用光耦进行 隔离。则并联型结构需要1 8 个、共发射极串联型为9 个、共集电极串联型为6 个独立电源，本文中使用的使共发射极串联型双向开关。 2 3 矩阵式变换器的控制策略 矩阵式变换器的控制策略主要分为： ( 1 ) 直接变换法：又称为v e n t u r i n i 法。这是一种基于开关函数的方法，1 9 7 9 年意大利学者m v e n t u r i n i 和a a l e s i n a 提出矩阵式变换器存在理论以及控制策 略，通过对输入电压的连续斩波来合成“输出电压”。最初的电压传输比只有 0 5 ，随后又通过在输入和输出电压中注入高次谐波实现矩阵式变换器的最大传 输比o 8 6 6 。这种方法可以对输入和输出各个要素进行调节，控制较为灵活， 但是存在具体实现复杂，软件运算量大等缺点。 ( 2 ) 间接变换法( 交直交等效变换法) ：基于空间矢量变换的一种方法，将 交交变换虚拟为交直变换和直交变换，它采用目前流行的高频整流和高频逆 变p w m 波形合成技术，使矩阵式变换器的性能得到较大的改善。在实际中它 将整流和逆变一步完成，使低次谐波得到了较好的抑制；这种控制策略既能控 制输出电压波形，又能控制输入电流波形，且输入功率因素可变，是目前最具 前途的一种控制策略。但是它的控制方案较为复杂，且缺少有效的动态理论分 析支持。 2 4 基于开关函数的v e n t u r i n i 法1 2 i ，1 4 s l ，i s n l 所谓开关函数是指在给定输入电压函数、期望输出电压函数以及各种约束 条件下，使电力变换器中相关的一组功率开关各自的占空比由一个连续函数或 分段连续函数来表示，利用精确的数学表达式来确定开关的具体动作。对于三 相三相矩阵式变换器，共有9 个双向开关，因此对应有9 个开关函数。 下面基于开关函数对三相。三相矩阵式变换器的变换原理进行描述。 典型的3 3 m c 如图2 2 所示，因为矩阵式变换器为电压源输入，因此输入 相不能被短路；同时考虑到输出常为星型阻感性负载，则输出相不能被开路。 定义单个开关函数为： 啪) = s 凡。嚣“ l ： 3 m 、 约束条件为： 9 s “+ 墨2 + s ，3 = 1 ，f 1 ，2 ，3 ( 2 2 ) 根据图2 2 及式2 1 ，2 2 。可以直接得到输出电压及输入电流的表达式： 墨2 s 2 2 墨：貅 陋， = 釜 = 匿se s s i s乏：ss：乏s：囊芝vbs$32 s , 2 $ 3 3s u j 。：， p 矗= lv wj = i 2 l 一3 l2 2 3 2 2 3 一s ”i 。ll，“ 【v “jb - 一- 一 一一 l 屹j 、 即7 一豳 ，。陛 叫k j ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 设给定初相为零的三相对称输入相电压以及产生的三相对称输出电流方 程分别为： 卅 爱 陋， * 巨巍 陋s ， 期望三相对称输出电压方程和三相对称输入电流方程分别为： 肿 篓魏 卅巨巍 1 0 ( 2 - 9 ) f 2 一l o ) ，非嚣m 剀k = i 肌吃 其中角位移口= 1 2 0 。，纯，和吼都是以输入电压零初相为参考的初相。 令三相一三相矩阵式变换器的低频开关函数矩阵为； 兄c 。= 墨娶墨娶墨誊) c ：一1 - ， 兄( f ) = i 厶l ( f ) 厶( f ) 3 ( f ) i ( 2 一1 ) 【五t ( f ) 五：( f ) ，( f ) j 其中，五，啪j ，p 啪j 与五，啪j 分别代表双向可控开关5 ，w 小岛j & 3 与s s ，岛j 的瞬时占空比，分别负责产生输出p w m 电压v 、v b 和v c 。由于 负载一般为感性，并且输入相不能短路，所以要求在任意时刻每一行的三个双 向开关中有且只有一个双向开关导通。显然矩阵f d ( t ) 的约束条件为：0 ：o ) l ， i , j = l ，2 ，3 ，并且_ l + 五2 + 厶= l 。 基于m c 变换原理，三相对称输出电压与三相对称输入电流方程应该分别 等于： m 陬( f ) 肿) f , 3 ( f ) 卜1 l i l z j 3 l 六一t ；工f 2 ：2 。( ，t ；厶f 3 3 。( t ) j i “ z j 雠l c j 臌搿豳l i cl 厶- ( f ) 五2 0 ) 厶3 ( f ) jj ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 其中，“t ”表示矩阵转置。 把式2 7 、2 - 8 、2 - 9 、2 - 1 0 代入式2 - 1 2 和2 一1 3 考虑到约束条件可得三相 一三相矩阵式变换器第i 行列元素为乃( f ) ，乃( f ) 为： 其中，i d = l ，2 ，3 ，c o = c o o q 为输出输入角频率差，哆= + 劬为输出 输入角频率和，相对于电源电压的开关函数矩阵初相，可输出电压变比， o g 0 5 ，为输入电流位移凋节因子，一1 s p 1 。 p =竺璺! 笪垒皇堕鱼整! ：皇竺! ! 生 t a n ( 负载角) t a n ( o l ) ( 2 - 1 5 ) 当= 0 时三相一三相矩阵式变换器的一组低频开关函数矩阵的各个函数 元素为： 幼 拓 塑。型，孚孚 ： 钟等 z 。= 半n + 2 c c o s 一啦蚺竿n + 幻c o s ( 自o o + q x ) 1 石2 = 旦芋b + 2 口c o s ( 一q 弦一训+ 竿a + 2 口c