（电力电子与电力传动专业论文）单相三相矩阵式高频链逆变器数学模型和控制方法研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t m a t r i xc o n v e r t e r ( m c ) i san e w - s t y l eg r e e nc o n v e r t e r t h cl a t e rc i r c u i t a d o p t si tt or e a l i z eh i g hf r e q u e n c y ( h f ) c o n v e r t e r , w h i c hc a ns o l v em a n y p r o b l e m sb r o u g h tb y5 0h zt r a n s f o r m e ri nt r a d i t i o n a lc o n v e r t e r s oi ta r o l l s e s a t t e n t i o n so f m a n yp e o p l e t h ep a p e rf o c u so nt h er e s e a r c ho ft h es i n g l ep h a s e t h r e ep h a s em a t r i x s t y l eh f l c o n v e r t e rw h i c h a d o p tm c a sl a t e rc i r c u i t n l ec h a r a c t e r i s t i c so fi t s t o p o l o g yi st or e a l i z ei n v e r t e ru s i n gd c h f a c a ct w os t a g es w i t c ha n dt h e f o r m e rd c 僵i f a cu s et r a d i t i o n a li n v e r t e r ；w i t ht h ei s o l a t e dt r a n s f o r m e r , t h e l a t e rc i r c u i tm a k e su s eo f s i n g l e p h a s e 3p h a s et oc a l t yo u ti t f a c a cf u n c t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e sa l la n a l y t i cm e t h o dw h i c hi ss e p a r a t i o na n dl i n k ，a n dt h e r e s e a r c ho fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti s i m p l e m e n t e dw i t ht w ok i n d so f m e t h o d sw h i c ha r ec a l l e ds p w mm o d u l a t i o na n ds p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n , i t h a sp r o v e dt h ef e a s i b i i t yo f t h e a n a l y t i cm e t h o do f s e p a r a t i o na n dl i n ka sw e l l a i m i n ga tt h en o n l i n e a rs p e c i a l t yo f t h ee l e c t r o n i cc i r c u i t ，t h ec l o s e d l o o p e x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tu s i n gt h ec o n t r o lm e t h o do fs l i d i n gm o d e n e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t sv a l i d a t et h ef e a s i b i f i t yo ft h ec o n t r o li d e a b e c a u s eo f t h es u p e r i o r i t yo f t l a ed i g i t a lc o n t r o lc o m p a r e dw 迁ht h es i m u l a t e d c o n t r o l , t h i sp a p e ra d o p t st h ed i g i t a lo fd s pa n dc p l dt od e s i g ni nt h e i d i o g r a p h i cr e a l i z a t i o n t h ee x p e r i m e n tc a r r yo u tt w ok i n do fp r o j e c tu s i n gap r o t o t y p e i tg a i n e d t h eo p e nl o o p e dr e s u l to fs p w mm o d u l a t i o nu n d e rs e p a r a t i o na n dl i n ka n dt h e c l o s e d l o o pr e s u l to fs p a c ev e c t o rm o d u l a t i o nu n d e rs l i a i n gm o d ec o n t r 0 1 a n d t h er e s u l t sv a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo f a n a l y z e di d e aa n dm o d u l a t i o ni d e aa n dt h e c o n t r o lm o d e t h ee x p e r i m e n to ft h i st h e s i s1 1 s e $ t h es a m e e x p e r i m e n tp r o t o t y p e i m p l e m e n t st w oe x p e r i m e n tp r o j e c t i nt h ee x p e r i m e n t ，d e s e r v e st h er e s u l to f t h es e p a r a t i o na n dl i n ka n ds i n ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s p w m ) w h i c hi s a b s t r a c t o p e n - l o o pa n dt h er e s u l to ft h es e p a r a t i o na n dl i n k + s p a c ev e c t o rm o d 出i o n a n ds l i d i n gm o d e lc o n t r o lw h i c hi sc l o s e d - b o p i nt h ee x p e r i m e n tp o i n to f v i e w v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f a n a l y s e s ，m o d u l a t i o na n dc o n t r o lt h o u g h t k e y w o r d sh i g hf r e q u e n c yl i n k ( h f l ) ；m a t r i xc o n v e r t e ro 讧c ) ；s l i d i n gm o d e c o n t r o l ；d i g i t a lc o n t r o l ；s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ；s e p a r a t i o na n d l i n k t h i sw o r kw a ss u p p o m ab ya g r a n tf r o mt h ek e yp r o g r a m so f t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o f c h i n a ( n o 5 0 2 3 7 0 2 0 ) m 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文单相三相矩阵式高频链 逆变器数学模型和控制方法研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读 硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已 注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结 果将完全由本人承担。 作者签字磊垂露 日期：刀叮年4 月7 妇 燕山大学硕士学位论文使用授权书 单相- - 相矩阵式高频链逆变器数学模型和控制方法研究系本人在 燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的 研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位 及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅 和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：鹰壅雷 导师躲却弗卵 - ，r ， 日期：硐年牟月初日 日期：w 口7 年4 月。列日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 高频逆变技术概述 传统的逆变技术通常采用逆变器输出加一级工频变压器来实现电气隔 离和电压调整【1 j ：典型结构如图l - l 所示。为了滤除逆变器产生的高次谐 波，输出滤波器是必不可少的。虽然该方法应用广泛，性能可靠、技术成 熟，但是仍然存在着许多不足之处： ( 1 ) i 频变压器体积大、笨重。 ( 2 ) 输出滤波器体积大、笨重。 ( 3 ) 电路中储能元件的存在使得集成模块体积大，笨重。 ( 4 ) 对于输入电压及负载的波动，系统的动态响应特性差。 _ 晤 1 tit f 囟 图1 - 1 传统低频环节逆变器结构 f i g 1 - 1t h ef r a m eo f l o wf r e q u e n c yi n v e r t e r 因此研究新型的既有优良控制性能和优良输入电流品质面成本又低、 结构紧凑可靠的变换器已成为当前的发展趋势。m r e s p e l a g e 于1 9 7 7 年提 出了高频链逆变技术的新概念1 2 】。高频链逆变技术与常规的逆变技术最大 的不同在于前者利用高频变压器实现输入与输出的电气隔离并进行能量流 动，减小了变压器的体积和重量，降低了成本，提高了电能的利用率，显 著提高了逆变器特性【3 】，因此，此项技术引起了很多人的兴趣。按不同的 标准分析高频链逆变器，可以有不同的划分形式。按负载相数可分为单相 和三相：按功率能否双向流动可分为功率双向和功率单向两种形式；按电 路的工作机理分为p w m 式和谐振式两种类型；按功率变换器的类型可分 燕山大学工学硕士学位论文 为电压源( v o l t a g em o d e 或b u c km o d e ) 和电流源( c u r r e n tm o d e 或b u c k - b o o s t m o d e ) 两种；按电路拓扑结构可分为d c f d c 变换型高频链逆变器 ( d c h f a c d c l f a c ) 和矩阵变换型高频链逆变器( d c h f a c l f a c ) “】。 下面针对最后一种划分方法进行简单介绍。 ( 1 ) 矩阵式高频链逆变器( d c h f a c l f a c ) d c m f a c l f a c 是目前 实现双向传输功率的常用方案。该方案一般由一个逆变器和一个矩阵变换 器级联而成，如图1 2 所示，从而省去了d c ，d c 变换型高频链逆变器中 的直流环节，因此只需要二级功率变换( d c - h f a c l f a c ) ，减小了逆变器 的通态损耗，提高了系统效率和可靠性。但其主要缺点是：当负载开路时， 变压器漏感的储能没有放电回路而产生较大的电压浪涌。 图1 - 2d c i - i f a c l f a c 拓扑 f i g 1 - 2t h et o p o l o g yo f d c h f a c l f a c ( 2 ) d c d c 变换型高频链逆变器这种类型高频链逆变器是目前应用 最广泛的功率单向流动电压源高频链逆变器方案，它的经典电路如图i - 3 所示。该方案是在直流侧和逆变器之间插入一级具有高频环节d c ，d c 变 换器，使用高频变压器实现电压调整和电气隔离。很明显，此类拓扑具有 三级功率变换。 图i - 3d c h f a c d c l f a c 拓扑 f i g 1 - 3t h et o p o l o g yo f d c h f a c d c l f a c 它的优点是： 所有功率开关都是单向可控的； 2 第1 章绪论 高频d c d c 部分和d c a c 部分的控制相对独立，两部分配合起来比较 简单，基本上不需要同步。 主要缺点是： 功率单向流动； 通态损耗大。 。 对以上两种方案比较，可见，如果矩阵变换器的研究成熟的话，则矩 阵式高频链逆变器相对来讲会比较占优势。 1 2 矩阵变换器概述 矩阵变换器是一个从任意m 相输入直接变换为任意n 相输出的交交电 力变换装置。历史发展中交交变换器的名称有很多，如矩阵变换器( 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 ec o m m u t a t i o nc y c l e c o n v e r t e r ) 、直接频率交换器( d f c ：d i r e c tf r e q u e n c yc o n v e r t e r ) 等。m c 学术 思想最初由l g y u g y i 和b p p e l l v 在1 9 7 6 年提出的研。 1 虱1 - 4 - - g 劬, 三相输出矩阵变换器拓扑 f i g 1 - 4m a t r i xc o n v e r t e rt o p o l o g yw i t ht h r e e - p h a s ei n p u ta n do u t p u t 但是由于当时电力电子器件、计算机控制芯片的性能不理想与控制算 法的落后等因素制约，致使要实现矩阵变换器难度很大。随着电力电子技 术和现代控制理论近几十年的发展，矩阵变换器正在逐步从理论步向工业 应用。伴随着学术界对其理论分析和实践研究的不断深入，矩阵变换器体 现出众多优越的性能，受到了大家的普遍关注【叫。常用的矩阵变换器为3 3 燕山大学工学硕士学位论文 相输入和3 相输出型的，即3 相3 相的矩阵变换器。它的电路结构如上图 1 4 所示。图中开关均为双向开关。从图中可以看出： ( 1 ) 由于任一输入相均可以通过开关和任一输出相相连，所以控制自由 度大，输出电压可调，输出频率既可比输入频率高，也可以比输入频率低， 没有理论输出极限值，理论上可为任意值( 以功率开关和控制器处理速度够 快为前提) 。 ( 2 ) 输入功率因数可任意调节，可超前、可滞后，可调至极近于1 。 ( 3 ) 采用双向开关，能量可双向流动，尤其适合于电机的四象限运行。 ( 4 ) 无中间直流储能环节，可以实现单级交换，结构紧凑，功率密度大， 体积小，效率高，符合模块化发展方向，有很好的发展空间【m 1 2 】。 由于具有诸多优点，矩阵式变换器成为电力电子技术目前研究的热点 之一，可在以下领域中发挥作用： ( 1 ) 用于转速较低的传动系统由于矩阵式变换器省去中间储能环节， 直接进行交一交变换，电压传输比受到一定的限制，其输出的频率较高时 会出现输出电压不足的问题，因此应用在对调速范围不高的场合下。 ( 2 ) 用于电源产品在矩阵式变换器的调制理论和实现技术较为成熟 时，可以进行a c d c 和d c a c 变换，与目前的电源产品相比，它有一定 优越性，如功率因数高、无中间储能环节、结构紧凑寿命长在这方面， 矩阵式变换器的研究有良好的市场前景 ( 3 ) 用于高压大功率变换如前所述，矩阵式变换器有输入输出电压比 不够高的缺点，但在需要高压的场合，可以将矩阵式变换器串联使用，达 到高压大功率输出的目的。 ( 4 ) 用于功率因数校正由于矩阵式变换器的输入功率因数可以任意 调节的，其控制策略和实现技术在某些场合下可以用于校正电路的功率因 数【l 扣1 5 1 。 1 3 矩阵变换器的研究进展 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 r i n i 和久a l e s i n a 提 4 第1 章绪论 出了矩阵交换器存在控制策略后，其特点才为人们所关注和研究 1 6 1 。 矩阵变换器从提出到现在的接近三十年时间里，国内外有众多的学者 在矩阵变换器的控制中取得了显著的成果，主要的研究内容和成果体现在 以下几个方面： ( 1 ) 电路拓扑结构的研究【1 7 1 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，因此被称为通用变换器，根据m ，n 取值 的不同及输入、输出端电源性质的不同，人们提出了许多拓扑： 从三相交流变换到直流( 三相单相整流) ； 从三相交流变换到单相交流( 三相，单相交频) ； 从直流变换到三相交流( 单相_ - - 相逆变) ； 基于双向开关的单相单相直接交流变换器( 单相，单相变频) ； 从三相交流变换到三相交流，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，它是研究最多的一种拓扑( 三相仨相变频) 。 ( 2 ) 变换器控制方法的研究目前的研究主要针对三相仨相矩阵交换 器的控制技术，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，大致有如下几种控制方法：。 v e n t u r i n i 控制法 1 s - 1 9 】。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，但电压增益小于o 5 。 瞬时双电压合成法p o 】。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( s v m ：s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ) 2 1 “2 2 】。它引入空间矢 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 波成分比较少，电压增益可达到o 8 6 6 ，具体实现简单，因而具有实用价 值，但是抗干扰性能不好。 滞环电流控制法。它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。 ( 3 ) 矩阵变换器元器件的研究【2 3 】矩阵变换器元器件的研究进展充分 燕山大学工学硕士学位论文 体现了电力电子技术的进步和它的发展趋势。由于矩阵变换器要求的双向 开关并不存在，实际使用分立的开关组合而成，大致有下图所示几种： ( a ) 桥式组合 j 一 ( b ) 反向并联 l 广 ( c ) 共射极反向串连 ( d ) 共集极反向串连 图1 - 5 双向开关构成方案 f i g 1 - 5b i - d i r e c t i o ns w i t c hs t r u c t u r e 近年来出现了使用具有反向阻断能力的i g b t 构成双向开关的方案， 如下图1 - 6 所示。可以将使用的半导体数量减少到5 0 ，即1 8 只i g b t 。 它有效地降低了主电路的复杂程度，减少了主电路的接线，从而减少了分 布电感。 - j i 图1 6r b - i g b t 双向开关 f i g 1 - 6b i - d i r e c t i o ns w i t c hs t r u c t u r e 为了进一步降低矩阵变换器的主电路复杂性，减少寄生参数，国外学 者开始针对矩阵变换器功率模块的研究：采用与i g b t 模块相同的做法， 将双向开关或多个双向开关器件集成在一块硅片上，如富士公司为矩阵变 换器开发的功率模块，它将矩阵变换器的一个输出相的六个开关作为封装 6 第1 章绪论 单元；还出现了矩阵变换器系统级集成的功率模块，将双向开关及其驱动 保护电路、控制电路集成在一起，形成所谓的电子积木p e b b ( p o w e r e l e c t r o n i c sb u i l d i n gb l o c k s ) ，它使得整个变换器装置体积进一步缩小，可 靠性大大提高，损耗变小。 ( 4 ) 换流方法的研究口4 1 常用的逆变器桥臂会提供一个二极管续流回 路，但矩阵变换器采用双向开关，不存在续流回路，导致了换流问题的出 现。由于矩阵变换器采用双向开关器件，输入为电压源，输出通常为感性 负载，换流必须保证输入不会短路，输出不会突然开路，所以换流情况比 较复杂，也是矩阵变换器至今无法推向工业应用的关键问题，为实现安全 换流，各国学者进行了大量研究，大致有以下几种换流方案： 死区换流方案。安排死区以避免换流时刻输入线间短路，同时还须提 供某种形式的电压缓冲或可替代的电流通路以避免感性负载开路时引起的 开关过电压在有缓冲电路和电感性负载时，开关为硬开关运行方式，缓 冲能量被释放时会伴随能量损耗 ? 重叠换流方案。重叠换流是以输入线间短暂的短路过程来实现电流的 切换，为此需在输入线中引入小电感以限制短路电流。鉴于限流电感体积 大、成本高，同时又有可能引入新的过电压等弊病，一般应尽量避免使用 重叠换流方式。 谐振式软开关换流方案。台湾学者潘晴财教授提出的一种基于电流滞 环调制的谐振式软开关换流策略。这仅限于电流滞环调制的矩阵变换器换 流。 半软换流方案1 2 t - 2 6 1 。如果需要换流的两双向开关都是由两个单向开关 组合而成并可独立控制，这时可采用一种称之为四步换流的方式实现器件 问的安全切换。用图1 7 中a 相换流到b 相为例说明：当负载电流l 0 时，第 一步关断a 相的负导通部分a 2 ：第二步开通b 相的正导通部分b i ；第三步 关断a 相的正导通部分a l ；第四步开通b 相的负导通部分b 2 ，这样就完成 了两个双向开关之间的换流。可见，四步换流成功的构成了对两个双向开 关的换流控制，既禁止了可能使电源发生短路的开关组合，又保证了在任 意时刻给负载提供至少一条流通路径。当要关断的器件被将开通的器件施 7 燕山大学工学硕士学位论文 以反压的时候可以实现零电流开关，而这种情况发生的概率又只有5 0 ， 故称之为半软换流。 图1 7 矩阵变换器两相间换流的控制信号示意图 f i g 1 - 7m a t r i xc o n v e r t e rc o m m u t a t i o ns k e t c hm a p i nt 、v o p h a s ec i r c u i t 目前还有一种在半软换流技术的基础上实现自适应换流方案 2 7 1 。它不 仅要求检测输出电流的极性，而且要求知道输出电流的大小，根据输出电 流的极性确定开关换流的顺序，根据输出电流的大小决定换流间隔时间的 长短，从而实现自适应控制。这样做可以使换流根据负载电流情况不断进 行调整，减轻换流对功率器件的冲击，还能使调制频率和负载容量都得到 提高但是，它也增加了处理器的工作量，要求处理器能够快速地实时运 算处理。 1 4 本文的研究内容和意义 1 4 1 本文的研究内容 本文主要研究针对单相- - 相矩阵式变换高频链逆变器进行调制方法、 数学模型和控制方法的研究，并在理论分析和仿真研究的基础上进行了实 验研究。 本文的主要研究内容是： ( 1 ) 系统的论述了矩阵变换器的发展、现状以及应用前景。 第1 章绪论 ( 2 ) 分析了高频链逆交器后级电路一单相三相矩阵变换器的工作原 理，提出了一种解结耦的分析思想，并结合s p w m 调制和空间矢量调制两 种调制方法对电路进行了原理分析、仿真和实验验证。 ( 3 ) 对单相z 相矩阵变换器的建模方法进行了讨论，并采用了三种方 法对电路进行了数学模型的建立。 ( 4 ) 结合对主电路建立的数学模型，采用非线性控制方法滑模变结构控 制对电路进行了滑模控制器设计，进行了闭环控制的研究。 ( 5 ) 设计并研制了单相，三相矩阵变换高频链逆变器原理样机，采用 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p + c p l d 对电路进行了数字化控制，得到了比较理想的 实验结果。 1 4 2 本文的研究意义 矩阵变换器是一种具有优良控制性能和优良输入电流品质而又成本 低、结构紧凑可靠的变换器，近些年来得到了国内学者的广泛关注本文 的研究对象将矩阵变换器引入到三相逆变器结构当中，从而得到了一种新 的三相逆变电路拓扑，完成了变频，变压的功能。文章提出了一种新的解 结耦思想，使得对矩阵变换器的控制和分析变得更加容易；并且采用滑模 变结构的控制方法对这种调制思想进行了仿真实验验证。文章从数学分析 的角度，采用模型建立比较对比法基本上证明了解结耦调制思想的可行性， 而且这为对矩阵变换器的更深入研究打下了基础。 本文课题来源是国家自然科学基金重点资助项目“新型高频中小功率 逆变电源的控制技术和拓扑技术研究” 9 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章矩阵式高频链逆变器理论 2 1引言 本章主要介绍了高频链逆变器中高频低频、单相三相矩阵变换器的 工作原理，并在解结耦分析的基础上，采用s p w m 调制和空间矢量调制两 种方法对电路进行了原理分析和仿真验证。 2 2 主电路拓扑 2 2 1 主电路结构 首先我们给出矩阵式高频链逆变器所采用的基本拓扑结构，如下图2 1 所示： i d eii x y a c l i a c l i a c i a c 2 ia c 2 i lii iij 图2 - 1 单相仨相矩阵变换高频链逆变器 f i g 2 - 1h f l i n v e r t e rw i t hs i n g l e - p h a s et ot h r e e - p h a s em a t r i xc o n v e r t e r 单相三相矩阵交换高频链逆变器主电路采用d c a c l a c z 的两级变换 方式。主电路的特征是：d c a c l 部分工作在逆变器形式，a c l a c 2 部分工 作在单相，三相矩阵变换器形式。其中，d c 为直流输入电源，a c i 为对d c 进行第一次变换后所得到的交流电压，其形式为高频方波，通常我们采用 第2 章矩阵式高频链逆变器理论 常规的h 型全桥逆变电路获得；之后经过高频隔离变压器作为后续矩阵变 换器的单相输入，经过a c l a c 2 矩阵变换器单相仨相的变换后，输出基波 为工频的三相交流电。 2 2 2 解结耦思想分析 单相三相高频链逆变器的主电路前级电路采用简单的全桥逆变电路 实现，开关驱动波形为占空比小于0 5 的方波驱动，故逆变器输出为存在 死区的交流方波输出。波形如下图2 - 2 中u i n 所示。我们解结耦思想的出 发点就是针对后级矩阵变换器的输入电压u j n 进行分解，以零电压为基准 将一个开关周期中的电压分解为大于零的电压u 1 和小于零的电压u 2 两个 电压，如图2 - 2 所示这样我们就可以将高频链逆变器的后级矩阵变换器 看作是两个逆变器的反向连接如图2 3 所示。 ( 1 ) 在t 0 一t 1 时间段内，矩阵变换器的输入为正电压u 1 。此时，要想 有能量传递，则必须有矩阵变换器的向上导通的开关流通才可以。所以在 这种状态下，参加工作的开关管组成一个逆变器t 1 。如图2 3 所示。 ( 2 ) 在t 2 一t 3 时间段内，矩阵变换器的输入为负电压u 2 ，此时，要想有 能量传递，则必须有矩阵变换器的向下导通的开关流通才可以。所以在这 种状态下，参加工作的开关管组成一个逆变器t 2 。如图2 - 3 所示。 t ot lt 2t 3t 4t 5 图2 - 2 解结耦思想分析 f i g 2 - 2a n a l y s i so f s e p a r a t i n ga n dl i n k i n g ( 3 ) 在t l - t 2 和t 3 一“时问段内，输入为零，这个时间段为相间续流状态。 燕山大学工学硕士学位论文 在实验过程中，因为变压器的存在，这段时间会很小，甚至不存在。 t l 图2 3 矩阵变换器的解结耦 f i g 2 - 3s e p a r a t ea n dl i n kt om a l r i xc o n v g l - t e r 通过这种解结耦的分析，我们就可以将对矩阵变换器的分析转化为在 开关周期的不同阶段，对三相逆变器的分析，这就是解结耦思想中的“解 耦”原理。“结耦”就是将分别对两个三相逆变器分析完的调制方法和 控制方法结合起来，然后运用到我们的矩阵变换器中。下面我们结合高 频链逆变器的工作状态对上述的解结耦思想作进一步的阐述。 对于图2 - 1 所示的矩阵变换器实际结构，输入电压不能被短路，输出 电压不能突然开路，每个输出相只能连至一个输入相。按此规则，主电 路有1 2 种工作状态。工作状态图和工作状态表如图2 4 和表2 1 所示。 其中“+ 1 ，+ 2 ，+ 3 ”和“一1 ，一2 ，一3 ”六个状态表示后级m c 输入电压 为正电压，逆变器t 1 处于工作状态，t 2 不工作。“+ 4 ，+ 5 ，+ 6 ”和“一 4 ，一5 ，一6 ”六种状态表示后级m c 输入电压为负电压，逆变器t 2 处于 工作状态，t 1 不工作。每种工作状态下的输出电压、导通开关和电流流 向等基本量，如图2 - 4 和表2 1 所示，其中，u a b 表示后级矩阵变换器的 输入电压，u a b ，u b c ，u c a 分别表示三相输出线电压。 基于以上的分析，我们在对电路进行调制和控制的时候，就可以在不 第2 章矩阵式高频链逆变器理论 同的工作状态下，将m c 看作三相逆变器t l 或t 2 进行分析，然后再将 分析完的结果运用到矩阵变换器中我们还对解结耦分析思想进行了数 学原理角度的证明，将在第三章中论述。 表2 1 主电路工作状态表 t a b l e2 1w o r ks t a t et a b l e 状态 u bu b cu c au i n 导通开关 + 1t j a b ou a b + s i 、s 9 、s 1 1 1- u a b0u a b + s 3 、s 5 、s 7 + 2 - u a bu a b0 + s 3 ，s 7 ，s 1 1 - 2u a b- u a b0 + s l 、s 5 、s 9 + 30 - u a b u a b+ s 5 、s 7 ，s 9 30u a b- u a b + s 1 s 3 ，s 1 1 “ u a b0u a bs 8 、s 4 、s 6 4 - u a bou a bs 2 、s 1 2 。s i o + 5- u a bu a bos 2 、s 6 、s l o 5u a b- u a bos 4 、s 8 、s 1 2 + 60- u a bu a bs 2 、s 4 、s 1 2 6 0u a b- u a bs 6 、s 8 、s i o ( a ) + 1 状态( b ) + 4 状态 燕山大学工学硕士学位论文 - 2 状态 1 4 ( 1 ) - 5 状态 第2 章矩阵式高频链逆变器理论 ( 曲- 3 状态( h ) 一6 状态 图2 - 4 主电路工作状态 f i g 2 - 4t h ew o r k i n g s t a t e so f m a i nc k c u i t 根据输出的需要，应用不同的调制方法，我们对上面的1 2 种工作状 态进行组合，就可以得到所需要的输出。 2 2 3 矩阵变换器的调制策路 矩阵变换器的任务是将一个频率为的m 相系统变换为一个频率为 的n 相系统，对于任意一组输入电压仉，通过按一定规律控制矩阵变 换器主回路中的矩阵开关，可以合成所需要的输出线电压玑调制策略可 以表示成开关传递矩阵的形式。目前，对于已被广泛研究的矩阵变换器来 燕山大学工学硕士学位论文 说，根据确定变换器矩阵的不同，矩阵交换器的调制策略主要分为以下几 类： ( 1 ) 直接变换法直接变换法是通过对输入电压的连续斩波来合成“输 出电压”的，它可以分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法及标量法， 所有这些方法虽各有一定的优越性，但也存在一定的问题，限制了它们的 应用范围。如标量法的输入相电流波形较好，但输出谐波较大。 ( 2 ) 电流跟踪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、响应快、鲁棒性好等特点，但也有滞环电流共有的缺 点：开关频率不够稳定，谐波随机分布且输入电流波形不够理想，存在较 大的谐波等。 ( 3 ) 空间矢量法又称为间接变换法、交一直一交等效变换法，是基于空 间矢量变换的一种方法，它将交一交变换虚拟为交一直和直一交变换，这样便 可采用目前流行的高频整流和高频p w m 波形合成技术，变换器的性能可 以得到较大的改善。当然具体实现时是将整流和逆交一步完成的，低次谐 波得到了较好的抑制，但控制方案较为复杂，缺少有效的动态理论分析支 持。 ( 4 ) 解结耦调制法这一调制方法是针对单相，三相矩阵变换器拓扑所 提出来的新的调制技术这种调制方法具有控制简单、计算量小的优点， 而且通过同步性的设计可以实现矩阵开关的软开关。 下文中我们结合解结耦的思想，采用s p w m 和空间矢量调制两种方法 对高频链逆变器进行了分析。 2 2 3 1基于解结耦调制思想的s p w m 调制基于解结耦调制思想的 s p w m 调n t 2 s 2 9 就是先对经过解耦的两个逆变器分别进行s p w m 调制， 然后对两个逆变器的s p w m 驱动信号进行逻辑组合，即结耦。再将结耦后 的驱动信号作为双向交流开关的驱动信号对矩阵变换器进行控制。 调制原理如下图2 5 所示，它是a 相的调制原理分析图，b 、c 两相 和a 相一样。先用锯齿波和正弦波进行调制，得到两路互补的s p w m 脉 冲。即图2 5 中所示的s p w m l 和s p w m 2 。然后再和占空比为o 5 ，相位 1 6 第2 章矩阵式高频链逆变器理论 差为1 8 0 。的方波v l 和v 2 进行逻辑组合，v l 和v 2 与前级逆变桥的驱动 波形是同步的，他们的频率是锯齿波的两倍。这样就可以得到a 相所需要 的四路驱动脉冲，他们之间的逻辑关系为： g 1 = s p w m l & v 1g 7 = s p w m 2 & v 1 g 8 = s p w m l & v 2g 2 = s p w m 2 & v 2 | 一 pfr贰卜 念 弋 a 讳 3 jj 击 厶 i ii r m l l-_ _i r m lil i l l li lli 一一一一一一 v 1 厂 厂 厂 厂 r 厂 厂 、，2 厂 r r 厂 厂 厂 g 1一一 il_ g l一_ ill g 7 iii g 2 i li 图2 - 5 基于解结耦s p w m 调制 f i g 2 - 5s p w mm o d u l a t i o n su n d e rs e p a r a t e - l i n km o d e l 采用v l 和v 2 对s p w m 波形进行分解的过程，就是“解耦”的过程。 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 将一个周期内的驱动信号分解为两个半周期中两个不同的逆变器的驱动信 号，然后将驱动信号加到矩阵变换器的开关上即可。 另外两相b 相和c 相和a 相类似，调制关系为： g 3 = s p w m 3 & v 1g 9 = s p w m 4 & v 1 g 1 0 = s p w m 3 & v 2g 4 = s p w m 4 & v 2 g 5 = s p m w 5 & v l g 11 = s p w m 6 & v 1 g 1 2 = s p w m 5 & v 2g 6 = s p w m 6 & v 2 为了对以上调制方法进行验证，我们还对其进行了仿真研究。仿真主 电路拓扑采用图2 1 所示主电路。 仿真参数为：输入电压：v d c = 4 8v 负载：r = 1 0q 滤波参数：l = 3 0 0u h c = 3 0 u f 仿真结果如下图2 - 6 所示： aa 。n 5 m s d i v bkl 嘧l 瓣2 z 4 i e - 7 阻：l 庸：封l f f 0 i ( a ) 三相电压图( b ) 相电压和相电流比较图 图2 - 6 基于解结耦$ p w i v l 调制仿真波形 f i g 2 - 6t h er e s u l t so fs p w m m o d u l a t i o nu n d e rs e p a r a t e - l i n km o d e l 图2 - 6 ( a ) 所示三相正弦波为三相输出相电压波形图，它的正弦度和相 位都很好，和我们的理论分析相符。图2 - 6 ( b ) 所示波型为其中一相的相电 压和相电流的输出比较波形图，从图中可以看出，他们的相位基本一致。 以上仿真结果验证了我们调制思想的可行性。 第2 章矩阵式高频链逆变器理论 2 2 3 2 基于解结耦调制思想的空间矢量调制 定义空间电压矢量： 移= 詈( + e 学+ e 牟) 我们对表2 - 1 所示的各个电路工作状态进行运用上式进行矢量计算，就得 到空间各个工作状态的空间矢量表，如下表2 - 2 所示。 ：麦2 - 2 主电路空间矢量状态表 t a b l e2 - 2s p a c ev e c t o rs t a t et a b l e 导通开关调制类型 输出电压v 。 只凡 s 1 ，s 9 ，s “+ l ( 2 1 6 ) u a b 3 0 0 s 3 ，s 5 ，s ，1 ( 2 历) u a b 1 5 00 s 3 ，s 7 、s 1 l+ 2 ( 2 压) u a b 1 5 0o s l ，s 5 s 92 ( 2 压) u a b 3 00 s 5 、s 7 s 9+ 3 ( 2 压) u a b 9 0 0 s l ，s 3 ，s 1 l- 3 ( 2 , 6 ) u a b - 9 00 s 8 ，s 4 、s 6 “ ( 2 打) u a b 3 0 1 8 0 s 2 、s 1 2 、s 1 0 4 ( 2 , 3 ) o a b - 1 5 01 8 0 s 2 ，s 6 、s 1 0 + 5 ( 2 1 3 ) u a b 1 5 01 8 0 s 4 、s 8 、s 1 25 ( 2 4 3 ) u a b 3 01 8 0 s 2 、s 4 s 1 2 ( 2 , 3 ) u a b 9 01 3 0 s 6 、s 8 ，s 1 0 _ 6 ( 2 1 3 ) u a b - 9 01 8 0 我们从表2 2 可以看出，主电路有六种输出电压空间矢量，他们组成 了一个正六边形，如图2 - 7 ( a ) 所示，它和普通的三相逆变器的电压矢量是 一样的。高频链逆变器后级电路矩阵变换器的输入电压空间矢量有两种， 如图2 - 7 ( b ) 所示。两种输入电压矢量和六种输入电压矢量相互组合，就是 我们主电路拓扑的1 2 种工作状态。所以我们可以对电压矢量进行控制，然 后选择合适的工作状态，就可以得到我们所需要的输出。 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 在对电路进行矢量分析时，我们可以先根据六种输出电压矢量对传统 的三相逆变器进行矢量调制分析，得至六路驱动信号。然后用两种输入电 压矢量和得到的六路驱动组合，就可以得到矩阵变换器的驱动信号。这种 分析方式也体现了一种“解结耦”的分析思想。 - 1 , - 4 l + 4 ，+ 5 ，+ 6： + l + 2 ，+ 3 兰窖生：k 至u 。 - 2 5 l 书+ 6 ( a ) 输出电压( b ) 输入电压 图2 7 空间矢量图 f i g 2 - 7t h es p a c ev e c t o ro f o u t p u tv o l t a g e a n di n p u tc u r r e n t 我们针对结合图2 7 和表2 2 的空间矢量图和空间矢量表，对电路进 行基于解结耦分析方法的空间矢量调制的分析，并结合第四章介绍的非线 性控制方法，即滑模交结构控制，对电路进行了原理分析并进行了仿真验 证，仿真结果在第四章。 2 3 本章小结 本章对主电路的工作原理以及解结耦的分制思想进行了论述，并且对 采用解结耦+ s p w m 调制和解结耦+ 矢量调制两种调制思想对电路工作状 态进行了分析，并且对前一种调制方法进行了开环仿真，得到了预期的效 果，初步验证了解结耦思想的可行性。 第3 章高频链式矩阵变换器的数学模型 第3 章高频链式矩阵变换器的数学模型 3 1 引言