（电力电子与电力传动专业论文）基于双空间矢量调制的矩阵变换器研究.pdf

t h er e s e a r c hf o rm a t r i xc o n v e r t e rb a s e do n d o u b l e s p a c ev e c t o r m o d u l a t i o nc o n t r o lm e t h o d a b s t r a c t r e c e n t l y ，r a p i dd e v e l o p m e n to fm a i c r oe l e c t r o n i c sa n dp o w e re l e c t r o n i ca c c e l e r a t e s r o n gp o p u l a ro fp o w e rc o n v e r t e r o no n eh a n d ，p o w e rc o n v e r t e rb r i n gt r e m e n d o u s e c o n o m i cb e n e f i t st oo u rc o u n t r y ，o nt h eo t h e rh a n d ，i tb r i n gp o l l u t i o nt oq u a l i t yo f p o w e r a p p a r a n t l y ，a na c t i v em e a s u r et od e v e l o pp o w e rc o n v e r t e ro fg o o dp r o p e r t ya n dc o n t r o l q u a l i t ya n do fc o n t r o l l e di n p u tf a c t o ra n dc a nn o tt oh a r m o n i cp o l l u t i o nt oe l e c t r i f i e dw i r e n e t t i n g o fa l ln e wt y p e ，m a t r i xc o n v e r t e rg e ts c i e n t i s t sb i ga t t e n t i o n ，b e c a u s ei th a ss i m p l e s t r u c t u r ea n dm a n yg o o dq u a l i t y i nt h i sp a p e r ，m a t i xc o n v e r t e ri ss t u d i e da b o u tf o l l o w i n ga s p e c t s 1t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e ，s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，u s e ds c o p ea n de v i d e n tv i r t u eo f m a t r i xc o n v e r t e ri se x p l o r e d ，i ti sc o m p a r e dw i t ho t h e rp o w e rc o n v e r t e r sa b o u tg o o da n d b a d a s p e c t s 2 s e v e r a lc o n t r o lt e c h n i q u e sa r ee x p l o r e di nd e t a i la b o u tt h e i rg o o da n db a da s p e c t s d o u b l es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，w h i c hc o m b i n e so u t p u tl i n ev o l t a g es p a c e v e c t o rm o d u l a t i o na n di n p u tp h a s ec u r r e n ts p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ，a n do p t i m i z e d n i n e s e g m e n tm o d u l a t i o ns t r a t e g yi se m p h a s i z e d 3a n o t h e rd i f f i c u l ta s p e c ti s i n q u i r e di n t o ，i ti sc u r r e n tc o m m u t a t i o n f o u r - s t e p c u r r e n tc o m m u t a t i o ni se m p h a s i z e d 4t h eo p t i m i z e dn i n ep u l s e si s p r o d u c e de x a c t l yb yu s i n gs - f u n c t i o ni nm a t l a b s o f t w a r e ，a n dt h i sm o d u l a t i o ns t r a t e g yi ss i m u l a t e db ys i m u l i n k t h ep e r f e c tc a p a b i l i t yo f t h i ss t r a t e g yi sv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t k e yw o r d s ：m a t r i xc o n v e r t e r ；d o u b l es p a c ev e c t o r ；o p t i m i z e dn i n e - s e g m e n t m o d u l a t i o n ；s - f u n c t i o n ；a c a ci n d i r e c tt r a n s f o r m a t i o nc o n t r o l n 插图清单 图卜1 交一交变频器的原理线路示意图3 图卜2 输入侧为二极管整流器的交一直一交变换器4 图卜3 输入侧为p w m 整流桥的交一直一交变换器4 图2 - 1 矩阵变换器主电路拓扑。1 l 图2 2 矩阵变换器的等效交一直一交结构1 3 图2 - 3 输入输出电压相区划分示意图1 6 图2 - 4 虚拟直流环节16 图3 - 1 输出线电压空间矢量图1 9 图3 - 2 输出线电压空间矢量合成图2 0 图3 - 3 输入相电流空间矢量图2 2 图3 - 4 输入相电流空间矢量合成图2 2 图3 5 矩阵变换器等效交一直一交电路2 4 图3 - 6 直一交变换器 2 4 图3 - 7 交一直整流电路和电流空间矢量2 4 图3 - 8 开关控制规律的合成2 5 图3 - 9 零矢量的开关状态2 6 图3 - 1 0 矢量顺序2 7 图3 - 1l 优化双向矢量顺序2 7 图4 - 1 常见双向开关结构3 0 图4 - 2 避免矩阵变换器输入侧短路3 2 图4 - 3 避免矩阵变换器输出侧开路3 2 图4 - 4 两相一单相简单矩阵变换器的电路示意图3 3 图4 - 5 换流状态表示图3 4 图4 _ 6 子变换器示意图3 4 图5 - 1 仿真模型搭建思路图3 7 图5 2 基于理想开关组成的开关模块3 8 图5 3 基于i g b t 组成的开关模块3 9 图5 - 4s 函数流程图4 0 图5 5 基于理想开关的矩阵变换器仿真系统结构图4 1 图5 - 6 基于i g b t 的矩阵变换器的仿真模型图4 l 图5 - 7a 相输入电压和输入电流相位差的比较4 2 图5 8a 相输入电流滤波前的波形4 2 图5 - 9a 相输入电流滤波后的波形及其谐波分析4 3 图5 - 1 0a 相输出线电压及其谐波分析。4 3 图5 - 1 1r c 滤波后的输出线电压波形及其谐波分析4 3 图5 - 1 2a 相输出线电流及其谐波分析4 4 图5 - 1 3a 相输入相电流滤波前的波形。4 4 图5 - 1 4a 相输入相电流滤波后的波形及其谐波分析4 4 图5 1 5a 相输出线电压的波形及其谐波分析4 4 图5 一1 6r c 滤波后的输出线电压波形及其谐波分析4 5 图5 1 7a 相输出线电流的波形及其谐波分析4 5 v 图5 - 1 8 异步电动机起动过程的转速波形4 6 图5 - 1 9 异步电动机的电磁转矩波形4 6 v i 表格清单 表卜1三种变换器拓扑的比较4 表3 13 6 种组合的开关方式2 5 表4 1矩阵变换器六个单相开关的状态3 5 v 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 佥月巴王些太堂 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。 毒名：踯k 签字日期：沙舀年，月用 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家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 人授权金壁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： 呼飞 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月日 电话： 邮编： 致谢 弹指间，研究生学习生活就要告一段落了，在这临近分别之际，谨向所有关心和 支持过我的老师和同学表示衷心的谢意。 首先感谢我的导师丁明老师，从论文的最初选题到最终定稿，丁老师都给予了大 量的指导和帮助，在整个论文工作期间，丁老师严谨的治学态度、渊博的专业知识和 诲人不倦的作风给我留下了深刻的印象，让我受益匪浅。我要向我敬爱的导师表示由 衷的敬意和真诚的感谢。 感谢苏建徽老师对我的谆谆教导! 我的每一点进步都离不开苏老师的精心指导和 帮助。在和苏老师相处的日子里，他精湛的专业知识，宽广的胸怀，务实的科研作风 和忘我的工作精神深深地影响着我，苏老师的这些优秀品行将是我今后工作和学习中 的楷模。在毕业之际，向尊敬的苏老师表示我最诚挚的感谢和最衷心的祝福! 在能源所的近三年学习中，始终得到张老师在生活上的关心，学习上的指导。张 老师的博学、忘我的工作以及平易近人的作风，使我受益非浅。感谢茆老师在学习上 给予的指导，茆老师总是耐心指导，给我指点了迷津。感谢他们在我的学习和生活中 所给予的帮助，论文能得以顺利完成，与他们的悉心关怀是分不开的，在此，向他们 表示由衷的感谢! 另外，我还要感谢能源所的其他老师，在我遇到困难时，他们总是无私地耐心给 我帮助。他们对我的论文同样给予了极大的帮助和支持。他们是汪海宁老师、杜雪芳 老师、杜燕老师、张键老师，杨向真博士等等。 感谢其他各位朝夕相处的同学所给予的关心和支持! 并衷心地祝愿他们幸福、快 乐，他们是：阮景义、孙艳霞、赖纪东、董振立、李颖、彭凯、焦道海、李启明、陶 然、张昭、方玮、许任重、茹心芹、戴聿雯、赵春柳、张春风以及能源所中其他师弟、 师妹们! 最后，我要感谢辛勤养育我的父母和关心我的亲人们，焉得谖草，言树之背，养 育之恩，无以回报。你们永远健康、快乐是我最大的心愿! i 作者：陶彦辉 2 0 0 7 年1 2 月2 0 日 第1 章绪论 1 1 电力变换器的发展概况 电气传动是指以各类电机为动力的传动装置与系统。电气传动因其电源性质不同 分为直流传动和交流传动两大类。直流传动由于直流电机磁场与电枢电流间具有天然 的解藕关系而有优越的调速性能。高性能调速传动一般都采用直流传动。由于直流电 机固有的机械换相装置的存在，致使直流传动也存在一些难以克服的缺点：结构复杂， 造价昂贵；需要经常维护；容量电压转速上限受到机械换向器结构的限制，无法适应 于高电压大容量及高速的场合；电刷易产生火花，系统无法在易燃易爆场合下广泛使 用，使用环境受到限制等等。这些缺点严重地制约了直流调速系统的广泛使用，也制 约了直流调速系统的发展。交流传动中使用交流电动机，特别是鼠笼式三相异步电动 机，由于结构简单制造方便价格低廉坚固耐用运行可靠很少需要维护，可用于恶劣环 境等突出优点，在现代工农业生产中获得了非常广泛的应用，也很适合于现代电气传 动的发展趋势。但由于运行机理和结构上的特点，决定了三相交流电机是一个多变量 强耦合非线形时变的复杂系统，它的可控性比较差【l 2 】。要使交流电机获得良好的调 速控制性能，必须要有性能优良的控制系统，而这又受到交流调速系统控制理论和电 力电子变流技术等因数的制约，因此在很长的时间内交流调速系统无论在控制性能还 是在系统的成本复杂性可靠性等方面都和直流调速系统有一定的差距。近二十年来， 随着电力电子技术和计算机技术的飞速发展，交流调速系统的各个方面的指标都有了 很大的提高，交流电气传动已正在逐步替代传统的直流电气传动系统。 交流电机调速方法可分为两大类：变同步速调速( 变极和变频) 和变滑差调速( 定 子电压，转子串电阻，转子串级及转差离合器等) 。变频调速是其中最为有效的调速 方式，是交流调速的理想调速方案。 变频调速是一种通过改变电机定子供电频率f 来实现电机同步转速的变流调速方 法。通过变频装置可将电网的固定频率转换为可调频率，使三相交流电机在宽广的速 度范围内实现平滑的无级调速，获得良好的起动性能和运行性能。为使电动机变频时 磁通保持设计点值不变，必须使定子输入电压随频率按一定关系变化。因此，变频调 速又有变压变频调速之称。变频方式可分为交一交变频和交一直一交变频两大类型。要 实现交流电机变频调速，必须要有能提供可变电压可变频率的变频电源，上世纪7 0 年代之前，由于受电力电子变流技术和交流电机调速理论发展水平的限制，性能良好 的变频器技术上无法获得，变频调速方案也一直无法实施【3 “】。近几十年来随着电力 电子技术和交流电机控制理论等相关技术的飞速发展，变频调速获得了巨大的发展， 现代的变频系统无论在性能，可靠性还是价格等方面都已达到甚至超过了直流调速方 案。以变频调速为代表的交流调速方案已成为电气传动领域的首选方案，而且也代表 了电气传动发展的趋势和主流技术。 1 2 常规电力变换器的特点和负面效应 1 2 1 常规电力变换器的特点 目前常规的变频器件有交交变频器和交直一交变频器两大类。 交直交变频方式有方波( 六脉波) 和脉宽调制型之分，均有整流器、滤波器和 逆变器所组成，完成交流( 工频) 直流交流( 变频) 转换。按照直流环节滤波元件 的不同又可分为电压型和电流型。电压型逆变器( v s i ) 用电容器滤波，输出电压稳 定，内阻较小，具有电压源特征；电流型逆变器( c s i ) 用电抗器滤波，电流稳定， 内阻较大，具有电流源特征，有再生制动能力，又能设置电流环提高电流的动态响应 速度和控制能力，适合需要快速增减速和调速范围宽的场合。脉宽调制型( p w m ) 逆变器采用不可控整流，通过调节逆变器的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。 交一交变频方式分为电压型和电流型。电流型交一交变频器的输入接入了足够大的 滤波电感，输出电流波形近似方波；电压型交一交变频器则是可以采用余弦交点法触 发控制方式输出正弦形电压。交一交变频方式一般是通过移相控制晶闸管整流器实现 交流电源与交流电机之间的功率低频直接转换。它的工作原理基于可控整流电路，可 选用容量大、价格低和工作可靠的晶闸管作为开关器件，运行可靠。它可以利用电源 交流电压实现晶闸管自然换流，使大容量晶闸管可靠关断，因而无需辅助换流电路。 由于它没有中间直流环节，所以能实现能量双向流动，实现四象限运行，系统能耗低， 变换效率高。 交交变频器又称作交交直接变频器或周波变频器，晶闸管器件的出现促进了交 交变频技术的深入发展。电流型的交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) 并缓冲负载的无功能量；电压型的交交变频器输出端直接连 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。 交交变频器的每一相是由两相整流桥反并联构成，按特定规律连续改变晶闸管的触 发角，可实现对输出电压波形的控制。三相输出交交变频器是由三个单相交- 交变频 器按相位互为2j r i 3 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h 相正弦交流电压，依此实现变频。其 原理线路示意图如图卜1 所示。 2 图1 - 1 交一交变频器的原理线路示意图 通常电流型交一交变频器输出矩形电流，其他形式的电流型变流器由于开关器件 工作频率低，输出电流一般也仅为六阶梯波，谐波都很大。 电压型交一交变频器的输出电压可以是正弦形，它是由输入电源电压波形的一些 “片段”拼合调制而成的，对于三相5 0 h z 而言有相当于3 0 0 h z 的调制频率。因此， 输出电压波形中含有很大的谐波分量，且以调制频率整数倍为中心成谐波群分布。由 于输出电压波形是由输入电压的“片段”组成，因而输出电压频率不可能太高，一般 低于输入电压频率的1 2 或1 3 ( 有环流控制方式为1 2 ，无环流控制方式为1 3 ) 。 交一交变频器中的正、反组整流桥控制方式可分为有环流控制和无环流控制。有 环流控制方式需要环流电抗器限制瞬时环流，导致装置成本增加，效率和功率因数降 低，多数情况下不采用此方案；无环流控制方式避免了有环流方式的一些不足，但由 于换相死区的存在，会产生对系统不利的低次谐波。 由于传统的交一交变换器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、电压波形的严重畸变，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；而且其最高输出频率一般不超过电源频率的 1 3 1 2 ，且所用元器件较多，控制线路复杂，功率因数低，因而仅适用于大功率电 机低速调节工况。 1 2 2 常规功率变换器存在的缺陷 近年来由于具有自关断能力的元件发展迅速，具有优良的输出特性的交一直一交 型p w m 变频器得到了快速发展，并得到了广泛的应用。交一直一交变换器主要分为两类： 交流输入侧为二极管整流桥的变换器和交流输入侧采用全控功率半导体器件构成p w m 整流器的变换器。交流输入侧为二极管整流桥的变换器目前建筑设备自动化中应用广 泛，它对交流输入侧不作控制，输入侧功率因数较低，其拓扑结构如图卜2 所示。 2互2互2孓l _ - 唪_ 唪硌 崴 ， _ - 、 r 一降一帚母1 2譬2【2 图1 - 2 输入侧为二极管整流器的交一直一交变换器 其输入电流的畸变很大，对电网污染很严重。对于2 0 k w 以上的交一直一交变换器， 中间起储能作用的电容的体积通常占整机体积的3 0 5 0 ，其成本也相当高。该变换 器的另一个缺点是，由于整流二极管只能单向流过电流，整机的功率流向只能是从电 源侧流向负载侧，不能实现能量回馈。 交流输入侧采用全控功率半导体开关器件构成p w m 整流器的变换器的控制目标之 一是使输入电流为与网压同频同相的正弦波形，输入侧功率因数可接近1 ，其拓扑结 构如图卜3 所示。该变换器可以实现能量回馈，能量能够自由流动。通过控制p w m 整 流器中开关器件的通断来改变输入滤波电感两端的电压，即可实现对输入电流波形的 控制。但是，该结构同样需要大容量的中间储能电容。由于其输入输出侧都需进行p w m 调制，这种变换器的调制算法通常称为双p w m 调制算法。 图i - 3 输入侧为p w m 整流桥的交一直一交变换器 下表为采用最新的r b - i g b t 的矩阵式变换器和两种传统变换器的比较如下表i - 1 所示。 表l - i三种变换器拓扑的比较 功率输 功起动 全控 快恢复 整流电解 寿命工温厦、_ l 显厘 流向 率因素 时间 拓扑类型 器件= 极管 二极管电容 大电感 b 丑一i g b t 矩阵变换器 豫囊m - 瓣摹羹飘囊麓囊麓 ， 瞽= 极管整流侨 l鼙l汾謦塞鸯麓瓣纂翻t羲 筻一直一变变换器 带p 1 | | - m 整流器交 一直一交变换器 1 2齄l， 擒鼙麓赣 麓囊菔瑚鼻鬣 输入电流含有大量的谐波，使谐波噪声水平提高，因而整个电路的输入端必须增 加滤波器，使得变频器成本高，体积庞大、笨重。大量电流谐波分量排放流入电网后， 造成对电网的“谐波污染”。这样一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗 4 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和变电设备 的损坏。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 致电网电压幅值和频率不能维持恒定，电压波形发生畸变，并对电力系统本身和用户 的各种电气设备造成极大的危害。这些谐波危害按机理可大致分类如下： 谐振效应：引起电力系统内部的谐振现象，造成很高的过电压或过电流而引发事 故的危险性。； 电气效应：由于谐波电压叠加和谐振引起的过负荷、过电压会导致电容器组、电 力电缆、电机或变压器等绕组绝缘被击穿、损坏； 能耗效应：谐波电流在电网中流动，消耗在线路及各种电气设备上，增加损耗影 响电网及各种电气设备的经济运行，设备效率和电网利用率降低； 热效应：使各种电气设备产生附加损耗和发热，使电机产生机械振动和噪声，并 且减少工作寿命； 测量误差效应：引起各种电气量测量仪器、仪表测量误差； 干扰效应：对继电保护、自动控制设备、计算机、通讯设备产生干扰和造成误动 作，直接危机电网的安全运行。 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1 的新型变流装置。矩阵式变换器 是这种高性能电源变换器的发展方向之一。 1 3 矩阵变换器的基本结构和特点 矩阵式电力变换器( m a t r i xc o n v e r t e r ，简称为m c ) 是具有新型拓扑结构“全硅 组成”的功率变换器，在任意时刻，其任一输出相都可通过某个双向开关连接至某一 输入相，如图1 - 4 所示，在各种新型电力变换器中，以其简单的拓扑结构及诸多的优 良特性，使其具有巨大的研究价值和广泛的应用前景。在理想条件下，这些特性包括： 1 无中间储能环节，简化了结构，提高了效率，使得变换器集成为一个模块成 为可能； 2 在特定控制规律下，输出幅值、频率和输入侧功率因数可实现独立控制，既 可用于电机驱动，又可用于无功补偿； 3 可实现能量的双向传递； 4 传送功率大，适合于大功率传输； 5 同一硬件在不同的控制功率下能实现不同的功能，因而具有广义电力变换器 之称； 6 可获得正弦的输入电流和输出电压。 7 输入功率因数达到o 9 9 以上并可自由调节，且与负载的功率因数无关 图1 - 4 矩阵变换器的电路结构图 1 4 矩阵变换器的发展历史及现状 在广义上，矩阵变换器是输入频率为f i 的m 相交流电而输出频率为f o 的n 相交 流电的电源变换器件( m 、n 为自然数，f i 、f o 为实数) 。作为种新型的交交变频 器，其学术思想最初由l g y u g y i 和b p p e l l y 在1 9 7 6 年提出，不过由于当时条件所限 并没有引起足够重视。 7 0 年代，普遍使用的是半控功率器件晶闸管，采用这种器件组成的矩阵变换器， 控制难度是很高的。矩阵变换器的硬件特点是要求大容量和高速开关频率而又具有双 向关断能力的功率器件，同时由于控制策略的复杂性，要求具有快速处理能力的微处 理器作为控制单元。而这是早期的工艺和技术水平难以达到的。因此早期的矩阵变换 器的研究大都处于理论研究阶段，很少有面向工业实际的研究。8 0 年代，高工作频率、 低控制功率的全控型功率器件，如b j t ，i g b t 等不断涌现，推动了矩阵变换器的研 究。研究发现，采用全控器件，不仅可以对输入相移进行控制，还能对输入电流波形 进行控制。8 0 年代末，矩阵变换器的实验装置问世了。进入9 0 年代以来，随着电力 电子器件制造及应用技术的发展，矩阵变换器的研制形成了一个热点。构成双向开关 的单向开关间的多步换流控制技术被推广开来，装置的性能得到了很大的提高，最高 输出频率达到了电网输出频率的2 3 倍，输入侧电流畸变率小于2 。采用电流跟踪 及矢量控制等取得了一定成果。 1 9 7 6 年由l g y u g y i 提出矩阵变换器的拓扑形式，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 提出矩阵变换器的存在理论，首先提出了由9 个双向开关组成的矩阵式交 交变换器的结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因数角可以任意调节，即可超前， 滞后或为零，是一种结构简单紧凑而可控性又极强的一种功率变换器，但后来又发现 这种变换器存在固有极限，即最大电压增益为0 8 6 6 ，并且与控制算法无关。 随着电力电子技术和微机控制技术的不断发展，矩阵变换器的研究工作越来越被 人们所重视，为了解决m v e n t u r i n i 和a 。a l e s i n a 控制方案的不足，先后有不少学者对 矩阵变换器进行了一系列的研究工作，并从不同的角度提出了不同的控制方案。如 t a l i p o 和d g h o l e m e s 提出了电流控制型交流p w m 调制方法。该方法根据变换器 6 的开关传递函数矩阵和电流连续条件，将其分解为若干矩阵分量，通过分别计算，最 后合成得到的调制矩阵。又如p d z i o g a s 等提出了一种间接p w m 控制方法，其总体 思路是首先将输入电压“整流”，产生一个虚拟的直流回路，然后按需要的频率逆变， 从而得到一个类似于典型的p w m 逆变器的输出电压波形。这些研究基本克服了 m v e n t u r i n i 控制方案的缺点，输出电压比、功率因数和输入电流品质方面取得了良 好的改进，但也存在一些不足之处，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， 某些方案的效率不够高等缺点。 八十年代末、九十年代初，南斯拉夫学者l h u b e r 和美国d b o r o j e v i c 教授、日 本学者a i s h i g u r o 和t f u n j h a s h i 教授、以及韩国学者w h k o n 和g h c h a 等人的研 究，使矩阵变换器的理论和控制技术逐渐走向成熟。l h e b e r 和d b o r o j e v i c 提出了一种 基于空间矢量调制技术的p w m 技术。首先根据矩阵变换器的p w m 的开关状态，定 义出六边形开关状态矢量图，然后按输出矢量在任意时刻由其相邻的开关状态合成， 得到每一采样周期的开关占空比。连续合成以定角速度旋转的输出电压矢量，就获 得所需频率的正弦输出电压。通过实验样机带三相感应电机做为负载运行，证明了采 用空间矢量调制法的矩阵变换器与理论分析相一致，即具有输入功率因数逼近于1 ， 输入电流波形好等优点。 a i s h i g u r o 和t f u n j h a s h i 提出的双线电压瞬时值法。其实质即任一时刻输出电 压为两个输入线电压合成，而两输入线电压在每一周期的占空比由输出电压的瞬时值 及输入电压的状态决定。该种技术在改善对变换器开关频率的限制，提高输出输入电 压比等方面有其独到之处。当输入电源不对称或含有谐波时，其控制函数可以自动修 正，而不需要额外的计算，有利于实时控制，但该种控制方案使得输入功率因数不可 随意控制，但能固定在恒定值上。同时这种开关状态的转换过程和输入电流的合成规 律较为复杂，在软件的实现上较为复杂。 韩国学者w h k w o n 和g h c h o 对矩阵变换器做升压和降压时的静态和动态特 性进行了较深入的研究，通过理论分析和仿真，他们证明了升压式矩阵变换器不能象其 它的理想变换器那样通过选择参数独立控制，功率因数并不总保持1 ，但可以控制。 我国在矩阵变换器方面的研究开始的较晚，基本上从9 0 年代开始，南京航空航天 大学，西安交通大学，上海大学，哈尔滨工业大学先后开展了这方面的研究工作，取得了 令人瞩目的成绩达到了一定的水平。 1 9 9 2 年，南京航空航天大学的庄心复教授采用空间矢量调制方法分析直交和交 直变换器，合成后求得交交变换器的调制方法，并以3 2 位数字信号处理器t m s 3 2 0 1 4 作为控制器，设计并制作了一台实验样机。 上海大学的陈伯时、陆海慧等通过把矩阵变换器等效为交直交变换器利用逆变 器中广泛采用的空间矢量p w m 调制技术，并利用8 0 c 1 9 6 k c 作为控制器，以i g b t 作为开关器件，采用四步换流的方法，成功的制作出了三相交交矩阵变换器的实验 装置，综合指标达到了国际先进水平。 7 南京航空航天大学的穆新华等对a i s h i g u r o 所提出的双电压瞬时值控制技术进 行了分析整理，提出了原点开关的概念，使其开关状态的转换和电流合成过程规律化， 并通过仿真计算验证了其正确性。 矩阵变换器件具有良好的输入输出特性，目前的研究热点主要集中在可靠的换 流实现、保护问题、双向可控开关的实现与封装等方面。 1 换流策略的改进：由于半软化四步换流受制于负载电流极性检测的可靠性， 可以采取在过零附近设置死区而不换流，但这样将增加控制难度，尤其在系统启动时 刻更不可靠。寻求更加安全可靠的换流方法是一个急待解决的问题。 2 过压保护问题：造成m c 过压问题的原因主要有m c 换流不安全，电网过 压，系统关闭瞬间和系统突然掉电，这将损坏功率器件，为此需要增加电压钳位措施。 通常采用在m c 前后增加整流式阻容缓冲电路或压敏电阻缓冲电路，也可以采用二极 管缓冲电路。 3 集成功率模块的出现：由于分立功率器件组成的双向可控开关设计的分散 性比较大，故出现了集成或模块化m c 的趋势，模块化的m c 可以减少换流路径的杂 散电感，提高m c 的紧凑性，必将促进m c 的发展。 而作为新一代电力电子变换器也遇到以下影响矩阵变换器性能的技术问题： 1 、电压传输比偏低。三相矩阵变换器在输入输出频率独立时，最大电压传输 比为0 8 6 6 ，这在一定程度限制了使用范围，如何提高电压增益而满足实际的需要，或 者说按一定的方式把矩阵变换器按一定方式串联或者并联起来，达到大功率高压变换 的目的。在这方面还有大量的工作要做。 2 、实时运算量大。矩阵变换器重要条件是建立在实时运算，实时控制的基础 上，提高斩波频率对于提高响应速度，减少体积有许多优点，而这将对实时运算提出 了更高的要求，这也是目前矩阵变换器件工作频率受到限制的主要原因。目前有关调 制策略研究方向之一就是以减少实时运算量为目的的。总体而言，矩阵变换器实时运 算量非常大。 3 、换流次数多。这也是影响工作频率提高的重要因数。同时频繁的换流直接 影响输出波形的质量，增加装置的功率损耗，也增加了控制的复杂性。 4 、无功功率与有功功率的传输与回馈，在实际的传动系统中，电机作为感性 负载存在有功与无功功率，并可以四象限运行，矩阵变换器对这两种功率的处理其内 部机能尚不完全清楚，尤其对能量的回馈过程还缺乏理论上的证明，有待在实际和理 论中进一步突破。 5 、矩阵变换器要在未来形成产品化的趋势，必须首先在控制策略方面进行完 善，在主电路和控制电路的高度集成化方面也应该有适当产品化方面要求的突破。这 主要体现在价格与性能方面。 由于以上不足，目前矩阵变换器件还停留在研制阶段，在非对称，畸变输入电 压条件下的控制问题，提高矩阵变换器容量，实现对多台矩阵变换器并联运行等问题 8 有待进一步解决。但总体来说，矩阵变换器是一种具有优良输入输出特性，电力谐波 小，功率可双向流动的新型“绿色”交一交直接电源变换器。在变频调速系统中的应 用，既可产生节能的重大经济效益，又避免了因谐波污染带来的电力系统的环保问题， 是一种无负面效应可持续发展的技术，研究意义深远，应用前景广阔。 1 5 本课题的研究意义及研究内容 矩阵变换器以其优良的性能受到越来越多学者的欢迎，可用来代替几乎所有传统 变频器的使用场合，将会起举足轻重的作用，我们有必要提到它的一些特有的应用情 况： a ) 风力发电：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。有文献提出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。发电机转子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。 b ) 感应电动机调速：传统变频器在交流电机调速的应用已经很成熟，矩阵变换 器在这一领域的应用研究主要集中在传统变频器所不能实现或实现困难的几个方面： l 频繁的四象限运行，这时矩阵变换器通常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；2 在高温、震动等恶劣环境 以及对可靠性要求严格的应用场合，矩阵变换器更有优势；3 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。 c )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。 本课题对矩阵变换器的理论进行了深入细致的研究，并利用m a t l a b 软件进行了 仿真，仿真结果证明了矩阵变换器理论的正确性，为矩阵变换器实验装置的开发研究 提供了理论依据和研究方法。 论文第一章介绍了电力变换器的发展概况和矩阵变换器的研究历史及现状。 第二章探讨分析了矩阵变换的基本电路拓扑结构和工作原理。对矩阵变换器的数 学理论基础进行了阐述。对矩阵变换器的不同控制策略进行了阐述，分析了各种控制 方法的优缺点。 第三章是对矩阵变换的空间矢量调制策略进行了深入的研究，为了降低谐波干扰， 9 提出了优化九段调制策略。 第四章研究了矩阵变换器的另一个难点，双向开关器件的换流，选择了四步换流 方法。 第五章利用m a t l a b s i m u l i n k 建立了矩阵变换的仿真模型，仿真结果表明矩阵变 换器具有良好的输入输出特性，验证了其它的一些优点，为空间矢量调制的矩阵变换 器的研究带来了极大的方便。 1 0 第2 章矩阵变换器的基本原理 2 1 矩阵变换器的基本原理 从理论上讲，矩阵变换器的输入可以是m 相频率为f i 的交流电，输出为n 相频 率为f 0 的交流电，是一种万能功率变换器。但在目前的研究实际中，往往以三相交- 交矩阵变换器为主要研究对象，矩阵变换器一般代表具有优良品质的三相交交变频 器。典型的矩阵变换器的主电路拓扑如图2 - 1 所示。 o 图2 - 1 矩阵变换器主电路拓扑 设s k j 为一双向双向开关，则可定义s k i ( k 代表输入相，j 代表输出相) 的开关 函数如下： 嚣 亿。， 由于矩阵变换器输入电压源不能短路，输出端感性负载不能开路，因而 + 而+ = 1 ( 2 2 ) 也就是任何时刻每一输出相有且只有一个开关管导通。 对于确定的三相对称输入电压，角频率为锡，幅值为v , m ，即 r 圪 k - - i 圪 【- 圪 c o s 劬t = le o s ( g o i t 一1 2 0 。) c o s ( q t + 1 2 0 。) ( 2 3 ) 假设所需的三相输出电压，角频率为吃，幅值为，初始相位角为仡，即 m 驴引 l = 豳 c o s ( o ) o t + # o ) = v o = ic o s ( m o t - 1 2 0 。+ 统) c o s ( c o o t + 1 2 0 。+ 九) ( 2 4 ) 因数为仍，参考上式，则三相输出电流可写为 e o s ( c o o t + o o 一仍) = 乙ic o s ( c o o t - 1 2 0 。+ 免一仍) c o s ( m o t + 1 2 0 。+ 仡一仍) 所要求的三相输入电流为 h = i 毛l h c o s 璐f = k le o s ( 嘭t 一1 2 0 。) e o s ( 啦t + 1 2 0 。) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 考虑到矩阵变换器的双向双向开关管工作在高频开关状态，可以通过一定的 p w m 调制策略，控制九个开关管的导通和关断，在输出端合成频率幅值可调的一 组所需的低频输出电压。设珑蔚( f ) 为双向开关的占空比，则所茸( ) 2 号，o ( m o ( t ) ( 1 ， 则矩阵变换器的开关调制矩阵可写为 m j 4 。( f ) ，l 助( f ) ，z 白( f ) i m ( ) = lm 6 ( t ) m b b ( t ) m c b ( t ) l 【- m 一。( 咖t ( f ) ( f ) j ( 2 7 ) 矩阵变换器的一组输出电压可表示为 眈( 皱f ) 】= 旧( f ) 】瓯( 鸱( f ) 】 ( 2 8 ) 输入电流可表示为 k ( q f ) 】- 瞰( f ) rx z ( c o o ( t ) 】 ( 2 9 ) 其中m 为矩阵变换器的开关调制矩阵。 九个双向开关管在每个开关周期内的占空比组成三行三列的开关矩阵，它使变换 器得到标准正弦输出电压和输入电流，与传统变频器对稳定的直流中间电压进行 p w m 控制不同，矩阵变换器利用开关矩阵直接对三相交流输出电压进行p w m 控制， 各相在不同时刻都将根据控制要求和输入电压的波形实时运算p w m 的脉宽。由于变 换器输入电压源不能短路，输出感性负载不能开路，调制矩阵有一定的限制，因此选 择合适的p w m 控制策略是研究矩阵变换器的关键 1 0 1 2 1 。 2 2 矩阵变换器的开关调制策略 矩阵变换器的控制任务是将一个频率为- ，z 的三相交流电变换为频率为，o 的三相 交流电，对于任意一组三相输入电压v i ，通过一定的开关p w m 控制策略控制矩阵变 换器的开关，合成所需要的输出电压v o 。矩阵变换器的开关调制策略是用开关调制 1 2 矩阵来描述的，到目前为止，确定开关调制矩阵有多种方法：根据对输出控制目标分 为电压或电流的不同，可将控制法分为电压控制法和电流控制法两大类。 2 2 1 电压控制法【4 1 1 】 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：虚拟 直流环节法、v e n t u r i n i 控制法、瞬时双电压合成法、空间矢量调制法。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，双电压法是指采用两个输入线电压来合成输出三相电压，瞬时 双电压法和空间矢量法、虚拟直流环节法属于此类。三电压法是指采用三个输入线电 压来合成输出三相电压，v e n t r u n i 属于三电压法。 电压控制法又根据矩阵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则两大类。直接法由输入电压直接合成输出