（电力电子与电力传动专业论文）单级矩阵变换器和稀疏矩阵变换器的比较研究.pdf

a bs t r a c t m a t r i xc o n v e r t e ri sc o n s i d e r e da sa n “a l ls i l i c o n p o w e rc o n v e r t e r w i t ha na d v a n c e dc i r c u i tt o p o l o g y i tp e r m i t sf r e q u e n c yc o n v e r s i o ni na s i n g l e s t a g ep r o c e s s i n gw i t h o u tl a r g er e a c t i v ee n e r g ys t o r a g ec o m p o n e n t s i td r a w ss i n u s o i d a li n p u tc u r r e n t sa n da l l o w st h ei n p u tf u n d a m e n t a l d i s p l a c e m e n tf a c t o rt ob es e ta tu n i t yo rf r e e l yv a r i e dr e g a r d l e s so ft h e l o a dp o w e rf a c t o r b e s i d e st h e s e ，i ti sc a p a b l eo fp e r f o r m i n gf r e q u e n c y c o n v e r s i o nw i t hs i n u s o i d a lo u t p u tv o l t a g e sa n dc u r r e n t sa tt h ed e s i r e d o u t p u tf r e q u e n c ya n da l l o w s b i d i r e c t i o n a l p o w e r f l o w t h e p a p e r a n a l y s e st h ee l e c t r i cc i r c u i tc o m p o s i t i o n ，t h em a t h e m a t i c sf o u n d a t i o n ，t h e p r i n c i p l e o fw o r k ，a n dt h es w i t c h i n gc o m m u t a t i o nq u e s t i o no ft h e o n e s t a g em a t r i xc o n v e r t e lt h e nt w oo f t h es w i t c hs a t e so fa t h r e e p h a s e t ot h r e e p h a s em a t r i xc o n v e r t e r ，b a s e do nn o t a t i o n ，a r ei n t r o d u c e d ，w h i c h a r ec a l l e dm d c ma n ds v m u n d e rt h es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ns c h e m e ， t h e r ei sas e r i o u sp r o b l e mb r o u g h tb yt h em u l t i s t e pc o m m u t a t i o n ，t h e m u l t i s t e pc o m m u t a t i o nm a d et h eo u t p u tv o l t a g ed i s t o r t e d ，a n dt h eo u t p u t v o l t a g ee r r o ri sc a l c u l a t e d ，t h e na ne a s ys v ms c h e m ei sp r o p o s e dt o c o m p e n s a t et h eo u t p u tv o l t a g ee r r o rb yc o r r e c t i n gt h ed u t yt i m eo ft h e v e c t o r , w i t hm i n i m u mo u t p u tc u r r e n th a r m o n i c s t r a d i t i o n a lo n e - s t a g em a t r i xc o n v e r t e rh a si t so b v i o u sa d v a n t a g e s s u c ha sp o w e r f u lc o n t r o l l a b i l i t y , h o w e v e r , i tc a nn o tb ew i d e l yu s e di n i n d u s t r yb e c a u s eo ft o om a n ys w i t c hn u m b e r s ，c o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ， c o m m u t a t i o np r o b l e m ，l o wv o l t a g et r a n s f o r m a t i o nr a t i oa n dc o m p l i c a t e d p w m m e t h o d ，a n ds oo n s ot h i sp a p e rd e t a i l san o v e lm a t r i xt o p o l o g y s p a r s em a t r i xc o n v e r t e r ，w h i c hh a st h es a m ea d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a l o n e - s t a g em a t r i xc o n v e r t e rs u c ha s f o u rq u a d r a n t so p e r a t i o n ；n od c c a p a c i t o ra n dh i g hq u a l i t yi n p u t o u t p u tw a v e f o r m s t h e nt h e e l e c t r i c c i r c u i tc o m p o s i t i o na n db a s i ct h e o r i e so fs p a r s em a t r i xc o n v e n e rs u c ha s c o n t r o l l i n gm e t h o d ，t h ez e r o c u r r e n tc o m m u t a t i o na r ep r e s e n t e da n d a n a l y s e di nd e t m l t h es i m u l a t i o nm o d e l sa n dw a v e f o r m sb a s e do nm a t l a b s i m u l i n ko f o n e s t a g em a t r i xc o n v e r t e ra n ds p a r s em a t r i xc o n v e r t e r a r eb o t h p r o v i d e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et h e f e a s i b l i l i t y a n d r e l i a b i l i t yo ft h et w oc o n v e r t e r sa n dt h e i rm o d u l a t i o ns t r a t e g i e s i ti s s h o w nt h a tt h et o p o l o g i e sa rea v a i l a b l e ，a n dp e r f o r m a n c eo fm a t r i x c o n v e r t e ri se x c e l l e n t t h es i m u l a t i o nm o d e l sa r eg o o dt o o l sf o rt h e m o d u l a t i o na n db e n e f i c i a lt om a t r i xc o n v e r t e r sa p p l i c a t i o n b a s e do nt h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，t r a d i t i o n a lo n e s t a g em a t r i x c o n v e r t e ra n ds p a r s em a t r i xc o n v e n e ra rec o m p a r a t i v e l yr e s e a r c h e d b e s i d e st h e i re l e c t r i cc i r c u i tc o m p o s i t i o na n dc o n t r o l l i n gm e t h o d s ，t h e s u p e r i o r i t i e so fs p a r s em a t r i xc o n v e r t e rt oo n e s t a g em a t r i xc o n v e r t e r a r ep r e s e n t e d ：t h en u m b e ro fs w i t c h e sc a nb er e d u c e d ；t h es w i t c h e sa tt h e l i n es i d ec a nb et u r n e do na n dt u r n e do f fa tz e r oc u r r e n t a n dn oc o m p l e x c o m m u t a t i o nt e c h n o l o g ya n dm o d u l a t i o ns t r a t e g ya r en e e d e d s ot h e r ei s a ne x c e l l e n td e v e l o pf o r e g r o u n df o rs p a r s em a t r i xc o n v e r t e r k e yw o r d so n e s t a g em a t r i xc o n v e n e r s p a c ev e c t o rc o n t r o l l i n g ， s p a r s em a t r i xc o n v e r t e r c o m m u t a t i o nt e c h n o l o g y , s i m u l a t i o n i l l 原创性声明 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。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：埋 喻巡幽尹 学位论文版权使用授权书 一一本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者虢碑新签名伴吼一9 严日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 矩阵变换器的提出 第一章绪论 现代电力电子技术、微电子技术以及电动机控制技术的进步使得交流调速用 变频传动技术得到了巨大发展，加强了交流传动在电力传动领域中的主导地位。 原有直流调速系统有相当一部分都已改造成交流变频调速系统；新建调速系统 中，交流变频调速技术也得到了广泛的采用。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、节能和充分柔性的效果【l 7 1 。 目前交流变频传动领域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裂引。 基于交一直一交变换的电压源型通用变频器拓扑如图l l 所示。这种拓扑 己在工业上，特别是中小功率场合得到了广泛的应用。它的前级通过不控整流得 到中间直流电压，后级控制开关调压调频满足负载的要求。随着功率器件和p w m 调制技术的发展，其输出性能有了很大的改进。但是，由于前级为不控整流，因 此输入电流非正弦，会给电网带来谐波污染 7 1 ；另外它不能实现四象限运行；并 且存在中间储能元件，使得系统体积大，特别是在大功率的应用中，中间储能电 容价格高、易于损坏，降低了整个系统的可靠性。 一_ _-_ _ 台一自一占 ji jljl a + b 仨 c _-_ 一 一 jljiji jj 叫 a b c 图1 1 普通电压型变频器拓扑 为改善交一直一交变换的电压型变换器对电源的影响，人们又提出了双向 p w m 电压型结构，如图1 2 所示，这一结构使得变换器对供电电源和负载电 机都有良好的特性。但还是存在中问储能元件，同时使用的可控器件比图1 1 多一倍，控制也相对复杂。 硕士学位论文第一章绪论 图l 一2 双向p w m 电压型变换器 另外一种变频器拓扑交一交变频器又称作交一交直接变频器 ( c y c l o c o n v e r t e r ) 。交一交变频器可以分为电流型和电压型，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( 阶梯波) ，并缓冲负载的无 功能量；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差互为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，依次实现变频。其原理线路示意 图如图1 3 所示。 r ui k bl l bh uk b i k bi i bk bb li | ：二：li | ：二：il = i1 爿i1 爿 i1 爿 ，l 、j t n nt l n一、 t n nn n n 、4 r 1 、 c裔 图1 3 输出星型连接方式三相交一交变频器结构 a ) 交一交变频器主结构 b ) 交一交变频器线路原理图 电压型交一交变频器的输出电压可以是正弦波，它是由输入电源电压波形的 一些“片段”拼合调制而成的【9 1 ，如图l 一4 ，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，且以调制频率整倍数 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，受输出 2 a d 火v 硕士学位论文第一章绪论 谐波限制，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l 2 ，无环流控制方式为1 3 ) 8 1 。 输出电压 瓣对删扣廿惦。 器渤* 舯捌讯慨。 图1 - - 4 三相交一交变频输入电压、输入电流 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。有环流控制方式的正反两组桥切换动态过程快，输出谐波较小，但需要环流 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；无换流控制方式避免了有环流方式的一些不足，但由于换桥死区的 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 ，且用元器件较多，控制线路复杂，低速功率因数低，因而仅适用 于大功率电机低速调节和大型水轮发电机的交流励磁1 8 l 。 综上所述，基于交一直交变换的电压源型通用变频器以及用于低速高压大 功率的相控式交一交变频器虽然具有各自的优势和特点，但是存在各自的缺陷， 如开关功率组件数量过多，输出频率低，功率因数低以及体积、成本等问题，其 中最突出的缺陷是对电网造成的谐波污染。谐波污染影响到整个电力系统的电气 环境，并对电力系统本身和广大用户的各种电气设备甚至其他用户和设备会造成 极大的危害【7 1 【1 争12 1 。 在这种情况下，从事电力电子技术研究和开发的人们开始讨论各种新的变频 电源用电力变换器主电路拓扑结构。努力开发输入电流、输出电压正弦、输入功 率因数为l ，实现谐波主动削减，无中间储能环节，能量可双向流动的“绿色” 电源变频器，并逐步完善各种方案以促进实用化。“绿色”电源变频器应具有如 下特型8 】： ( 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 硕士学位论文第一章绪论 频器作为电源时，要求电源不含低次谐波。与此同时，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，因此迫切要求提高变频器的输出性能。 ( 2 ) 高输入功率因数，消除对电网的谐波污染 当变频器的输入电流含有大量谐波，将使谐波噪声水平提高，整流电路的输 入端必须增加滤波器，其成本高，体积、重量又庞大，笨重。大量电流谐波分量 注入电网后，造成对电网的谐波污染。这样一方面会产生“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。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。 ( 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，为了达到高效、节能和充分柔性的 效果，希望变频器输出电压、输出频率宽范围可调，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。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储 能无功元件，集成度高，具有较高的能量密度和效率。 矩阵变换器( m a t r i xc o n v e e r ；简称m c ) i e 是迎合了这些变频调速技术的发 展需求而产生的一种新型变频装置，其概念和电路拓扑形式早在1 9 7 6 年就由 l g y u g y i 和b r p e l l y 首先提出，但直到1 9 7 9 年意大利学者m v e n t u r i n i 和 a a l e s i n a 从理论上证明这种频率变换器的存在并提出了矩阵变换器存在的控制 策略后，其特点才为人们所关注和研究i l 引。 矩阵变换器允许频率单级变换，无需大容量的储能元件；能使输入电流正弦， 无低次谐波，波形失真小，输入功率因数可调，可根据要求将其调至o 9 9 以上， 且与负载的功率因数无关；控制自由度大，输出电压和频率均可调；由于采用双 向开关，输出可以四象限运行，功率可双向流动；没有直流母线环节，功率密度 加大，结构更加紧凑，体积小、效率高，符合模块化发展方向。矩阵变换器是实 现“绿色”电源变频器最具发展前景的技术方案1 1 4 。1 。 1 2 矩阵变换器的研究现状 矩阵变换器从提出到现在接近三十年时间里，国内外有众多的学者在对其研 4 硕士学位论文第一章绪论 究中取得了显著的成果，主要研究内容和成果体现在以下几个方面： ( 1 ) 矩阵变换器电路拓扑结构的研究 矩阵变换器最初提出时指的是r n 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。在后来的研究中，人们又提出了许多拓扑： 从三相交流变换到直流； 从三相交流变换到单相交流； 从直流变换到三相交流； 基于双向开关的单相一单相直接交流变换器； 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 开关单级矩阵变换器，它是研究最多的一种拓扑； 从普通单级矩阵变换器到双级矩阵变换器，再到简化的稀疏矩阵变换器。 ( 2 ) 矩阵变换器元器件的研究 矩阵变换器元器件的研究进展充分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， 大致有图1 5 所示几种。 ( a ) t ( c ) l ( b ) 上 t ( d ) 图1 5 矩阵变换器双向开及关常见组合形式 ( a ) 桥式组合 ( b ) 反向并联组合 ( c ) 共射极反相串联组合 ( d ) 共集极反相串联组合 近年来出现了用具有反向阻断能力的i g b t 构成双向开关的方案，如图l 一6 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 ，低于交一直一交 5 硕士学位论文第一章绪论 结构中的2 4 个半导体。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。 上 图1 6r b - i g b t 双向开关 为了进一步降低矩阵变换器的主电路复杂性，减少了寄生参数，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 re 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。 ( 3 ) 矩阵变换器控制方法的研究 根据对矩阵变换器控制目标为输出电压或输出电流的不同，可将三相一三相 矩阵变换器的控制方法分为电压控制法和电流控制法两大类。电压控制法以变换 器输出电压为控制目标，主要有v e n t u r i n i 控制法、双电压合成法、空间矢量法 等。此外还有以输出电流为控制目标的滞环电流跟踪法，一般用于电流控制，实 际应用较少。目前的研究主要针对三相一三相矩阵变换器的控制技术，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。 根据变换器合成输出电压时有没有中间虚拟直流环节，可将上述策略分为间 接法和直接法两大类，间接法通过一个中间虚拟直流环节分两步合成输出电压， 空间矢量即是一种间接变换法；而直接法则是由输入电压直接合成输出电压， v e n t u r i n i 控制法、双电压合成法属于直接法。 根据参与合成输出电压时输入线电压的个数，可分为两类：双电压合成法和 三电压合成法。双电压法指采用两个输入线电压来合成输出三相电压，双电压合 成法、空间矢量法属于此类；三电压法指采用三个输入线电压来合成输出三相电 压，例如v e n t u r i n i 控制法。 上述控制方法各有优缺点，下面是几种应用较多的控制方法的比较： v e n t u r i n i 控制测1 。以1 9 8 1 年，数学家a l e s i n a 和电力专家v e n t u r i n i 合 作，提出矩阵变换器基于高频合成的严格数学证明，实现了一个符合要求的开关 调制矩阵m ( t ) 来对矩阵变换器进行控制。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；当 6 硕士学位论文 第一章绪论 输入电压发生畸变时，可动态计算开关占空比，使输出电压能保持正弦变化。但 采用该控制方法电压增益小于o 5 ；变换器开关策略要求在一个开关周期内共换 流1 2 次，换流损耗比较大，开关器件频率要求也比较高；为提高电压增益而在 输出电压中加入三次谐波后，开关占空比的计算变得非常复杂，不利于进行实时 计算。 瞬时双电压合成法【1 8 1 ：它的基本思想是在每一个开关周期内，输出电压 总由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它们的电 压幅值成正比。可以证明，当输入电压发生畸变时，变换器可实时调节开关占空 比使得输出不变，而且不增加额外计算量，抗干扰性好。但是由于开关占空比的 变化，无法确定最优开关策略，而且软件仿真和实时控制不方便：输入功率因数 角调节不便，如果使用参考输入电压可解决这一问题，但计算量增加较大。 空间矢量调制法【1 9 ( s v m ：s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ) ：它将交一交变换虚 拟为交一直变换和直一交变换，引入空间矢量的概念，这样便可采用成熟的高频 整流和高频逆变p w m 波形合成技术，利用输出电压空间矢量和输入电流空间矢量 进行合成，变换器的性能可以得到较大的改善。而且，具体实现时整流和逆变是 一步完成的，低次谐波得到了较好的抑制，具有双p 1 j i m ( p 1 j i m 整流一p w m 逆变) 变 换器的效果。采用p i t w ! 调制，电压增益可方便地达到0 8 6 6 ，而且占空比计算量 小；可以方便地结合负载( 特别是电机负载) 进行矢量控制，无须再额外设计矢量 控制器；换流次数减少，使开关损耗和器件频率降低。但该控制方法较为复杂， 缺少有效的动态理论分析支持，且在抗干扰性能上还需要进一步完善。这种调制 策略是目前在矩阵变换器中研究较多也是较为成熟的一种控制方法，最具发展前 途。 滞环电流控制法1 2 0 】：它以将变换器的输出电流控制为标准正弦量为目 标：控制系统跟踪输出电流的实际值，将它和电流的给定值作比较，进而控制各 个开关通断，使得实际电流按照给定电流规律变化。该控制方法动态响应比较快， 抗干扰性能比较好。但是它有开关频率不固定、电流误差变化无规律、输入电流 谐波丰富等缺点。 ( 4 ) 换流方法的研究 常用的逆变器相桥臂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 法： 7 硕士学位论文 第一章绪论 四步法【2 1 1 ( 半软开关法) ：通过检测负载电流的方向，恰当地安排两个双向 开关中4 个单向开关的导通关断顺序，经历4 步可以使负载电流从一个双向开关 转换到另一个双向开关。由于一次换流中总有2 步是自然换流，因此也称之为半 软换流( s e m i s o f t c o m m u t a t i o n ) ； 三步法1 2 2 】1 2 3 1 ：按一定原则选择两个开关构成一个换流开关对，这一个开 关对不受控制规律的影响而总是导通的。利用换流开关对提供的电流回路，在两 个双向开关换流的中间时段插入一个死区时段，使得换流只需3 步就可以完成； 两步法【2 4 1 ：引入输入电压相区概念，在每个相区中，输入电压中总有一 个最大值和最小值的极性不变，采用适当开关策略，就可以实现直接从一个开关 到另一个开关的安全换流； 软开关换流【2 5 】：加入电容电感等谐振元件并采用适当的开关策略，可以 实现各个开关的零电流或零电压导通和关断。但它需要接入一些所不希望的电磁 元件，使用受到限制。 ( 5 ) 矩阵变换器的应用研究 因为矩阵变换器具有优良的输入输出特性，并具有广义的变换器特性，所以 它在众多的电力变换场合得到了应用，以下是矩阵变换器主要应用场合： 变频调速：传统变频器在交流电机调速领域应用已经很成熟，但存在输 入功率因数低，存在中间大电容和电感等问题，矩阵变换器作为“绿色”变频器， 有望替代传统变频器； 电力系统无功功率调节：矩阵变换器输入功率因数可调，可以发出感性 无功或容性无功，可以用于电力系统的无功调节，作为柔性交流输电的一部分得 到的应用； 直流电源：通常矩阵变换器运行在由三相到三相的交流变换场合，但它 可以用在整流变换场合； 风力发电：发电机转子通过一个矩阵变换器与电网相连，利用矩阵变换 器的双向功率流通能力，使转子和电网实现功率转换，当发电机次同步运行时， 电网向转子提供电能，反之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。 从以上分析可知关于矩阵变换器的研究还停留在理论研究和实验室样机阶 段，尚未形成实用化的成熟产品，还有许多问题尚未解决，主要体现在以下几个 方面： 8 硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 在开关损耗上，与传统的a c - a c 和a c d c _ a c 变换器相比较，三相矩 阵变换器的开关器件多，因而输出功率大，适合大功率、高电压场合。但过多的 开关器件在高频下工作时，开关损耗大，发热、温升严重，因此开关特性变差， 关断时间延长，可能会产生电磁干扰( e m i ) ，降低变换效率。随着开关频率的增 加，开关损耗将不可忽视。 ( 2 ) 在控制实现的关键问题换流上，如何研究适合于矩阵变换器的高 效、可靠的换流方法，将多步换流造成的输出电压损失降低到最小程度亟待解决。 ( 3 ) 矩阵变换器换流过程存在和逆变器类似的死区效应，但是很少有文献定 量分析死区效应对性能的影响，从而缺乏针对性的补偿，造成输入输出性能下降。 ( 4 ) 矩阵变换器存在固有输入、输出电压传输比低的缺陷，如何提高电压传 输比一直是矩阵变换器在通用调速系统中的重要问题和应用障碍，但它与变换器 输入端功率因数和调制系数有关，如何设计合理的控制方案是矩阵变换器走向实 用化需要解决的重要问题，应深化这方面研究以提高矩阵交一交变换器的实用价 值。 ( 5 ) 到目前为止，对矩阵变换器的研究主要针对于其调制方案和p w m 开关模 式的数字实现，而对可供选择的、显示出同一功能的、单极自关断功率半导体器 件数量减少的电路拓扑结构却鲜有研究。此外，众多学者较多的研究了矩阵变换 器的控制算法和怎样解决开关管换流等问题，例如通过c p l d 实现四步换流、增 设p l a 装置解决换流问题等【1 5 】 1 6 1 1 2 6 】。然而由于传统单级矩阵变换器存在电路器 件过多、电路结构相对复杂以及电压传输比较低等问题，人们试图寻求结构更为 简化、性能更为完善的矩阵电路拓扑。 ( 6 ) 主电路参数的系统优化设计方面鲜有文献涉及，事实上主电路参数例如 输入滤波网络也是矩阵变换器优良特性的保证，这方面还有待深化。 1 3 本文研究的目的及意义 在过去的十几年中，世界各地学者对矩阵式变换器进行了大量卓有成效的研 究工作，制出了相应的装置，取得了丰硕的成果。近几年来，欧洲和日本的诸多 大公司开始加强对这种变换器的研发工作，矩阵式变换器的产品将批量出现在国 内外变频调速市场上。 在国内，矩阵变换器的研究开展较晚。目前不少高校针对以上所提到的影响 矩阵变换器实用化的问题进行了深入的研究与探讨，取得了很多成果。但总体而 言，国内对矩阵变换器的研究无论在理论上还是在实际研制上，与国际先进水平 相比，还有不少差距。 本论文所做的工作主要是在国内外关于矩阵变换器研究的基础上，针对一些 9 硕士学位论文 第一章绪论 研究不够深入而又十分关键的问题，做一些比较性的研究，提出自己相应的想法。 ( 1 ) 分析单级矩阵变换器的拓扑结构、工作原理和数学基础、空间矢量控制 策略以及多步换流方式等，并对其进行仿真建模研究，验证电路拓扑和调制策略 的正确性与合理性。 ( 2 ) 在空间矢量控制方法下，单级矩阵变换器的四步换流以及两步换流过程 存在和逆变器类似的死区效应，但是很少有文献定量分析死区效应对性能的影 响，从而缺乏针对性的补偿，造成输入输出性能下降。本文将提出一种带死区补 偿的改进矩阵变换器空间矢量控制策略，并从理论上分析该策略的可行性。 ( 3 ) 针对传统单级矩阵变换器开关器件较多、开关损耗大、换流方式相对复 杂等情况，详细研究一种较单级矩阵变换器和普通双级矩阵变换器来说结构得到 简化的电路结构稀疏矩阵变换器：分析其拓扑结构、工作原理、控制策略以 及换流方式。为了更进一步研究和改进稀疏矩阵变换器的控制策略，并为其具体 制作提供理论上的支持和实现方法，本文将基于m a t l a b 的s i m u l i n k 平台建立稀疏 矩阵变换器在空间矢量调制下的仿真模型，得到仿真波形，验证稀疏矩阵变换器 的电路拓扑、控制方法和换流策略的正确性及合理性。 ( 4 ) 比较分析稀疏矩阵变换器和传统单级矩阵变换器在电路结构和性能方 面的特点，论证稀疏矩阵变换器与传统单级矩阵变换器相比的优越性。 1 4 论文的结构安排 论文的各章节内容安排如下： 第一章，绪论。简要论述矩阵变换器的起源、基本特点、研究现状和面临的 问题，并阐述了作者关于课题的研究目的和意义，以及围绕课题所做的研究工作。 第二章，单级矩阵变换器的工作原理。介绍单级矩阵变换器的拓扑结构、数 学基础和开关传递函数；回顾两种已被广泛研究的矩阵变换器调制策略，总结空 间矢量控制方法的优越性；针对空间矢量控制下矩阵变换器的死区效应，提出一 种新颖的带死区补偿的改进空间矢量调制方法，对该方法进行理论上的分析与验 证；分析单级矩阵变换器的换流策略。本章将为以下各章节提供理论基础。 第三章，单级矩阵变换器的仿真建模研究。采用m a t l a b 仿真软件对单级矩 阵变换器建立s i m u l i n k 系统仿真模型，由仿真结果，对单级矩阵变换器拓扑结 构、性能及空间矢量控制方法进行验证。 第四章，稀疏矩阵变换器的工作原理。介绍稀疏矩阵变换器的拓扑结构、空 间矢量调制原理，分析零电流换流策略，综合交一直整流侧的p w m 控制策略和 直一交逆变侧的空间矢量调制结论以及采用的零电流换流方法，推导出间接从三 相交流变换为不同频率和幅值的三相交流电压的稀疏矩阵变换器的控制规律。 1 0 硕士学位论文 第一章绪论 第五章，稀疏矩阵变换器的建模与仿真。采用m a t l a b 仿真软件对稀疏矩阵 变换器建立s i m u l i n k 系统仿真模型，由仿真结果，对其拓扑结构、性能及零电 流换流方法进行验证；对稀疏矩阵变换器与传统单级矩阵变换器的结构和性能进 行比较研究，论证稀疏矩阵变换器与传统单级矩阵变换器相比的优越性。 总结与展望。论文最后对课题研究所做的工作进行了总结，展望了进一步工 作的开展方向。 硕士学位论文第二章单级矩阵变换器的工作原理 第二章单级矩阵变换器的工作原理 2 1 单级矩阵变换器的基本结构与特点 为了论文叙述的方便，本章的矩阵变换器均指单级矩阵变换器。 从理论上讲，矩阵变换器的输入可以是n 相频率为f l 的交流电，输出为m 相频率为的交流电，图2 一l ，2 2 是两种基本的矩阵变换器拓扑，图2 3 是由矩阵变换器演化而来的，基于双向开关的单相一单相直接交流变换器。但在 目前的研究中，往往以三相交一交矩阵变换器为主要研究对象，它由九个双向功 率半导体开关按3x3 矩阵式排列而成，每一相负载可以和三相电源的任意一相 相连。双向开关是指能阻断两个方向电压且能流过双向电流的全控器件，每个双 向开关由2 个单极自关断功率半导体和2 个二极管组成。但由于输入为电压源输 出带感性负载，因此为了保证双向开关的安全换流，要求满足以下两个约束条件： ( 1 ) 在任意时刻与同一输出相相连的三个开关必须且只能有一个开关元件导 通，否则将造成输入两相短路。 ( 2 ) 在任意时刻与同一相负载相连的三个开关也不能同时关断，以免造成感 性负载开路而感应高电压。 由于三相一三相矩阵变换器通过双向开关使每一相负载和三相电源的任一 一相相连，因而在控制上具有极大的灵活性，有良好的输入输出特性：可以四象 限运行，功率可以双向流动；实现单位输入功率因数，且无需大容量的中间储能 元件等。三相一三相矩阵变换器也是本文的研究重点，如无特别说明，本文中的 矩阵变换器均指三相一三相矩阵变换器。 图2 - 1 三相一三相矩阵变换器结构 1 2 硕士学位论文第二章单级矩阵变换器的工作原理 u 图2 - 2 三相一单相矩阵变换器结构 图2 - 3 基于双向开关的单相一单相直接交流变换器 2 2 单级矩阵变换器的数学基础 矩阵变换器在过去二十年来已经获得了广泛的应用。虽然它的种类已极其繁 多，但都无一例外以高频合成原理为基本依据。文献【2 7 】从傅立叶频谱的角度出 发，对高频合成原理进行了严格的数学推导与证明。为了使后面的分析有一个严 格的数学基础，本节对高频合成原理进行简要叙述。 2 2 1 单级矩阵变换器开关模型 矩阵变换器从本质上来说只包含开关器件，因此分析变换器必须从开关模型 的着手。对于变换器的开关而言，最简单的模型就是理想化开关模型。这一模型 可以用一个不连续函数m ( t ) 来描述：开关通断时不存在任何中间转换时间，当开 关闭合时m ( t ) d 沩l ，开关断开时m ( t ) 值为o ，m ( t ) 称为开关的调制函数2 8 】1 2 9 1 3 0 1 。 如果设乃( f ) 为开关的输入，则开关的输出z ( f ) 为 无( f ) = m ( f ) 石( f ) ( 2 - 1 ) 理想开关实际上总处在一定电路之中，根据开关输入输出变量的特性可将开 1 3 硕士学位论文第二章单级矩阵变换器的工作原理 关分为两类：电压开关和电流开关。但由于同一开关将不同端点看作输入端就可 以实现电流开关和电压开关的相互转换，因此下面只分析电压开关。对于n 个并 联电压开关，如果满足 m j ( t ) = 1 ( 2 2 ) = l 也就是说，这n 个并联开关在输入端没有短路而输出端没有开路时，那么它的输 出电压为 圪( f ) = 蚂( 畛( f ) ( 2 3 ) j v , j ( t ) 为输入电压矢量，上式意味着不仅可获得各个开关各自的输出电压，而且 可获得输入电压的和值。 再来考虑n 个输入p 个输出的一般变换器情况。它可以用一个p x n 的开关 调制矩阵表示：m ( t ) = ( f ) ) ，扛1 ，2 ，p ；j = 1 ，2 ，刀，这里鸭( f ) b 表示连接第 j 个输入端和第i 个输出端的开关调制函数。 进一步扩充，有 m ( t ) l = 1 这里l 表示一个元素全为1 的n 维矢量。 则式童m 。( ，) ：l 的开关条件可以做 j = i ( 2 - 4 ) 设变换器输入电压和输出电流矢量以及期望的输出电压和输入电流矢量分 别表示为 v ( t ) = t j 一， i o i o ( ，) = 么( ，) 匕 。 。：， ( ，) 2 么( ，) 匕 v o ( t ) = ( ，) ：。1 1 ( ，) = 厶( r ) 则开关矩阵的运行规律，也就是开关矩阵的输入输出电压电流关系为 v o ( t ) = m ( ，) v ( f ) i ，( ，) = m ( i o ( f ) 2 2 2 单级矩阵变换器的高频合成原理 为了叙述的方便，作如下的基本假设：本