（电机与电器专业论文）矩阵式变换器的仿真与实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 c o m p u t e r s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no f a m a t r i xc o n v e r t e r a b s t r a c t m a t r i xc o n v e r t e ri sa n 叫is i l i c o n ”p o w e rc o n v e r t e rw i 也a na d v a n c e dc i r c u i t t o p o l o g y i tp e r m i t s 疗e q u e n c yc o n v e r s i o ni n as i n g l e s t a g ep r o c e s s i n gw i t h o u tt h e n e e do fl 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 ，s u c ha sd cc a p a c i t o r i td r a w s s i n u s o i d a li n d 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 ld i s p l a c e m e n tf a c t o rt ob e s 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 e1 0 a dp o w e rf a c l o r b e s i d e st h e s e i ti s c a p a b l eo fp e r f o r m i n gf z e q u e n c yc o n v e r s i o nw i ! hs i n u s o i d a 】0 1 2 t p u tv o l t a g e sa n d c 1 2 r r e n t sa tt h ed e s i r e do u t r i u tf r e q u e n c ya n da l l o w sb i - d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w a c c o r d i n g t ot h es p a c ev e c t ：o rm o d u l a t i o nm e t h o do ft h ee q u i v a l e n ts t r u c t u r eo f 也ea c d c - a cc o n v e r s i o n t h ec o n v e r s i o nr e l a t i o n so ft h em a t r i xc o n v e r t e rw e r e d e e p l vi n v e s t i g a t e d t h e a c - a cd i r e c tt r a n s f o r m a t i o nc o n t r o la n dn l e d o u b l e s p a c e - v e c t o rp w m s c h e m eo ft h em a t r i xc o n v e r t e rw e r ed e d u c e da n dt h e m o d e l i n g s i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n to fa t h r e e p h a s e m a t r i xc o n v e r t e rw e r e i m p l e m e n t e d d u et ot h el a c k o ft h et r u eb i d i r e c t i o n a ls w i t c h e sa t p r e s e n t t h e c o m b i n a t i o n so fi g b t sc o n t r o l l e db yf o u r - s t e pc l i i t e n tc o m m u t a t i o na l g o r i t h mw e r e a d o p t e di nt h es i m u l a t i o n w h i c hm a d et h es t u d yv e r yc l o s et o 也er e a l i t y c o m b i n e d 、v i t l l 也ea d v a n t a g e so fm a t r i xc o n v e n e r , a c - e x c i m dg e n e r a t i o nt e c h n i q u ea n dv e c t o r c o n t r o 】s c h e m e t h es t a t o rf l u x o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lm o d e lo ft h e l r i a b l e s p e e d c o n s t a n t - f r e q u e n c y ( v s c na c - e x c i t e dg e n e r a t o rf e db yam a t r i xc o n v e r t e rw a s d e v e l o p e d s i m u l a t i o ns t u d i e so f t h ep r o p o s e di x ) w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw e r ec a r r i e d o u t c o m b i a a t i o 璐o fi g b t sc o n t r o l l e db yf o u r - s t e pc u r r e n tc o m m u t a t i o na l g o r i t h m , w a si m p l e m e n t e db yt h ec p l d ，w h i c hw a sa l s of o r e c a s t e da n dv u l i d a t e db yt h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h eh a r d w a r eo ft h ed s p b a s e dc o n t r o is y s t e mw a s c o n s t r u c t e da n dt h es o f t w a r ew a sd e s i g n e da n dw r i t t e n e x p o r i m e n t so fa p p l y i n gt h e m a t r i xc o n v e r t e rt oi n d u c t i o nm o t o rd r i v ew e r ec o m p l e t e d t h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t e 也e c o 邛e c 血e s sa n df e a s i b i l l t yo f t h i ss c h e m e 嘣st h e s i sd i s c u s s e sp r i n c i l ：i a li s s g e so ft h em a t r i xc o n v e r t e rs u c ha sp r i m e p r i n c i p l e ，c o n t r o ls t r a t e g y , c u r r e n t c o m m u t a t i o n , i t sa p p l i c a t i o n se r e b y t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，c o m p u t e r s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n , s o m e v a l u a b l ee x p e r i e n c e sa n ds i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sa r eg i v e n 、w h i c hf o u n dt h eb a s i so f 也ep r o j e e tf o rt h e 缸- $ h e rs t u d i e s k e y w o r d s ：m a t r i xc o n v e r t e rb i - d i r e c t i o n a ls w i t c h s i m u l a t i o nd s p c p l d f o u r s t e pc u r r e n t c o m m u t a t i o n i l 新江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电气传动的发展概况 电气传动系统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 流间具有天然的解耦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。由于直流电机固有机械换向装置的存在，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，无法适用于高电压、大容量及高速场合；电刷易产生火花， 系统无法在易燃易爆场合下使用，使用环境受到限制等等。而这些缺点不仅严重 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【j j 。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，由于具有结构简单、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，决定了三相交流电动机是一个多变量、强 耦合、非线性、时变的复杂系统，它的可控性比较差。要使交流电动机获得良好 的调速控制性能，必须要有性能优良的控制系统，而这又受到交流电机调速控制 理论和电力电子变流技术等因素的制约，因此在很长一段时间内交流调速系统无 论在控制性能还是在系统成本、复杂性、可靠性等方面都和直流调速系统有一定 的差距。近2 0 年来，由于电力电子技术的迅速发展，使电气传动面临着一场重 大的变革，交流调速传动迅猛发展，交流调速系统取得了巨大的进步，它在各个 方面的指标都有了很大的提高，交流电机固有的优良特性又得到了充分的发挥， 电气传动交流化的新时代正在到来。 交流电机调速方法可分为两大类冈：变同步速调速( 变极和变频) 和变滑差 调速( 定子调压，转子串电阻，转子串级及转差离合器调速等) 。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 来实现改变电机同步转速的交 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 浙缸太学硕士学位论文 系变化。因此，变频调速又有变压变频调速( v v v f ) 之称。变频方式分为交一 直一交变频和交一交变频两大类型。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，本世纪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。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 常规功率变换器特点和存在的缺陷 1 2 1 常规功率变换器特点 目前常规的变频器有交交变频器和交一直一交型变频器两太类i i j 【”。 交直一交变频方式有方波( 六脉波) 和脉宽调制型之分，均由整流器、滤 波器和逆变器所组成，完成交流( 3 2 频) 直漭卜一交流( 变频) 转换。按照赢流 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 ) 逆交器采用不控整流，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，由于开关频率高，动 态响应快。 交一交变频方式也分为电压型和电流型。电流型交交变频器输入接入了足 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是则可以采用余 弦交点法触发控制方式输出正弦形电压。交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，系统损耗低，变换效率高。 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 常规的变频器的主要缺陷 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 ) ，晶 闸管器件的出现促进了交交变频技术的深入发展1 4 】。电流型的交一交变频器在输 出佃9 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。三相输出交交变频器由三组单相交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。其原理线路示意图如图卜1 所示。 图卜1 交交变频器连接示意图 通常电流型交交交频器输出矩形波电流，其它形式的电流型变流器由于开 关器件工作频率低，输出电流般也仅为六阶梯波，谐波都很大。 电压型交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，输出电压波形中宙有很大的谐波分量，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，因而输出电压频率不 可能太高，一般低于输入电压频率的l 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 浙江大学硕士学位论文 源频率的1 t 3 1 2 ，且用元器件较多，控制线路负杂，低速功率因数低，因而仅 适用于大功率电机低速调节工况。 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 v 门v l 交频器得到了快速发展，并得到了广泛的应用。然而它输入特性差， 即输入电流富含谐波，输入功率因数较低会对电网造成“污染”，已成为其应 用普及的最大障碍。而这又是交一直整流功率变换电路的特点造成的。 交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i ”。通 常采用大电容滤波，使得即使是不控整流，其输入功率因数也根低，一般只有 0 6 5 左右。整流器一电容滤波电路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u 是正弦的，但输入交流电流i 波形却严重畸变，呈脉冲状， 如图1 2 所示。另外，对于采用大电感滤波的的电路，输入电压为正弦波，但 输入交流电流为方波状，同样也含有大量丰富的谐波，功率因数也较低。如图1 3 所示。 lji i lji 亍c1 ( a ) 电容滤波全波整流电路图 r 州，- 1 1 i 巨受四l - l 二j - 二：l l - - j ( b ) 输入电压电流波形图 图1 2 采用电容滤波全波整流电路及输入电压电流波形圈 u 1 0 0 匿圜 l l - - - - - - j - - - - - - - - - - - - - 二j - 。：- - - - 。- - - - - - - - 。l 。j r 1 ：丽至于虱 喘f 百言1 薷蒜f 百 1 菇盎 ( a ) 采用电感滤波的全波整流电路图 ( b ) 输入电压电流波形图 图l 一3 采用电感滤波全波整流电路及输入电压电流波形图 线性电路的功率因数习惯用c o s 巾表示，中为正弦电压与正弦电流间的相角 in 撕江大学硕士学位论文 差。由于整流电路中二极管的非线性，尽管输入电压为正弦电流却为严重非正 弦，因此线性电路功率因数的计算不再适用于a c d c 变流电路。现用p f ( p o w e r f a c t o r ) 表示功率因数。 定义p f = 有功功率视在功率= p v i 设a c d c 交流电路的输入电压v i ( 有效值为v ) 为正弦，输入电流为非正弦。 其有效 值为：i = 耳十霹+ + + 式中，1 1 、1 2 、i 。、分别为电流基波分量、二次谐波、n 次谐波电流的 有效值。设基波电流i i 落后v i ，相位差为a ，则有功功率和功率因数可表示为： p = - v i i c 0 5 伍 p f = v i l c o s a v i = i i c o s a i r ：。一 式中 1 1 i = i j 坪+ e + + e + i i ，i 表示基波电流相对值( 以非正弦电流有效值i 为基值) ，称为畸变因数 ( d i s t o r t i o n f a c t o r ) ，c o s a 称为位移因数( d i s p l a c e m e n tf a c t o r ) 。这样非正弦电路 的功率因数应为畸变因数和位移因数的乘积。 输入电流含有大量的谐波，使谐波噪声水平提高，整流电路的输入端必需增 加滤波器，成本高，体积、重量又庞大、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旧。 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，导致电压或电流谐波放大； 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等被击穿、损坏； 能耗效应，导致更多的能量损耗，设备效率和电网利用率降低： 热效应，因发热加剧影响设备工作的可靠性，并且减少工作寿命： 机械效应，引起电机或其它电气设备转矩脉动和振动，影响工作或损坏。 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 浙江大学硕士学位论文 误动作。 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 矩阵式变换器的研究现状 矩阵式变换器( m a h - i xc o n v e r t e r ) 作为一种新型的交交变频电源，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 a a l e s i n a 提出了矩阵式变换器存在理论及控制策略后，其特点才为人们所关注 和研究【7 j 【8 1 。 7 0 年代，普遍使用的是半控功率器件晶闸管。采用这种器件组成矩阵式变 换器，控制难度是很高的。矩阵式变换器的硬件特点是要求大容量、高开关频率、 具有双向阻断能力和自关断能力的功率器件，同时由于控制方案的复杂性，要求 具有快速处理能力的微处理器作为控制单元，而这些是早期的半导体工艺和技术 水平所难以达到的。所以这一期间矩阵式变换器的研究主要针对主回路的拓扑结 构及双向开关的实现，太多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，推动了矩阵式变换器控制策略的研究。人们发现，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，矩阵式变 换器的实验装置问世了。早期的实验装置由于工作频率不够高及换流技术不完 善，输出频率都根低，通常低于电网频率，但突破以往交一交变换器的上限。 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，矩阵式变换 器的研制形成了一个热点。构成双向开关的单向开关间多步换流控制技术被推广 开来，装置的性能得到了极大的提高，最高输出频率达到了电网频率的2 3 倍， 输入侧电流波形畸变率小于2 用于恒压频比、电流跟踪及矢量控制等，取得 了一定成果。与此同时，由于计算机软、硬件的迅猛发展，在采用理论分析和实 验相结合的基础上，更多地采用了仿真方法，以进一步提高的研究地深度和广度， 提高研究的效率。其中最引入注意的有南斯拉夫学者l h u b e r 和美国教授 d b d r o j e c v i c 提出的基于空间矢量调制的控制技术并成功地研制出了2 k w 实验 样机 9 】，台湾学者潘晴财基于电流滞环跟踪和软开关技术，提出了另一种实现方 法【10 】。1 9 9 6 年英国学者w a t t h a n a s a m 等基于d s p 和i g b t 硬件条件完成了2 k w 的实验样机j 。1 9 9 7 年英国学者p w h c e l e r 和d g r a n t 提出了一种对构成双向开 渐旺大学硕士学位论文 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。并研制出了5 k w 的实验装置【l “。 我国矩阵式变换器的研究工作开展较晚，基本上从9 0 年代开始。哈尔滨工 业大学对矩阵式变换器的理论进行了深入的分析和研究，其中关于矩阵式变换器 的无功功率问题l l 孙，分析了矩阵式变换器输入无功功率的性质和无功量值的调节 规律，得出了一些有意义的结论；关于灵敏度r a - j 题i l4 1 导出了用伴随网络法分析 电压增益对矩阵式变换器滤波参数和控制参数的灵敏度公式。他们还提出了基于 p a r k 变换的矩阵式变换器等效电路模型【】”，在矩阵式变换器的线性时不变电路 模型的基础上，对空间矢量调制矩阵变换器非理想条件下的稳态特性进行了分析 【j6 】。对空间矢量调制矩阵变换器的暂态响应特性与输入滤波器参数的关系进行了 讨论1 1 ”，取得了令人瞩目的成绩。福州大学基于电流滞环跟踪控制的矩阵式变换 器研究建立了电流滞环跟踪控制仿真模型并进行了仿真研究【1 8 1 ，推导了电流跟 踪控制方式下的开关函数，试制样机并带三相感性负载进行了实验，从而验证了 矩阵式交换器电流滞环跟踪控制的正确性和可行性【1 9 1 。上海大学基于空间矢量控 制的三相矩阵式变换器研究1 2 0 1 ，完成了基于8 0 c 1 9 6 k c 单片机的矩阵式变换器 控制系统，并取得了较好的实验效果。 总的来看，矩阵式变换器是随着电路电子技术的发展在不断发展。但目前世 界范围内矩阵式变换器的研制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。 矩阵式变换器在国内外虽然己在研究，但是尚有许多问题还没有解决。本课 题除了高起点的继续深化研究外，更注重其实现技术和应用基础的研究，探讨矩 阵式变换器在交流励磁发电、双馈电机变频调速等与矩阵式变换器特性相匹配的 应用方式。这也正是当前国内、外该项研究中所欠缺的，亟待深入开展研究的方 向，而且在能源有效利用和节能中又具有重要的工程实用价值。此外，在实现技 术上采用d s p + c p l d 及i g b t 组合双向开关构成的高速、可靠、紧凑、全数字 控制的硬件结构，以考虑今后条件成熟时为实现构造模块式优质电源变换器提供 技术基础，能使研究工作紧密跟踪、追赶国外先进电力电子技术的最新发展趋势， 对我国电力电子工业的发展具有现实意义。 晰江大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究意义及研究内容 1 4 1 研究意义 传统的交一交变频器由三套可逆整流装置组成，多用于大容量低速传动和交 流励磁发电。采用移相触发控制的交一交变频器在实现功率变换的同时会引起电 流、电压波形的严重畸变，产生大量的谐波。而交流励磁发电时会导致发电机输 出电能质量不符合电网要求1 6 】。 高频自关断器件的应用和调制技术的不断发展，交一直交型p w m 变频器 迅速成为变频电源的主体。特别是各类调制技术的发展，优化了p w m 变频器的 输出特性，获得了良好的正弦输出电压，从而在高性能调速传动中得到广泛应用。 但通用的交一直一交型p w m 变频器还有输入特性差的弊病。由于交一直变换中 多采用不控整流加大电容作直流滤波的配置，一方面使得输入电流的波形为仅在 输入电压峰值处很窄范围内的电流脉冲，其谐波成分很大，加上应用面广，是造 成电网谐波污染的主要谐波源。在电力系统中，各种谐波源产生的谐波对电力系 统造成污染，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。另一方面直流滤波用电解 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。再者这种不控整流方式不可能实现能量的双向流动，用 于调速系统不能真正实现四象限运行。这样，从环境保护、电网侧谐波治理的角 度出发人们的注意力又从改善变频器输出特性转向致力于改善输入特性的更深 层次的研究之中。 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，随着变 频装置的日益广泛应用，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【2 ”，它具有鼠笼型转子 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，电机控制绕组电压不高的特点 浙江大学硕士学位论文 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。 随着国民经济的高速发展，对电力能源的需求随之增长。在石油、煤炭等不 可再生资源日益减少的情况下，发挥我国幅员辽阔，水力、风力等自然资源丰富 的优势，大力发展水力发电、风力发电已成为我国电力发展的一个重要方向。现 在一般采用的是同步发电机恒速恒频发电方式。由于受到电网频率的限制，发电 机转速不能改变，原动机须在不同水头、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水轮机还 有振动、气浊、磨损增大的问题。 交流励磁发电是一种先进的发电技术，可以克服以上同步发电机的缺点。使 用交流励磁发电机可使威磁频率随转速改变，可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，是一种很适合水力或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 c e 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，矩阵式变换器可以满足这种要求。 矩阵式变换器是一种具有优良的输入输出特性的新型交一交直接电源变换 器，它允许频率单级变换，无需大容量的贮能元件如大电容。可使输入电流正弦， 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。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。特别是其功率 可双向流动，具有四象限运行能力；加之体积小、效率高，符合模块化发展方向。 矩阵式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环保问题，同时也非常适合交流励磁发电系统的需 求，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 2 主要研究内容t 本文的主要内容包括以下几个方面： 第二章对矩阵式变换器的理论基础进行了阐述- 分别是矩阵式变换器的交一 直一交等效变换，双空间矢量调制策略和双向开关的安全换流方案。交一直一交 等效变换是本文调制策略的来源和基础，双空间矢量调制策略是矩阵式变换器的 9 浙旺大学_ 硕士学位论文 实现的核心控制策略，而在目前没有商品化双向自关断器件条件下，由单向自关 断器件组合而成的双向开关的安全换流问题是矩阵式变换器实现技术的关键。因 此本章构成了全文研究的理论基础部分。 第三章在理论分析的基础上，展示了对三相矩阵式变换器的仿真研究成果。 应用m a t l a b s i m u l i n k 软件对矩阵式变换器的控制策略，带异步电机负载运行， 双向开关的安全换流及矩阵式变换器供电交流励磁发电系统运行进行了仿真研 究，并着重分析了仿真的实现、仿真的结果及应用。 第四章在理论分析和仿真研究的基础上，对矩阵式变换器的实现技术和手段 进行了实验研究。基于c p l d 完成了双向开关的换流技术实验研究，对d s p + c p l d + i g b t 的数字式矩阵式变换器控制系统的实现技术进行了实验研究。 第五章是对矩阵式变换器研究的分析和总结。最后对矩阵式变换器的研究工 作进行了展望。 本文从仿真和实验两个方面对矩阵式变换器基本原理、控制策略、开关换流、 应用范围等基本性问题进行了系统研究，通过对理论、仿真和实验结果的分析得 出了一些有意义的经验和结论，并为这一新型“绿色”变换器的进一步深入研究 和应用打下基础。 o 浙江大学硕士学位论文 第二章矩阵式变换器的理论基础 本章从矩阵式变换器的变换矩阵出发，应用交一直一交等效变换的方法，推导了矩阵式 变换器和等效交一直一交变换器的开关函数和变换矩阵，得出了矩阵式变换器和等效交一直 一交变换器功率开关函数问的对应关东建立了数学模型，分析了矩阵式变换嚣的工作原理 和交一交直接变换的控制策略，并得出了控制的开关表同时，探讨了矩阵式变换嚣中的赋 向开关及其安全换流控制的问题，为下一步的仿真和实验研究打下了基础 从理论上讲，矩阵式变换器的输入可以是n 相频率为乔的交流电，输出可以 是m 相频率为五的交流电，但在目前的实际研究中，往往以三相矩阵式交一交 变换器为主要研究对象。对于一组频率为q 的三相输入电压e ，通过按一定规则 控制变换器中功率开关，可以合成所需频率为吐的三相输出电压玩，即： 玩= t 一e ，式中变换矩阵f 的确定反映了矩阵式变换器的控制策略。 矩阵式变换器的控制策略可以分为三类四：直接变换法，间接变换法和滞环 电流跟踪法。 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，具体实现复杂，软件运算量较 大，限制了它们的应用范围和深度。 2 间接变换法( 交一直一交等效变换法) ；基于空间矢量变换的一种方法， 将变一交变换虚拟为交一直变换和直一交变换，这样便可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，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 w m ( p w m 整流p w m 逆变) 变换器的效果。它是目前在矩阵式变换器中研究较 为成熟的一种方法，比较有发展前途。 3 滞环电流跟踪法：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、鲁棒性好等优点，但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，且输入电流波形不够理想，存在较大的谐波等。 采用间接变换法( 交一直一交等效变换法) 可以使用成熟的交一直一交变换 浙江大学硕士学位论文 器的调制策略，以获得较好的输出电压和输入电流波形。本文的研究是基于这种 变换方法进行的。 2 1 矩阵式变换器的交一直一交等效变换 矩阵式变换器交一交直接变换关系可以从等效的交一直交变换中推得。一 个实现交一交变换的矩阵式变换器可以采用由一个虚拟的整流器和一个虚拟的 逆变器构成的等效交一直一交结构来代替，如图2 - 1 所示。采用这样的等效结构 可以充分利用已有成熟的交一直一交变换中的p w m 控制技术，并可通过对比分 析出如图2 2 所示实际矩阵式变换器的开关控制规律 2 3 l 。 c b 输出 a ! ：i! 备自。 。丽 _ 。 & 钆 i ，u 忆。p 妒 4 ，j 。p i 彤每? i 图2 - 1 矩阵式变换器的等效交一直一交结构图2 - 2 矩阵式变换器的原理性结构 分析图2 一l 和图2 2 时，首先定义开关函数s j k ：导通时- s j k _ l ；断开时， s j k - 0 a 对于图2 一l 的等效交一直一交结构，j 妇，b ，c ，a ，b ，c k p ，n 。由于输 入是电压源性质输入电压不能被短路；输出为感性负载，输出电压不能突然开 路。按照这一原则，虚拟整流器中同一直流母线p 或n 上的开关必须有一个且 只能有一个处于导通状态，即 s a l + s b k + s c k = 1 ，k p ，n ( 2 1 ) 而虚拟逆变器同一输出相a 、b 或c 上必须有一个而且只能有一个开关导通，即 s j p + 跏= 1 j 缸，b ，c ( 2 2 ) 对于图2 2 的矩阵式变换器实际结构，j 扛，占，c ) ，k 矗，b ，c ) 。矩阵式变换 器的两个输入相不能同时与同一输出线相连以避免输入短路；同时每一输出线应 始终与一输入线连接以避免感性负载回路开路。按照这一原则每一输出相只能 j 2 一 塑垩查兰堡主兰垒丝奎 连至且必须连至一个输入相，故开关函数须满足 s j 。+ s j b + s j 。= 1 ，j e 一，b ，c 等效交一直一交变换器中虚拟整流器部分的变换关系为? u p = l s 口s b p 卦 阻 驯剀 ( 2 4 ) = 【鼢 ( 2 6 ) 等效交一直一交变换器中虚拟逆变器部分的变换关系为 = 融阱 = b 。芦。 1 c z s ， = 一陋。s 鲥 ( 2 3 ) ( 2 5 ) ( 2 7 ) ( 2 9 ) 将式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 代入( 2 - 7 ) ，并按= 一，= 一， = 乩，可得输出线电压的表达式： s ”5 + 5 5 “一l s ”s + s l n s ) s , r s p + 5 “s “一( s ”s 。+ s 。s 。) s * s 。+ s w s “一k p s ? + s i h s “、 将式( 2 - 8 ) 、( 2 9 ) 代入式( 2 - 6 ) ，可得输入相电流的表达式： i ： 篓；裟 s 。s 背+ s s s 诤s b p + s m s “ s 。s 8 p + s w s 8 q 而实际矩阵式变换器交一交直接变换关系应为 一s 一屯 一以6豳 ( 2 - 1 0 ) ( 2 一1 2 ) 1ll，lj u p，l w芝 、i r 跏跏鼬 p，。l 一 1llllj 玑如叽 p。，l 1lllj l = h h k 盯u u j = j u 址 k “昧 + + + 一 一 一 踮路 + + + 墨路踮 + + + 珏。踮 一 一 一 跏跏跏如踮“ + + + 跏跏跏。斗站 ，11，、j 肚 盯 。 胁一 心 h 。k麓骗 鼢& 曲 1，lj 艮 一 一 一 艮如 一 一 一 鼢 -，l = 1llll，j r。l 3 浙江大学硕士学位论文 雌鞫嘲 c z m 从而可分别推导出实际矩阵式变换器和等效交一直一交结构开关函数之间的对 s j k = s j p s k p + 8 0 n s k n ，j 乜，b ，c ，k a ，b ，c ( 2 1 4 ) 式中，g ，j ，k e 一，b ，c ， m ，n ，i ea ，b ，c ) ，且g j k ，m n 1 。 e ：件山嚣纠 协 【u j【c o s ( m ，t + 1 2 0 。) j i ijc o s ( m o t 一+ 3 0 0 ) l u 。_ l = 4 - w 1c o s ( c o o t - i p o + 3 0 。- 1 2 0 。) i ( 2 1 7 ) 【c 乞j【c o s ( 脚。t 一+ 3 0 。+ 1 2 0 。) j 其中，u 。为输出相电压的幅值，亿为输出相角。 c o s ( m o t 一吼+ 3 0 。) 1fc o s ( c o 一红) 1 7 t = m ic o s ( m o t 一亿+ 3 0 。一1 2 0 。) iic o s ( m 一纯一1 2 0 。) l ( 2 1 9 ) c o s ( m j 一乇+ 3 0 。+ 1 2 0 。) jl c o s ( 国。，一仍+ 1 2 0 。) j 1 4 浙江大学硕士学位论文 l c o s 蛾卜吼+ 3 俨) i ， 虬= 7 1 q = m lc o s 魄卜+ 3 & - 1 2 l - 詈c o s 妒 l c o s 纯，一+ 3 旷+ 1 2 泸) j ：宴m u 。c 。s 妒 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 因此选择不同的c o s q ，, ，就可以调制出不同的输入功率因数，可以超前、滞 g ：坠：鱼。o 8 6 6 ( 2 2 2 ) 而对于n 相输入和m 相输出的矩阵式变换器电压传输增益则为 2 4 ： g = ( c o s 蠢) 2 ，c o s 击 ( 2 _ 2 3 ) l j l ，i c o s ( a ) o t 一亿+ 3 0 。一吼) i l 2 - a t 1 。遑匕蕊o ；：凳o ：署：笼罩：呈列 。2 4 式中c o s 妒l 为输出负载的功率因数，1 一为输出线电流的幅值。 同时变换矩阵亍满足7 ，= ，7 。即： i * k 孚。b 嬲刻 浯z s ， 由此可知输入电流的幅值：k = 掣，。研c o s 吼 ( 2 2 6 ) 1i刊 舻舻，挖佗 如一 +一如如妒+ + 旷哏哏| ；帆慨 l 宝 一r 卜 洲 压 l l 浙江大学硕士学位论文 输入功率：最= x 3 u f f , c o s ( p = 4 j v o zc o s q o = 乞。 ( 2 2 7 ) 式中u 、i i 、u 。、i o 分别表示相应电压或电流的有效值，p i n 、p o 。表示输 入和输出功率，p i 。= p 。说明调制过程中满足输入输出有功功率相等。