五相双级矩阵式变换器控制技术的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.3MB 68 页 15积分

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摘要

五相双级矩阵式变换器（TSMC）是一种在间接矩阵式变换器（IMC）基础上

的创新，结合了 IMC 及五相逆变器各自优点的一种新型变换器，具有广泛的应用

前景。目前，国内外关于五相 TSMC 的研究的报道几乎没有。

本文第一章概述了矩阵式变换器（MC）的分类、特点、控制策略和课题研究

的主要内容。第二章介绍了矩阵变换器的原理，详细说明了矩阵变换器的电路结

构、运行原理、换流方法及空间矢量调制法。为了验证矩阵变换器空间矢量调制

策略，搭建了矩阵变换器的仿真模型。第三章详细介绍了两种五相 TSMC 输入侧

的SVPWM 控制策略：整流级无零矢量控制策略和整流级有零空间矢量的控制策

略。在整流级无零矢量控制策略的基础上，将改进的整流级无零空间矢量控制策

略应用到五相 TSMC 上。为了克服无零矢量控制策略的固有缺点，应用了五相

TSMC 的有零矢量控制策略，推导出传递函数及基于空间矢量的简化算法。第四

章分析了五相逆变器负载的等效结构，并对其性能进行了比较。通过对 SVPWM

控制策略的推广，详细推导了五相电压空间矢量的合成原理。基于 SVPWM 理论，

介绍了三种五相 TSMC 逆变侧控制策略：最近两矢量 SVPWM 控制、最近四矢量

SVPWM 控制、最小开关损耗 SVPWM 控制，详细介绍了三种控制策略的合成方

式，并对三种控制方式进行了比较。为了使五相 TSMC 能够很好的运行，第五章

对五相 TSMC 的换流策略进行了分析研究。第六章推导了五相 TSMC 的综合调制

策略，并通过计算机仿真验证了本文的调制策略。

本文在深入研究传统矩阵式变换器（CMC）控制策略的基础上，将相关理论

推广到五相 TSMC 的控制策略上。通过计算机仿真实现，本文的控制方法切实可

行，为相关的后续研究作了很好的铺垫。

关键词：五相双级矩阵式变换器控制策略空间矢量调制

ABSTRACT

Five-phase two-stage matrix converter (TSMC) is an innovation based on an

indirect matrix converter (IMC). It is a new converter contains their respective

advantages of IMC and the five-phase inverter. It has a wide range of applications

prospects. At present, both in and abroad, the reporting of the study of five-phase TSMC

is nearly non-existent.

Chapter I describes the classification, characteristic, control strategy of matrix

converter (MC) and the main contents of this thesis. Chapter II introduces the principles

of matrix converter, a detailed description of the matrix converter circuit structure,

operation principle, converter and space vector modulation. In order to verify the matrix

converter space vector modulation strategy, set up the simulation model of matrix

converter. Chapter III introduces two five-phase TSMC input side of SVPWM control

strategy in detail: rectifier non-zero space vector control strategy and rectifier zero space

vector control strategy. On the basis of the rectifier non-zero vector control strategy , an

improved five-phase rectifier TSMC non-zero space vector modulation strategy is

proposed. In order to overcome the inherent shortcomings of the non-zero vector control

strategy, a five-phase TSMC zero vector control strategy is proposed , transfer function

and the simple algorithm based on the space vector is deduced. Chapter IV analyzes the

equivalent structure of the five-phase inverter load and the performances are compared.

Five-phase voltage space vector synthesis principle is deduced in detail through the

promotion of SVPWM. Based on the SVPWM theory, three kind of five-phase TSMC

inverter side control strategy is introduced: the nearest two vector SVPWM control, the

nearest four vector SVPWM control, the minimum switching loss SVPWM control,

describes the synthesis method of three control strategies and three control strategies are

compared. In order to enable five-phase TSMC operating well, Chapter V analyses the

five-phase TSMC flow strategy. Chapter VI deduces five-phase TSMC synthesis

modulation strategy and verifies the modulation strategy through computer simulation.

Based on the study of conventional matrix converter (CMC) control strategy,

relevant theories of five-phase TSMC control strategy has been promoted. The control

strategy of this paper is a good foundation for the relevant follow-up study.

Keywords: Five Phase TSMC Control Strategy SVM

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ............................................................................................................. 1

§1.1 课题研究的背景及意义 .............................................................................. 1

§1.2 矩阵式变换器的分类及特点 ...................................................................... 1

§1.3 矩阵式变换器的控制策略 .......................................................................... 3

§1.4 本文研究的主要内容 .................................................................................. 3

第二章矩阵式变换器的空间矢量调制 ................................................................... 5

§2.1 三相电量的空间矢量表示 .......................................................................... 5

§2.2 磁链空间矢量 .............................................................................................. 7

§2.3 三相逆变器的电压空间矢量控制 ............................................................... 8

§2.4 电压空间矢量合成原理 ............................................................................. 11

§2.5 矩阵变换器的整流侧空间矢量调制技术 ................................................. 14

§2.6 本章小结 .................................................................................................... 20

第三章五相 TSMC 整流侧 SVPWM 控制 ............................................................21

§3.1 引言 ............................................................................................................ 21

§3.2 五相 TSMC 的电路结构 ........................................................................... 21

§3.3 五相 TSMC 整流级无零矢量的空间矢量调制策略 ................................ 22

§3.3.1 五相 TSMC 整流侧无零矢量控制 .................................................. 22

§3.3.2 五相 TSMC 整流级无零矢量空间矢量调制策略的改进 .............. 24

§3.4 五相 TSMC 整流级有零矢量的空间矢量调制策略研究 ........................ 27

§3.4.1 五相 TSMC 空间矢量调制策略 ...................................................... 27

§3.4.2 五相 TSMC 基于空间矢量调制策略的低频开关函数 .................. 28

§3.4.3 五相 TSMC 整流级空间矢量调制的简化算法 .............................. 30

3.5 本章小结 ....................................................................................................... 31

第四章五相 TSMC 逆变侧 SVPWM 调制策略 ....................................................32

§4.1 引言 ............................................................................................................ 32

§4.2 五相逆变侧的研究 ..................................................................................... 32

§4.2.1 五相逆变器的结构 ........................................................................... 32

§4.2.2 负载等效结构分析 ........................................................................... 32

§4.3 五相空间矢量 ............................................................................................ 33

§4.4 SVPWM 理论的扩展 .................................................................................35

§4.4.1 最近两矢量 SVPWM（NTV-SVPWM）控制 ................................36

§4.4.2 最近四矢量 SVPWM（NFV-SVPWM）控制 ................................37

§4.4.3 最小开关损耗 SVPWM（MSL-SVPWM）控制 ........................... 39

§4.4.4 三种 SVPWM 控制的波形分析 .......................................................40

§4.5 本章小结 .................................................................................................... 42

第五章五相 TSMC 换流分析 ................................................................................ 44

§5.1 双级矩阵式变换器换流技术 .................................................................... 44

§5.2 死区换流技术 ............................................................................................ 44

§5.3 五相 TSMC 换流技术 ............................................................................... 45

§5.4 本章小结 .................................................................................................... 47

第六章五相 TSMC 控制策略的仿真 .................................................................... 48

§6.1.五相 MC 与五相 IMC 开关矩阵的等效关系 ............................................48

§6.2 五相矩阵式变换器输入输出侧综合调制 ................................................ 50

§6.3 五相 TSMC 的SVPWM 控制的仿真 .......................................................55

§6.4 本章小结 ..................................................................................................... 58

第七章结论与展望 ................................................................................................. 59

附录 ............................................................................................................................. 61

参考文献 ..................................................................................................................... 62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 65

致谢 ......................................................................................................................... 66

第一章绪论

§1.1 课题研究的背景及意义

矩阵式变换器（Matrix Converter ，简称 MC）[1~4]是一种新型的交－交电源变

换器。和传统的变换器相比，它具有如下优点：不需要中间直流储能环节；能够

四象限运行；具有优良的输入电流波形和输出电压波形；可自由控制的功率因数。

矩阵式变换器已成为电力电子技术研究的热点之一，并有着广泛的应用前景。

多相交流电机（多于三相）作为变频调速电机的优点已得到公认。除了增加

转矩脉动频率，降低转矩脉动幅值之外，还因为总输出电流的增加而提高了整个

变流调速系统的输出功率，对变流器功率器件的容量要求也降低了。此外，增加

相数还有利于提高低速区的调速特性。容错性能好也是这类电机的一个特点，当

多相中的一相或几相发生故障时，通过适当的控制，电机仍可以降功率启动和运

行。

由于多相交流调速系统的显著优点，其有广阔的发展前途。由多相 MC 和多

相异步电机组成的变频调速系统具有不同凡响的优越性能。目前，关于 MC 的研

究主要集中在三相和单相上，虽然在理论上 MC 可以扩展到多相，但是，国内外

至今未见多相 MC 的研究报道。

本课题将以多相 MC 的一个特例—五相双级矩阵式变换器（Two Stage Matrix

Converter，简称 TSMC）[5] 作为研究对象，探讨五相 TSMC 的空间矢量脉宽调制

策略（Space Vector Pulse Width Modulation，简称 SVPWM）。到目前为止，欧美和

日本的多家大公司已对矩阵式变换器展开了多年的研究，并已有相关的产品问世，

而国内尚未有变频器生产厂家开始矩阵式变换器的研制工作。一旦矩阵式变换器

进入大规模实用化、市场化的阶段，国内的市场很可能被国外公司的成熟产品一

统天下。因此，研究具有我国自主知识产权的矩阵式变换器技术非常必要。

§1.2 矩阵式变换器的分类及特点

矩阵式变换器是一种基于双向开关并采用脉宽调制得到期望输出电压的电力

变换装置，可以产生交流或直流电压。

五相双级矩阵式变换器控制技术的研究

abcA

SBb

SBc

图1-1 普通三相-三相矩阵式变换器拓扑

狭义的矩阵式变换器仅指普通的三相-三相矩阵式变换器。这种电路拓扑应用

面广，是被研究得最广的一种矩阵式电力变换形式。如图 1-1 所示，普通三相-三

相矩阵式变换器由 9个双向开关，每个双向开关均有双向导通和双向关断的功能。

9个双向开关按照 3



3的矩阵进行排列，通过双向开关的导通与关断，三相交流

输入中的任意一相可以连接在三相交流输出的任意一相。

由于矩阵式变换器自身结构的特点，它具有许多优于传统交流电力变换装置

的特性，如：

（1）电能的直接双向流通，可以实现真正的四象限运行；

（2）输入与输出电流均为正弦波，谐波含量少；

（3）对任意负载均可实现输入侧功率因数为 1；

（4）不需要作为整流储能环节的电感或电容，电路结构紧凑，体积小。

广义的矩阵式变换器概念包括 M相-N 相变换的各类拓扑，目前研究较多的有

间接型三相-三相矩阵式变换器、三相-单相矩阵式变换器、单相-单相矩阵式变换

器[6 ~8]。间接型三相-三相矩阵式变换器由整流级电路和逆变级电路两部分组成，与

传统的交-直-交型变频器不同的是，中间环节不采用电容或电感等直流储能元件，

如图 1-2 所示为三相双级矩阵式变换器的模型图。

Scn

Scp

SAp

SBp

SCp

SBn

SCn

图 1-2 双级矩阵式变换器（TSMC）

TSMC 主要特点如下：

（1）其拓扑结构为一个直流环节无需储能元件的三相 AC-DC-AC 两级变换器结

构，TSMC 的几种典型电路如图所示。图 1-2 为TSMC 拓扑电路，其整流级采用

双向开关，为一个 3/2 相矩阵式变换器，其输出的直流电压极性保持为正。逆变级

第一章绪论

采用单向开关，为一个标准的电压源逆变器（Voltage Source Inverter,简称 VSI）。

（2）具有同传统矩阵式变换器（Conventional Matrix Converter，简称 CMC）同

样优良的输入输出性能、能量传输可逆、结构紧凑。

（3）整流级开关可以实现零电流换流，无需采用 CMC 的四步换流法，大大降

低了控制的复杂性，同时也提高了系统的可靠性，降低了开关损耗。

（4）在多驱动系统中，双级矩阵式变换器的直流侧可连接多个逆变级，即多个

逆变级共享一个整流级，从而减少了电力装置设备，大大降低了系统成本。

（5）同 CMC 相比，TSMC 箝位保护电路省掉了两组三相桥式整流器，成本降

低，可靠性提高。可见，同 CMC 相比，

TSMC 不仅能够实现和 CMC 相同的功能，

而且避免了 CMC 复杂的四步换流，简化了调制策略。其开关数量少、箝位电路简

单。因此 TSMC 是一种比 CMC 更具发展潜力的新一代矩阵式变换器。

§1.3 矩阵式变换器的控制策略

矩阵式变换器的实际应用中，选择适当的的调制算法，保证系统稳定可靠的

运行，是最重要的课题之一。作为两种最为广泛的调制方法，Venturini 方法[1]和空

间矢量脉宽调制方法（SVPWM）[9~13]各有特点。

经过比较可以了解到，空间矢量脉宽调制方法对于矩阵式变换器的控制而言，

是一种简单可行的解决方案，并且可以使矩阵式变换器的电压利用率达到最大值

（86.6%），而不需要另外加入谐波成分。由于空间矢量脉宽调制方法的这些特点，

它也非常适用于矩阵式变换器驱动异步电机的调试控制系统中。

此外，由 J.Oyama 在1989 年提出的双电压控制法[7]也是一种应用很广泛的、

基于“间接传递函数”的调制方法。在这种方法中，通过对三相输入电压的加权

平均来得到指定幅值和频率的输出电压，并在计算加权系数时，将输入电流的指

令值考虑进去。采用这种方法，可以比较方便地实现在电网电压非正常情况下对

输入电流的调制，但是其控制算法实现的难度仍大于空间矢量脉宽调制方法。

§1.4 本文研究的主要内容

1.矩阵式变换器的原理

介绍了矩阵式变换器的拓扑结构、工作原理及常用的控制策略，重点介绍了

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摘要五相双级矩阵式变换器（TSMC）是一种在间接矩阵式变换器（IMC）基础上的创新，结合了IMC及五相逆变器各自优点的一种新型变换器，具有广泛的应用前景。目前，国内外关于五相TSMC的研究的报道几乎没有。本文第一章概述了矩阵式变换器（MC）的分类、特点、控制策略和课题研究的主要内容。第二章介绍了矩阵变换器的原理，详细说明了矩阵变换器的电路结构、运行原理、换流方法及空间矢量调制法。为了验证矩阵变换器空间矢量调制策略，搭建了矩阵变换器的仿真模型。第三章详细介绍了两种五相TSMC输入侧的SVPWM控制策略：整流级无零矢量控制策略和整流级有零空间矢量的控制策略。在整流级无零矢量控制策略的基础上，将改进...

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