负载不平衡状态下五相矩阵变换器控制技术的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 6 4 1.58MB 67 页 15积分

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摘要

随着电力电子技术和微计算机控制技术的不断发展，矩阵变换器的研究成为

了当今电力行业的研究热点之一。为了解决五相负载不平衡导致的输出电流不对

称问题，本文提出了五相六线制矩阵变换器，在一定程度上可以实现对负载不平

衡或断相等问题的控制。本文研究的空间矢量调制策略，对多相矩阵变换器的发

展和控制策略的研究有重要意义。

本文以常规矩阵变换器为基础，将对称分量法引入到五相系统中，对五相负

载不平衡的输出电流进行了深入分析，并给出了输出电流的坐标变换公式和变换

结果。五相六线制矩阵变换器空间矢量调制策略的研究，实现了从开关组合状态

到三维空间矢量的转换，给出了逆变侧三维空间矢量的分布图。

本文详细论述了五相六线制逆变侧三维空间矢量调制策略的原理、空间矢量

位置的确定和空间区域的划分。Matlab/Simulink 仿真电路的设计，采用了空间区

域划分规则、矢量位置的判断规则和矢量等效合成的规则，在相同条件下，通过

仿真对五相六线制和五相五线制进行了性能比较。

仿真结果表明，五相六线制矩阵变换器比五相五线制矩阵变换器对输出负载

不平衡的调制效果更优越，可以实现对各相输出电流的单独调制。五相六线制矩

阵变换器的研究对五相调速系统的进一步研究提供了理论基础，并对三维空间矢

量调制技术的研究起到了推动作用。

关键词：不平衡负载对称分量法五相六线制三维空间矢量

ABSTRACT

With With the development of power electronics technology and microcomputer

control technology, the research of matrix converter has become one of hotspots in

today's power industry. In this thesis, in order to resolve the problem that the unbalanced

load of five-phase matrix converter results in the asymmetric output current, the

five-phase six-wire matrix converter is presented, which partly fulfills the requirements

for the control of unbalanced load or open-phase issue. In this thesis, the study of the

space vector modulation strategy has great significance for the development of

multi-phase matrix converter and control strategy.

Based on the conventional matrix converter, symmetrical component method is

brought into the five-phase system, which is used to analyze intensively the five-phase

asymmetric output current. Finally the coordinate transformation formula and the results

for the output current are presented. In this thesis, the space vector modulation strategy

for the five-phase six-wire system matrix converter is studied, which comes true the

conversion of the switch state to three-dimensional space vector, and presents the

distribution maps of three-dimensional space vector for inverter side.

The thesis discusses the principle of three-dimensional space vector modulation

strategy for the inverter side of the five-phase six-wire system, the confirmation of the

location of space vector and the partition of the space region. A simulation circuit of

Matlab / Simulink platform is designed, which is based on the rule of the partition of

space and the confirmation of the location of space vector and equivalent synthetic of

space vector, and makes a performance comparison between a five-phase six-wire

system and a five-phase five-wire system under the same simulation conditions.

The simulation results demonstrate that the five-phase six-wire system is better

than the five-phase five-wire system in the modulation about unbalanced load and can

accomplish the modulation of the single-phase output current. The study of the

five-phase six-wire matrix converter provide theoretical foundation for further research

about the five-phase speed control system, and will promote the development of

research on three-dimensional space vector modulation technology.

Key Word ：Unbalanced Load, Symmetrical Components Method,

Five-phase Six-wire System, Three-dimensional Space Vector

摘要

ABSTRACT

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

§1.1 矩阵变换器的优点 ............................................. 1

§1.2 矩阵变换器的发展历史 ......................................... 1

§1.3 矩阵变换器发展的颈瓶及展望 ................................... 3

§1.4 本文的主要研究内容 ........................................... 4

第二章矩阵变换器及其调制策略 .......................................5

§2.1 常规矩阵变换器 ............................................... 5

§2.1.1 三相矩阵变换器的结构 ..................................... 5

§2.1.2 等效交－直－交变换中电流、电压的分析 ..................... 6

§2.2 五相五线制矩阵变换器 ......................................... 9

§2.3 矩阵变换器常用的控制策略 .................................... 12

§2.4 双空间矢量调制在五相矩阵变换器的应用 ........................ 14

§2.4.1 整流侧的空间矢量调制 .................................... 14

§2.4.2 逆变侧的空间矢量调制 .................................... 15

§2.4.3 同步换流 ................................................ 17

§2.5 本章小结 .................................................... 17

第三章五相负载不平衡原理 ..........................................18

§3.1 不平衡负载现象及原因 ........................................ 18

§3.2 对称分量法 .................................................. 19

§3.3 五相不平衡负载度的定义 ...................................... 20

§3.4 非线性负载及其畸变程度的定义 ................................ 21

§3.5 不平衡负载输出电流的坐标变换 ................................ 23

§3.6 非线性负载输出电流的分析原理 ................................ 26

§3.7 本章小结 .................................................... 27

第四章五相六线制矩阵变换器的研究 ..................................28

§4.1 五相六线制矩阵变换器 ........................................ 28

§4.2 六线制逆变侧的工作原理 ...................................... 28

§4.3 五相六线制逆变侧的电压空间矢量 .............................. 31

§4.4 五相六线制矩阵变换器稳态基准矢量的分析 ...................... 35

§4.5 五相六线制矩阵变换器逆变侧的空间矢量调制 .................... 39

§4.5.1 三维空间矢量坐标系的区域划分 ............................ 40

§4.5.2 空间矢量所属空间三棱柱的判断 ............................ 41

§4.5.3 空间矢量所属空间四面体的判断 ............................ 42

§4.6 开关矢量占空比的计算 ........................................ 43

§4.7 开关矢量的排列方式 .......................................... 47

§4.8 本章小结 .................................................... 49

第五章五相六线制矩阵变换器的仿真 ..................................50

§5.1 仿真电路的原理结构图 ........................................ 50

§5.2 基于 Matlab/Simulink 的仿真 .................................. 50

§5.2.1 五相五线制矩阵变换器的仿真 .............................. 50

§5.2.2 五相六线制矩阵变换器的仿真 .............................. 52

§5.3 本章小结 .................................................... 55

第六章总结与展望 ...................................................56

§6.1 总结 ........................................................ 56

§6.2 展望 ........................................................ 57

附录 ................................................................58

参考文献 ............................................................61

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................64

致谢 ................................................................65

第一章绪论

§1.1 矩阵变换器的优点

矩阵变换器作为一种新型的变换器，采用了“矩阵式”拓扑结构，显示出了

很多优点。

首先，从结构上讲矩阵变换器的体积小，重量轻，是一种可以实现交流输入

交流输出的变换器。它没有传统变频器中的直流环节，由于省略了传统变换器中

用于平波的大电容或大电感，使得矩阵变换器的重量和体积大大减小。另一方面，

在传统的变换器中，虽然也出现了 PIM，IPM，ASIPM 等集成度相对较高、体积

和重量相对较小的模块（如三菱、西门康、IR 等公司的相关产品），但他们都至少

需要外接大电容而矩阵变换器的主电路完全由电力电子开关元件组成，是一种“全

硅控制”的解决方案，这一点很有利于集成度的提高。可以想象，今后可能会在

一个体积小、重量轻的固态模块上，实现一个高功率密度的变频器的功能。

其次，矩阵变换器可以实现四象限运行。在起重类的应用场合中，传统的变

频器为了实现四象限运行，一般情况下都要采用两套变频装置，一套负责由电源

到负载的能量变换，另一套负责由负载回馈电网的能量变换，其结构比较复杂。

在矩阵变换器中，由于双向开关的使用，在特定的控制算法下，可以完全实现四

象限运行，无需辅助设备，大大提高了设备的可靠性。

再次，容易获得单位输入功率因数。在传统的变频器中，由于直流环节中大

电容的作用，使得输入侧的功率因数比较低，电流波形的畸变程度很严重。因此

在小功率场合，需要采用输入滤波器；大功率时则要通过前端多绕组变压器来减

少输入电流畸变。对于矩阵变换器则不存在这些问题。如果采用适当的调制策略，

矩阵变换器的功率因数在理论上可以达到 1。

§1.2 矩阵变换器的发展历史

矩阵变换器的拓扑结构[1~3]是1980 年由 M.nturini 和Alesina 提出的，这是矩阵

变换器的雏形，其采用的主电路一直延续到了现在。在 M.Venturini 的模型中，主

要解决了输入电流为正弦波的问题，他的算法很简单，甚至可以在完全没有采样

的情况下实现控制。但是它对电源的利用率不高，在理论上电压传输比（VTR）

只能达到 0.5。为了提高 VTR，M.Venturini 改进了算法，通过加入 3次谐波的方法

第一章绪论

将其提高到 0.866。

近些年，矩阵式变换器一直是电力电子研究的焦点之一，并取得了较大的进

展。但由于电力半导体器件的非理想特性，矩阵式变换器不可避免地存在着换流

延时、器件开通/关断的延时以及器件的导通压降等问题，导致了输出电压误差和

电流畸变，直接影响了异步电机驱动系统的性能，在低速轻载情况下该效应尤为

明显。

在1989 年，Huber 将空间矢量调制的观念引入了矩阵变换器的控制，使得在

不需要加入三次谐波的情况下，VTR 也可以达到 0.866[4~6]。从控制方法的角度看，

这是一次重要的进步，因为它不仅提高了电源利用率，且使一些电机控制方法（如

磁场定向、直接转矩等）更加容易与矩阵变换器相结合。但是，由于受到发展过

程的限制，Huber.et.al 的算法显得过于复杂，不易用比较简单的语言实现。

在此后，多位学者进一步研究，初步解决了矩阵变换器在不对称输入、缺相

运行、过调制等问题的控制方法。

除控制算法外，在换流方面也取得了很大的进步。从 Venturini 第一次提出矩

阵变换器开始，由于器件的限制，在很长的一段时间内换流都只能停留在强制换

流（硬换流）的阶段[7,8]。这种方法虽然控制简单，但是很容易造成输入短路或输

出开路，使得矩阵变换器很难真正用于工业场合。

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.Venturini 和A.Alesina 控制方案中的不足，先后有不

少学者对矩阵变换器进行了一系列的研究工作，尤其是 IGBT、MOSFET 器件等的

发展[9,10]，换流技术得到发展，先后出现了两步换流、四步换流、智能换流等多种

换流方式。这些方法都在某种程度上解决了换流问题。如 T.A.Lipo、D.G.Holemes

提出了一种电流控制交流 PWM 调制方法[11,12]。该方法根据矩阵变换器的开关传递

函数矩阵由电流连续条件，将其分解为若干矩阵分量，通过分别计算，最后合成

得到调制矩阵。

南斯拉夫学者 L.Huber 和D.Borojevic 提出了一种基于空间矢量调制技术的

PWM 技术[13]。首先根据矩阵变换器的 PWM 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矢量合成，得到每一采

样周期的开关占空比。连续合成一定角速度旋转的输出电压矢量，就获得所需要

的频率和正弦输出电压。

在其它方面取得的进步有：改善了电路结构，通过自举电路的使用，可以减

少独立电源的数量，同时可以进一步简化保护电路化；将主电路分离为整流和逆

变电路，以减少功率开关数量。

第一章绪论

近年来主要的研究方向呈现多样化趋势，包括矩阵变换器的保护电路[14]（如

Augdahl，B.W.Hess，H.L.提出的关于换流发生错误时保护矩阵变换器和敏感负载

赢得时间的方法）；另外矩阵变换器的稳定性和鲁棒性也得到了广泛的研究（如武

汉大学的关于提高矩阵变换器的鲁棒性方法）；在滤波电路方面（2005 年Yamada，

K.Higuchi，T. 提出利用滤波电路进行 EMI 防御同时降低共模电流的新方法）。

新型电力电子器件 RB－IGBT 的出现也使矩阵变换器的技术有了新的突破，

清华大学目前在这方面有较多的研究，其发表的论文包括 “RB-IGBT 驱动电路及

其在矩阵式变换器中的应用”，“RB－IGBT 矩阵变换器传动系统中的一种新颖两

步换流策略”。

在将来，矩阵变换器的主要发展方向有：一、系统的集成化，即通过高度集

成的功率模块，使功率密度提高。二、保护电路的发展，现在的控制方法，尤其

是换流的不完善，使得保护电路的设计仍然很重要。三、换流的改进，智能换流

是一种很好的选择方案，只是由于受到器件的限制而很难实现，但是它的方案已

经提出，很有发展的前景。四、控制理论的进一步发展。

§1.3 矩阵变换器发展的颈瓶及展望

矩阵变换器虽然有许多优点，但是其自身的一些固有缺点以及电力电子元器

件的局限，阻碍了它的推广。（1）矩阵变换器包含开关太多，数学模型复杂，使

得调制方法和换流控制很繁琐，导致了稳定性和可靠性不够理想；（2）不存在直

流储能环节，负载侧的干扰可以直接反映到输入侧，因此对输入侧的滤波器设计

很困难；（3）常规矩阵变换器电压利用率较低，其最大值为 0. 866。

针对上述存在的问题，目前矩阵变频器技术发展主要集中在以下方面：

（1）采用新型的电力电子开关器件电力电子开关器件是变频装置的核心部

件。为了改进矩阵变换器的稳定性和可靠性，进一步降低装置的开关损耗，必须

采用新型的电力电子开关器件取代目前的双向开关单元。

（2）可靠换流的实现和保护

四步换流策略可以使矩阵变频器安全可靠换流，在工业中应该设计合适的硬

件电路和软件以确保矩阵变换器的安全可靠运行。

（3）提出新颖的调制方法

目前较成熟的空间矢量调制技术较复杂，很难实现工业上的大批量生产。需

要提出新颖的调制方法以进一步改善输出波形质量，减少输入侧电流谐波含量，

降低装置的开关功率损耗。

（4）优化滤波器装置设计，提高系统稳定性。

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摘要：

摘要随着电力电子技术和微计算机控制技术的不断发展，矩阵变换器的研究成为了当今电力行业的研究热点之一。为了解决五相负载不平衡导致的输出电流不对称问题，本文提出了五相六线制矩阵变换器，在一定程度上可以实现对负载不平衡或断相等问题的控制。本文研究的空间矢量调制策略，对多相矩阵变换器的发展和控制策略的研究有重要意义。本文以常规矩阵变换器为基础，将对称分量法引入到五相系统中，对五相负载不平衡的输出电流进行了深入分析，并给出了输出电流的坐标变换公式和变换结果。五相六线制矩阵变换器空间矢量调制策略的研究，实现了从开关组合状态到三维空间矢量的转换，给出了逆变侧三维空间矢量的分布图。本文详细论述了五相六线制逆变...

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