输入不平衡状态下五相双级矩阵变换器的控制

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.76MB 58 页 15积分

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摘要

双级矩阵式变换器（TSMC）是在矩阵变换器（MC）基础上发展起来的一

种新型电能变换器。它是一种根据矩阵式变换器“间接传递函数”模型构成的交

-交变频装置，包括双向开关组成的 PWM 整流器和单向开关组成的 PWM 逆变

器，也称为“间接矩阵式变换器”（IMC）。五相 TSMC 是在三相 TSMC 基础上

的一种创新，它把三相输出侧扩展为五相，从而可以驱动五相电机。

本文第一章介绍了矩阵变换器的研究情况、本课题的研究目的和方向。第二

章介绍了三相 TSMC 的原理，包括：电路结构、换流策略以及控制策略。

第三章首先分析了五相 TSMC 的控制策略、输入输出传递函数。接着分析

了输入电压不平衡时对五相 TSMC 的输入电流、输出电压的影响，以及为了消

除输入电压不平衡所造成的影响，分别应用了基于输入电流和中间正向电压的调

制策略。输入电流调制法的核心思想是使输入电流跟踪不平衡输入电压的相位，

使电源输入侧功率因数为 1；基于中间正向电压的调制策略的核心思想是在整流

侧通过对整流侧开关函数的改进使中间正向电压不含谐波。两类调制策略可以部

分或全部消除不平衡输入对五相 TSMC 的影响，为五相逆变提供稳定的正向电

压，使输出端输出高质量的电压和电流。

第四章在分析了三相逆变器的 SVM 调制策略的基础上，分析了五相

SVPWM 的调制策略，在此基础上，通过对两个零矢量的灵活运用，把一类新的

五相 SVPWM 控制方式——不连续空间矢量 PWM（DSVPWM）控制应用到五

相TSMC 逆变侧。

第五章对输入侧 TSMC 滤波器的设置作了研究。第六章对第三章的控制策

略，进行了计算机仿真。

本文通过对三相 TSMC 的研究，推导了五相 TSMC 的控制策略，在输入电

压不平衡时，消除了不平衡带来的影响。经仿真验证，本文的控制策略切实可行。

为五相 TSMC 的后续研究打下的基础。

关键字：五相双级矩阵变换器输入不平衡空间矢量

ABSTRACT

Two-stage Matrix Converter (TSMC) is a new style of power converter, which is

developed on the basis of the matrix converter (MC). It is a matrix converter under the

‘indirect transfer function’ model AC-AC variable frequency devices, which is

composed of the bilateral switch PWM rectifier and unidirectional switch PWM

inverter, also known as ‘Indirect Matrix Converter’ (IMC). Five-phase TSMC is an

innovation of three-phase TSMC, which can drive five-phase motor.

The first chapter of this thesis introduces the research of MC, the purpose of this

thesis and its subject. Chapter II introduces the principle of three-phase TSMC,

including circuit structure, commutation strategies and control strategies.

Chapter III of this thesis introduces the five-phase TSMC’s control strategy and

input-output transfer function and then analyzes the input current, output voltage

while input voltage is imbalanced. In order to eliminate the impact of imbalanced

input towards the five-phase TSMC, this chapter proposes two kinds of approaches

based on the input current and the intermediate positive direction voltage .respectively.

The former strategy’s main idea is to enable the input current vector trace the

imbalanced input voltage vector so that the power factor of the input side is one, and

the latter’s main idea is to improve the modulation transfer function so as to eliminate

the harmonic waves of the intermediate positive direction voltage .Both strategies can

all or partly remove the influence of imbalanced input so as to provide stable positive

direction voltage. Thus the load can acquire high-caliber current and PWM voltage.

In chapter IV，based on the SVM (Space Vector Modulation) strategy of the

three-phase inverter，this chapter puts forward the five-phase SVPWM strategy. With

different ways to adjust the zero-vector, this chapter puts the DSVPWM strategy into

the use of the invertion side of the five-phase TSMC.

Chapter V discusses the parameter of the filer in the input side of five-phase

TSMC. In chapter VI ，simulations are proceeded to verify the control strategies

proposed in the chapter III and chapter IV.

With the study of three-phase TSMC and applying the control strategies to the

five-phase TSMC to eliminate the influence of imbalanced input. The simulation

verifies the control strategy puts forward in this thesis.

Keywords: Five Phase, Two-stage Matrix Converter, Input Imbalance, Space

Vector

摘要

ABSTRACT

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

§1.1 课题背景 .................................................................................................... 1

§1.2 矩阵变换器输入不平衡研究概述 ............................................................ 2

§1.3 本文的主要内容和意义 ............................................................................ 4

§1.3.1 本文的主要内容 ................................................................................ 4

§1.3.2 本文的研究意义 ............................................................................... 5

第二章电压空间矢量及 TSMC 调制策略 ................................................................ 6

§2.1 三相电压空间矢量的表示 ......................................................................... 6

§2.2 三相电压空间矢量的合成 ........................................................................ 8

§2.3 交-直-交型矩阵变换器的调制策略 ........................................................13

§2.4 本章小结 .................................................................................................. 15

第三章五相 TSMC 输入不平衡时整流侧控制 ...................................................... 16

§3.1 引言 .......................................................................................................... 16

§3.2 五相 TSMC 的SVPWM 调制策略 .........................................................16

§3.2.1 整流侧空间矢量调制 ..................................................................... 16

§3.2.2 逆变侧空间矢量调制 ..................................................................... 18

§3.2.3 五相 TSMC 的空间矢量控制 ........................................................ 20

§3.2.4 整流级的开关函数 ......................................................................... 21

§3.2.5 五相 TSMC 的矢量关系式 ............................................................ 22

§3.3 输入电压不平衡对五相 TSMC 的影响 ................................................. 23

§3.3.1 输入电压不平衡对虚拟直流电压的影响 ..................................... 24

§3.3.2 输入电压不平衡对输出的影响 ..................................................... 24

§3.3.3 非对称输入电压对输入电流的影响 ............................................. 25

§3.4 负序分量注入法 ...................................................................................... 26

§3.4.1 在整流侧传递函数中注入负序分量 ............................................. 26

§3.4.2 负序谐波分量的占空比实现 ......................................................... 28

§3.4.3 从非对称电压中求取正序分量和负序分量的数值计算 .............. 29

§3.5 时变调制比法 .......................................................................................... 30

§3.6 可变因子法 .............................................................................................. 32

§3.7 输入电流调制法 ...................................................................................... 33

§3.7.1 输入相电流调制策略 ..................................................................... 34

§3.7.2 改进的输入相电流调制策略 ......................................................... 35

§3.8 各种调制方法的优化组合控制与比较 ..................................................... 36

§3.9 本章小结 ................................................................................................... 37

第四章输入不平衡时逆变侧的 SVPWM 控制 ................................................... 38

§4.1 三相逆变器电压空间矢量 ...................................................................... 38

§4.2 五相逆变器 SVPWM 的基本原理 ..........................................................40

§4.3 五相 TSMC 逆变侧 DSVPWM 控制方案分析 .......................................42

§4.3.1 最小值不连续 SVPWM（DSVPWMMIN）................................. 42

§4.3.2 最大值不连续 SVPWM（DSVPWMMAX）.............................44

§4.4 本章小结 .................................................................................................. 44

第五章输入不平衡状态下的五相 TSMC 仿真 ...................................................... 46

§5.1 引言 .......................................................................................................... 46

§5.2 五相 TSMC 输入不平衡控制策略的仿真 ............................................. 46

§5.2.1 五相 TSMC 输入不平衡仿真模型 ................................................ 46

§5.2.2 仿真结果与分析 ............................................................................. 47

第六章结论与展望 ................................................................................................. 50

§6.1 本文的主要工作 ...................................................................................... 50

§6.2 存在的问题及进一步的工作 .................................................................. 50

附录 ........................................................................................................................... 51

参考文献 ..................................................................................................................... 52

在读期间公开发表的论文及承担科研项目及成果 ................................................. 55

致谢 ........................................................................................................................... 56

第一章绪论

§1.1 课题背景

电力电子技术是集电力、电子和控制于一体的新兴综合技术。在电力电子技

术迅速发展的今天，这门技术已发展到可以对电能进行交换和对电力系统进行调

整控制的阶段，其特点是控制灵活、快速、准确、可靠。在电力系统中应用电力

电子技术可以提高输电能力、改善电能质量、提高电网运行稳定性、可靠性、控

制的灵活性并降低损耗。目前，各种各样的电力电子设备已经在人民生活的各个

用电领域得到了广泛的应用。

但是，电力电子技术在推动电力系统发展、灵活地利用电能的同时,其设备

也给电力系统带来了一系列的电能质量问题。近年来,随着国民经济的发展,电力

需求不断提高,电力系统已成为关系国计民生的重要因素。然而，随着非线性、

冲击性、不平衡负荷和各种变换器等电力电子设备的大量投入使用，造成的诸如

电压偏差、频率偏差、电压波动与闪变、谐波增加、功率因数降低以及三相不平

衡等问题。这一系列的电能质量问题使得以计算机或微处理机、电力电子器件等

为核心的现代化生产设备和趋向自动化、智能化的生产过程的运行的稳定性、安

全性大大降低；同时，在能源日益紧张的今天，由于能源利用率低导致能源的巨

大浪费，造成巨大的经济损失。这引起了国内外学者的广泛关注。

国际上对电能质量问题的研究大约起源于二十世纪五、六十年代，我们国家

对这方面的研究开展于九十年代，并相继制定了相关的电能质量标准，这对电能

质量的治理起到了一定的积极作用。但是要想从根本上解决电能质量问题，还必

须从根源着手，即不断发展电力电子技术，提高电力系统中电力电子变换器和负

载的质量。因为电力电子技术可以使人们有效地使用现有的电力资源,以获得更

大的经济效益,这是现代电力系统发展的必然趋势。解决电能质量问题主要有两

种途径：一是在电力系统中投入大容量的有源或无源滤波器或加入功率因数校正

装置；二是使用不产生谐波和无功的新型“绿色”变换器[6]。前者实质上并没有

从根本上去消除变换器的影响，而后者则可以从根本上解决电力系统污染源问

题，近年来，新型“绿色”变换器的研制已成为研究热点[6~21]。

在各种新型“绿色”变换器中，矩阵变换器(Matrix Converter，记作 MC)以

其诸多的理想特性[1~5]，对于改善目前人们生活所面临的严重的电能质量问题，

具有巨大的研究价值和应用前景。在理想条件下，这些特性包括：

(1)可获得接近正弦波形的输入电流和输出电压，波形失真度小，可减小输

输入不平衡状态下五相双级矩阵变换器的控制

出电流波形的畸变；

(2)无中间直流环节，交－交一次性直接变换，不需要大容量滤波电容，动

态响应快，体积小；

(3)能量可双向传送且传送功率大，适用于大功率应用场合；

(4)具有较强的可控性，输出频率不受输入频率的限制；

(5)通过合理控制，可以使输入功率因数接近为 1，有利于提高变换器效率。

正是由于上述特性以及蕴藏的巨大的应用前景，吸引了国内外众多学者对其

进行研究，为推动矩阵变换器的技术逐步趋于成熟做出了贡献。

§1.2 矩阵变换器输入不平衡研究概述

从1976 年M.Venturini 和A.Alesina 提出的矩阵变换器存在理论[1,2]，到现在

已经经过了 30 年的时间，其发展大致经历以下几个阶段：

第一阶段：理论的提出与论证

矩阵变换器的拓扑结构在 1976 年被提出，但并未引起人们的关注。直到 1979

年，意大利学者 M.Venturini 和A.Alesina 在数学上证明了矩阵变换器的实现条件，

并提出了一种有效的 PWM 控制方法后，其特点逐渐被人们所关注[3~6]。由于该

方法的最大输出电压和输入电压之比（即电压调制比）小于 0.5，严重影响了矩

阵变换器的推广应用，但对矩阵变换器在理论上的研究并没有中断。

第二阶段：新的控制方法的提出

在1985～1986 年间，P.D.Ziogas 提出了一种新的控制方法。其基本思想是：

将输入线电压按自然换相点可分为六个区域，在每个区域内将最大的线电压作为

输入，把矩阵变换器等效为采用六个开关的三相桥式逆变器。根据输入线电压的

状态，构造出由六个开关信号到九个开关信号的译码电路，即可实现三相交—交

变换。采用这种方法的变换器电压利用率高，可达 0.95，但调制过程相当复杂。

第三阶段：试验样机的研制

在此之前，一方面，由于矩阵变换器对功率开关器件要求开关速度快，而且

要求具有双向阻断能力和自关断能力，早期的半导体器件不能满足这个要求；另

一方面，为了达到对输入电流和输出电压的调制要求，需要实时计算功率开关的

占空比，要求所采用的微处理器具有很高的处理速度，早期的微处理器速度也不

能满足这一要求，从而限制了矩阵变换器的发展和应用。但是自二十世纪 80 年

代末以来，随着新型电力电子器件的不断出现，开关频率与可靠性不断提高，尤

其是数字信号处理（DSP）技术水平的大幅度提高，矩阵变换器的研究再次成为

人们的关注热点。其中有代表性的是 1991～1992 年间，美国弗吉尼亚电力电子

中心开始研制交—交矩阵变换器实验样机，控制单元采用 DSP 和可编程逻辑芯

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摘要：

摘要双级矩阵式变换器（TSMC）是在矩阵变换器（MC）基础上发展起来的一种新型电能变换器。它是一种根据矩阵式变换器“间接传递函数”模型构成的交-交变频装置，包括双向开关组成的PWM整流器和单向开关组成的PWM逆变器，也称为“间接矩阵式变换器”（IMC）。五相TSMC是在三相TSMC基础上的一种创新，它把三相输出侧扩展为五相，从而可以驱动五相电机。本文第一章介绍了矩阵变换器的研究情况、本课题的研究目的和方向。第二章介绍了三相TSMC的原理，包括：电路结构、换流策略以及控制策略。第三章首先分析了五相TSMC的控制策略、输入输出传递函数。接着分析了输入电压不平衡时对五相TSMC的输入电流、输出电压的...

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