基于空间矢量调制的双级矩阵变换器仿真研究报告

第一章 绪论

1 双级矩阵变换器的研究背景

随着电力电子技术、自动控制技术的迅速发展以及各种高性能电力电子元器件的出现，电力变换器正朝着AC-DC、DC-DC、DC-AC、AC-AC等多元化方向发展，它们已广泛应用于电机驱动、变频调速、不间断电源以及能量回馈控制等方面，在电力机械、石油、化工、冶金、交通运输等领域发挥着重要作用，产生了明显的经济效益。根据国家有关部门的调查统计，我国发电量的60%~70%用于拖动电动机，其中90%的电动机是交流电动机，大部分为直接拖动，由于直接恒速拖动，造成大量的电能浪费，再考虑到其它如调峰、励磁、网损、无功及各种用电设备上的损耗，全国每年浪费的用电总量十分惊人，可见发展电气节能的重要性。此外，变速恒频发电方式可使风力机在一定的可变速度范围内运行，具有风能转换效率高、能吸收阵风能量可实现发电机和电力系统的柔性连接、“零冲击”并网、运行噪声小等优点，已成为国际现代风力发电的主要发展方向之一。实现变速恒频发电的优化方案是交流励磁技术，而实现交流励磁的关键在于开发出输入、输出特性好，无电力谐波，功率可双向流动的交流电力变换器。交流电力变换器是采用电力电子元器件按照一定拓扑构成的AC-AC电力变换装置，它是交流变频调速系统的核心，而交流变频调速已成为电气传动中实现自动化和电气节能的主要技术手段，因此，大力发展交流电力变换器可实现电气节能和高效利用风能等清洁能源。

交流电力变换器按照有无直流环节分为两类：

(1)AC-DC-AC变换器，按直流侧储能元件类型不同可分为电压型和电流型；

(2)AC-AC变换器，包括相控AC-AC变频器和斩控AC-AC变换器。

基于AC-DC-AC变换的通用变频器己经产品化，它是通过两级电力变换实现的，由整流级、直流侧储能环节和逆变级三个环节构成。虽然AC-DC-AC变换是电力电子技术中应用极为广泛的一种拓扑，但这种变换器形式不可避免地存在以下问题：

(1)整流级为二极管全桥时的AC-DC-AC变换器，因为整流级采用不可控整流，所以输入侧功率因数很低，输入交流电流波形严重畸变，对电网谐波污染严重，因而需要大容量的无功补偿装置；

(2)因为直流侧环节使用了大体积且使用寿命有限的无源储能元件，造成系统不易维护、集成度低、可靠性降低等问题。

矩阵变换器(Matrix 转换器:MC)即斩控AC-AC变换器，具备输入/输出电流正弦、输入功率因数可控为1、可获得电网频率上下任意可控的输出频率的优良特性，这也正是MC提出至今一直受到人们青睐的原因。MC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，因采用不同的控制方法， MC可实现整流、逆变和变频等功能，所以被称为通用变换器。双级矩阵变换器的提出和分类经过30多年的发展，MC虽然取得了长足的进步，但离产品化还有一定的距离，制约其发展的瓶颈在于MC复杂的安全换流和调制策略，为此国内外学者提出了一种根据MC“间接传递函数”模型构成的AC-AC变频器，由于该新型MC由整流级和逆变级构成，所以也称之为双级矩阵变换器 (Two-Stage Matrix 转换器:TSMC)。

第二章 双级矩阵变换器空间矢量调制原理

2.1 双级矩阵变换器（TSMC）

双级矩阵变换器（TSMC）的拓扑结构如图2.1所示。左边六个双向开关构成整流级，右边六个双向开关构成逆变级，中间形成直流环节，所以称之为双级矩阵变换器。

TSMC的整流级和逆变级主电路均由双向开关组成，TSMC除具有MC的优良变频特性外，还具有以下优点：

(1)整流级的双向开关可实现零电流换流；

(2)通过增加不同的约束条件，可以不同程度的减少双级矩阵变换器的开关器件；

(3)具有简单的钳位保护电路，由一个电容和一个快恢复二极管串联组成。

图2.1 双级矩阵变换器的拓扑结构

本文主要围绕三相-三相输出不带中线的拓扑结构，对双级矩阵变换器的空间矢量控制策略进行探讨研究，并用MATLAB软件进行仿真。

2.2 空间矢量调制原理

2.2.1 空间矢量调制基本思想

图2.2 理想开关下的双级矩阵变换器结构图

为保证变换器输入侧不被短路，输出侧不被开路，开关矩阵中的开关状态应该满足以下条件：

，    （2.1）

在每个PWM开关周期内，通过调制整流级和虚拟逆变级各个开关状态的占空比，可合成任意的输出电压空间矢量。

实现控制的关键就是确定各开关状态的占空比。

2.2.2 整流级调制策略

设三相对称输入相电压的表达式为：

     （2.2）

式中，为输入相电压幅值，为输入角频率，、和分别为输入a、b和c相的实时相角。

双级矩阵变换器的整流级调制的目的之一是提供最大的直流侧电压，即令尽量取得最大值，以供逆变级调制并输出最大的交流电压，另一个目的是实现输入单位功率因数的控制。将输入相电压矢量扇区划分如图2.3所示：

图2.3 输入相电压扇区划分

下面以第3扇区为例展开分析：

第3扇区内极性为正且绝对值最大，和极性为负，为了达到整流级调制的目的即提供最大的正直流侧电压，在1个PWM周期内开关一直导通，开关、轮流导通，可得单位输入功率因数时整流级占空比和分别为：

             （2.3）

其它开关状态下的占空比同理可以确定。

2.2.3 逆变级调制策略

逆变级的占空比由下面的公式确定：

                    （2.4）

式中：为修正后的逆变级调制系数，且为修正前的逆变级调制系数，，为输出相电压幅值，所以有双级矩阵变换器的输入输出传输比计算公式为：。

由此可以看出双级矩阵变换器在输入单位功率因数时理想的最大电压传输比为0.866。

第三章 双级矩阵变换器MATLAB仿真模型

3.1 MATLAB/Simulink仿真环境

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。目前MATLAB及其Simulink可视化仿真平台在控制系统中应用非常广泛，Simulink具有模块化、可封装以及高度可视化等优点，使得仿真大大简化，利用MATLAB提供的电气系统模块PSB（Power System Block），用户不需要自己编程，也不需要推导数学模型，只需要按电气结构进行物理连接，且系统元件能比较全面的反映实际元器件的特性，系统模型结构接近实际电路，仿真结果的可信度比较高。本文采用MATLAB7.8.0(R2009a)进行系统建模和仿真。

3.2 双级矩阵变换器空间矢量调制仿真模型的结构

图3.1 双级矩阵变换器空间矢量调制MATLAB仿真模型的结构图

图3.1为双级矩阵变换器空间矢量调制算法仿真模型的整体结构图，主要由主功率模块、输入输出模块、PWM调制模块等组成。

3.2.1 主功率模块

主功率模块主要包括电源、输入滤波器、输入输出双级开关矩阵、输出滤波器和负载，其结构如图所示。其中，电源为三相理想电压源。双向开关由两个共射级普通IGBT构成，功率开关管的拓扑结构采用整流-逆变双级矩阵形式，开关管控制信号通过调制模块产生，实现直接AC/AC变换的功能。输入、输出滤波器带为带阻尼的LC滤波器，其作用为滤除输入电流和输出电压中的高频成分。负载由阻感性负载组成。

图3.2 双级矩阵变换器仿真模型主功率模块

3.2.2 PWM调制模块

图3.3 PWM调制模块结构图

PWM调制模块的功能通过MATLAB的m文件编程实现，在Simulink建模中可以将程序通过Embedded MATLAB block模块嵌入仿真模型中。本文中的调制模块由时序发生器、占空比计算器、延时器、时钟信号发生器和驱动信号发生器构成。其中，时序发生器通过积分器生成频率10kHz的三角波调制信号。占空比计算器根据输入的输出电压空间矢量和输入电压空间矢量，计算出它们各自所在相区和相应的相区角，结合调制比计算出各个开关状态的占空比。延时器则通过与三角波调制信号相合的触发信号，使系统严格按照调制周期对开关状态进行调制。时钟信号发生器根据占空比信息和三角波信号，合成PWM调制信号；而驱动信号发生器则根据PWM信号和两个空间矢量的相区角，选择合适的开关状态序列，生成12个开关管驱动信号，驱动双级矩阵变换器双向开关的状态变化，完成AC-AC变换。

3.2.3 输入输出模块

本仿真模型的输入采用理想三相电压源，输出采用电阻与电感串联、三相Y形连接的负载结构，形成阻感性负载，以模拟电机负载。

第四章 仿真参数设置与结果分析

4.1 仿真参数设置