矩阵变换器的双空间矢量调制控制策略的研究

摘要

矩阵变换器是一种新型的电力电子变换装置，其能够直接实现交流到交流的直接变换，而没有传统的交-直-交电力电子变换装置中的直流储能环节。这种新型的拓扑结构可以提高能量的利用率，在多种场合都有着广阔的应用前景。国内外学者非常看重矩阵变换器结构简单，功率因数调节范围广，有效减少输入电流谐波对电网的污染等优点，对其进行了大量的研究工作。
　　本文首先对矩阵变换器的拓扑结构、控制方法等问题进行了探讨。在众多的矩阵变换器控制策略中，双空间矢量调制控制策略(SVPWM)是目前使用最为成熟，应用效果最好的方法，本文对SVPWM的具体应用进行了研究。同时对矩阵变换器与其等效交-直-交结构的开关管对应关系进行数学推导和理论分析。详细介绍了双空间矢量调制控制策略中一些重要参数的计算过程，例如扇区号判断和扇区角计算，基准矢量作用时间和占空比等，为矩阵变换器的软件仿真和硬件实现打下了基础。
　　同时，针对矩阵变换器现阶段的一些技术难题进行了研究。针对矩阵变换器的双向开关的组成，不仅分析了传统的IGBT组成方式，也基于后续的硬件平台的搭建研究了如何使用MOSFET构成双向开关，为接下来硬件实验平台的搭建做铺垫。针对安全换流策略中运用最为成熟的半软化四步安全换流策略，详细论述了其开关管工作过程，并对其不足的地方提出了电压四步换流策略作为补充。考虑到电流谐波会对电网造成很大的污染，因此为了降低矩阵变换器的输入电流谐波设计了一种LC滤波器，并针对滤波器引起的网侧电压电流相位差进行分析，设计一种滞环调节方法，调整功率因数使其基本为1。
　　最后，使用MATLAB软件平台搭建了矩阵变换器的软件仿真模型，对双空间矢量控制策略进行验证和结果分析。并且搭建了以STM32和CPLD为控制芯片的硬件实验平台，按模块对矩阵变换器系统的各个组成电路进行设计，并说明工作原理，和器件的选型的依据。在此实验平台上进行了大量的实验研究，证明了双空间矢量调制策略可以正确应用在矩阵变换器。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及选题意义

1．2国内外研究现状

1．2．1国外矩阵变换器研究现状

1．2．2国内矩阵变换器研究现状

1．3矩阵变换器的研究热点与亟待解决的问题

1．3．1矩阵变换器的研究热点

1．3．2矩阵变换器亟待解决的问题

1．4本文的主要研究内容

第2章矩阵变换器的基本原理

2．1矩阵变换器结构拓扑

2．2矩阵变换器的等效结构分析

2．2．1等效交-直-交结构拓扑

2．2．2矩阵变换器与其等效结构对应关系

2．3双空间矢量调制控制策略

2．3．1输出电压空间矢量算法

2．3．2输入电流空间矢量算法

2．3．3矩阵变换器空间矢量合成与电压利用率

2．4本章小结

第3章矩阵变换器的关键技术研究

3．1双向开关的选择

3．2安全换流策略

3．2．1半软化四步安全换流策略

3．2．2电压四步换流法

3．2．3安全换流的两个关键因素

3．3输入滤波器的设计

3．3．1 LC滤波器的分析与设计

3．3．2 LC滤波器的优化设计

3．4网侧功率因数的调节

3．4．1影响网侧功率因数的主要因素

3．4．2网侧功率因数的解决方法

3．5本章小结

第4章矩阵变换器的仿真研究

4．1矩阵变换器仿真模型的搭建

4．1．1矩阵变换器的总体结构

4．1．2矩阵变换器的主电路仿真模型

4．1．3矩阵变换器的控制部分仿真模型

4．2矩阵变换器带阻感性负载仿真分析

4．2．1矩阵变换器的输入输出特性分析

4．2．2矩阵变换器功率因数分析

4．3本章小结

第5章矩阵变换器的系统设计

5．1矩阵变换器系统的整体框架图

5．2矩阵变换器系统的主要组成部分

5．2．1主开关矩阵电路

5．2．2控制器电路

5．2．3驱动电路

5．3系统软件的设计

5．4实验结果分析

5．4．1实验平台搭建

5．4．2实际运行波形

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢