间接矩阵式电力变换器扩频调制技术研究

摘要

间接矩阵式电力变换器（简称间接矩阵变换器）传统的调制技术是规则脉冲宽度调制，这种调制会导致输出电压谐波集中在整数倍开关频率附近，形成离散高幅值频谱，这些谐波的高幅值特点会引起电磁干扰等问题。扩频调制技术通过改变开关动作时刻，将离散的谐波扩展到较宽的范围，从而降低谐波幅值。本文研究了间接矩阵变换器扩频调制的基本原理和实现方法。
　　本文阐述了扩频调制的基本原理和扩频调制的实现过程，通过仿真直观地分析了周期型和混沌型调制信号的扩频调制特点，并将周期信号和混沌信号混合使用，分析了混合调制信号的扩频调制特点。在所建立的实验平台上，对比分析了周期信号、混沌信号和以频率被logistic混沌序列调制的三角信号分别调制后的输出线电压频谱，与理论分析一致，证明了混合调制信号不仅具有周期调制信号限制扩频范围的作用，而且具有混沌调制信号有效降低谐波幅值的优势。
　　针对恒定载波频率调制的间接矩阵变换器输出电压存在高幅值、强离散化的谐波现象，本文将混沌载波频率调制技术应用于间接矩阵变换器，以此来扩展谐波边带，降低谐波幅值。分析了混沌载波频率调制技术在调制前后输出电压频谱和输入输出电流纹波的变化。但是，混沌载波频率调制技术会增加间接矩阵变换器产生窄脉冲的几率，导致换流困难。为此，本文通过使用整流级含有零矢量的调制方式，延长了整流级零电流换流时间，并且通过适当选择调制波和载波形状，简化了换流过程。在间接矩阵变换器实验平台上，与恒定载波频率调制技术对比，证明了混沌载波频率调制技术能够有效地降低输出电压谐波幅值。
　　为了获得恒定的载波频率，本文提出了间接矩阵变换器三种基于载波的随机脉冲位置调制技术，各具特点。第一种是基于马尔科夫链随机选择的整流级四种脉冲位置的调制，可以避免整流级在载波期间的换流过程，换流频率较低，但具有有限的自由度，谐波幅值降低程度不明显。第二种是随机改变脉冲中心位置的调制，具有更大的自由度，可以获得较平坦的谐波频谱和较低的谐波幅值，但换流频率较高。第三种是在整个载波周期内随机延时脉冲位置的调制，具有最大的自由度，可以获得连续而平坦的谐波频谱，谐波幅值最低，但换流频率最高。与传统载波调制技术对比，实验结果验证了三种随机脉冲位置调制技术的有效性。
　　针对扩频调制技术只能扩展谐波频谱而无法有目的地改变频谱分布的问题，本文在预电流控制技术的基础上，提出了一种能够间接控制频谱分布的技术，并将其应用于间接矩阵变换器的输出电压频谱分布控制中。该技术以经过滤波器的电流误差作为控制目标，在实现电流跟踪控制的同时，通过选择不同的滤波器来间接控制输出电压的频谱分布，减少预电流控制技术所产生的低频电压谐波，消除了电压频谱中因开关频率随时间变化的周期分量而产生的高幅值谐波，达到了改善频谱的目的。设计了基于FPGA和DSP的控制系统，建立了实验平台，验证了IMC的频谱分布间接控制技术的可行性。

目录

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摘要

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表格目录

主要符号表

1 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 矩阵变换器调制技术的研究现状

1．2．1 一般调制技术

1．2．2 优化调制技术

1．3 电力变换器扩频调制技术的研究现状

1．3．1 DC-DC变换器和AC-DC变换器的扩频调制

1．3．2 DC-AC变换器的扩频调制

1．3．3 AC-AC变换器的扩频调制

1．4 电力变换器扩频调制技术的实现方法

1．5 论文研究思路与主要内容

2 调制信号的扩频调制特点分析

2．1 引言

2．2 扩频调制基本原理

2．3 基于周期函数和混沌序列的扩频调制

2．3．1 周期调制

2．3．2 混沌调制

2．4 混合扩频调制

2．4．1 基本原理

2．4．2 PWM脉冲序列的混合调制效果

2．5 实验研究

2．6 本章小结

3 一种简化换流的间接矩阵变换器混沌载波频率调制技术

3．1 引言

3．2 简化换流的载波调制原理

3．2．1 IMC拓扑结构

3．2．2 整流级调制函数

3．2．3 逆变级调制函数

3．2．4 协同调制

3．3 载波频率按照混沌序列变化的原理

3．3．1 混沌载波频率产生原理

3．3．2 扩频原理

3．4 实验研究

3．4．1 实验平台

3．4．2 实验结果分析

3．5 本章小节

4 间接矩阵变换器随机脉冲位置调制技术

4．1 引言

4．2 TCBM技术

4．2．1 整流级载波调制方法

4．2．2 逆变级载波调制方法

4．3 三种随机脉冲位置调制技术

4．3．1 RMCBPPM技术

4．3．2 RCDPPM技术

4．3．3 RDPPM技术

4．3．4 窄脉冲处理方法

4．4 实验研究

4．5 本章小结

5 间接矩阵变换器输出电压频谱分布控制技术和实现方法

5．1 引言

5．2 SDIM技术

5．2．1 预测模型

5．2．2 IMC的PCC原理

5．2．3 IMC输出电压的SDIM原理

5．2．4 IMC的开关状态

5．2．5 IMC的PCC技术和SDIM技术实现流程

5．2．6 换流方式

5．3 PCC技术和SDIM技术的实现方法

5．3．1 控制器整体结构概述

5．3．2 FPGA实现

5．3．3 SDIM技术实现方法

5．4 仿真与实验研究

5．4．1 仿真研究

5．4．2 实验平台设计

5．4．3 FPGA实验结果

5．4．4 PCC技术与SDIM技术实验结果

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点摘要

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介