电气工程综合设计报告

南京航空航天大学

电气工程综合设计报告

课题名称基于空间矢量调制的双级矩阵变换器仿真研究报告

指导老师**教授成绩学生姓名***

二〇一一年六月

目录

第一章绪论 (1)

1矩阵变换器的应用背景 (1)

第二章双级矩阵变换器空间矢量调制原理 (2)

2.1 双级矩阵变换器（TSMC） (2)

2.2空间矢量调制原理 (3)

2.2.1空间矢量调制基本思想 (3)

2.2.2整流级调制策略 (3)

2.2.3逆变级调制策略 (4)

第三章双级矩阵变换器MATLAB仿真模型 (5)

3.1MATLBA/Simulink仿真环境 (5)

3.2双级矩阵变换器空间矢量调制仿真模型的结构 (5)

3.2.1主功率模块 (5)

3.2.2 PWM调制模块 (6)

3.2.3输入输出模块 (6)

第四章仿真参数设置与结果分析 (7)

4.1仿真参数设置 (7)

4.2仿真结果分析 (7)

4.2.1一种给定值的结果分析 (7)

4.2.2不同给定值的结果分析 (12)

第五章总结 (16)

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 Converter: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 Converter: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：

N P k S S S ck bk k ,,1a ==++， C B A S S N iP ,,i ,1i ==+ （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：