一種面向多模塊矩陣變換器的同相層疊載波調(diào)制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于中高壓交流電能變換裝置技術領域，具體涉及中高壓三相交流變頻領 域的多模塊矩陣變換器的同相層疊載波調(diào)制方法。
【背景技術】
[0002] 中高壓大功率交流電動機是目前工業(yè)中的主要動力，其消耗的能源占電動機 總能耗的70%以上，中高壓變頻器裝置的應用使得風機、泵類等電動機節(jié)電率達到了 30%-60%，節(jié)能效果相當明顯。同時，中高壓變頻器實現(xiàn)了無級調(diào)速，滿足了工業(yè)生產(chǎn)過程 對電機的調(diào)速性能要求，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量。
[0003] 多模塊矩陣變換器作為目前唯一被商業(yè)化的適合于中高壓應用的矩陣變換器，不 僅具備矩陣變換器的能量雙向流動、正弦輸入輸出、輸入功率因數(shù)可控、輸出電壓幅值相位 可調(diào)、無中間儲能環(huán)節(jié)的特點，且其高度模塊化的結構使其具備硬件設計容易、可擴展性 強、軟件可移植性強、可維護性高、故障容錯方案易設計等特點。
[0004] 針對多模塊級聯(lián)型矩陣變換器的調(diào)制方法主要有：直接傳遞函數(shù)法、雙電壓合成 法及空間矢量調(diào)制法等。直接傳遞函數(shù)法根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學模型，直接通過輸入輸出關系求解 調(diào)制矩陣；雙電壓合成法利用輸入端的的最大線電壓和次大線電壓，通過計算合成需要的 輸出電壓并滿足設定的輸入功率因素要求；空間矢量調(diào)制法將三模塊矩陣變換器子系統(tǒng)等 效變換成虛擬整流級和逆變級結構，并分別對整流級和逆變級采用空間矢量調(diào)制方法。前 兩種調(diào)制方法，若采用普通變壓器結構，單個模塊的最大電壓傳輸比僅能達到1. 5 ;若采用 移相變壓器結構，最大電壓傳輸比隨著級聯(lián)模塊數(shù)的增加而增加。后者雖然能將電壓傳輸 比擴大到1. 732,但是等效過程復雜、計算量大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種多模塊矩陣變換器的同相層疊載波調(diào)制方法，解決現(xiàn)有調(diào)制方法 中電壓傳輸比低、調(diào)制過程復雜、計算量大及不易擴展等問題。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：
[0007] -種面向多模塊矩陣變換器的同相層疊載波調(diào)制方法，所述多模塊矩陣變換器 包括多繞組變壓器、功率模塊單元；所述多繞組變壓器為普通的隔離變壓器，為各功率模 塊單元提供獨立電源，所述功率模塊單元包括輸入濾波電容和六組雙向功率開關，實現(xiàn)三 相-單相直接交交變換，各個功率模塊單元通過級聯(lián)方式為負載提供幅值、頻率可調(diào)的三 相對稱電源，該方法包括如下步驟：
[0008] 步驟一：將多模塊矩陣變換器分解成由N個三模塊矩陣變換器級聯(lián)而成，所述的 三模塊矩陣變換器由三個功率模塊單元組成，實現(xiàn)三相-三相的交交變頻；
[0009] 步驟二：建立三模塊矩陣變換器與全橋型間接矩陣變換器的數(shù)學等效模型；
[0010] 步驟三：對于全橋型間接矩陣變換器的整流級，采用空間矢量調(diào)制方法；對逆變 級，根據(jù)調(diào)制信號，采用同相層疊載波調(diào)制；最后根據(jù)數(shù)學模型的等效原理，生成三模塊矩 陣變換器各功率開關的控制信號；
[0011]步驟四：對于由N個三模塊矩陣變換器組成的多模塊矩陣變換器，根據(jù)同相層 疊載波調(diào)制原理，分別計算各三模塊矩陣變換器的調(diào)制信號"，其中ie{A，B，C}，k= 1. . .N；
[0012] 步驟五：根據(jù)步驟四得到的調(diào)制信號，對各三模塊矩陣變換器分別采取步驟三的 操作，生成多模塊矩陣變換器的開關控制信號，輸出幅值、頻率、相位可調(diào)的三相對稱電壓。
[0013] 其中，所述步驟二中的全橋型間接矩陣變換器包括：輸入三相濾波電容，一個公共 的整流電路、獨立的三個單相橋式逆變電路及三個高頻變壓器；所述整流電路包括六組雙 向功率開關，其輸入端連接三相濾波電容，同時連接到變壓器二次側，所述三個單相橋式逆 變器直流端共同連接到整流器輸出端，所述三個高頻變壓器輸入端分別與三個單相橋式逆 變器輸出端相連，三個高頻變壓器輸出端中一端接地，另外一端分別為負載提供三相對稱 電壓。
[0014] 其中，所述步驟二中空間矢量調(diào)制方法為：
[0015] 根據(jù)輸入電流矢量計算相鄰有效矢量的占空比，計算公式如下：
[0016]
[0017] 其中，(^，七分別為相鄰有效電流矢量的占空比；dQ為零矢量占空比；n為電流參考 矢量所在的扇區(qū)；9為輸入電流空間矢量在所在扇區(qū)內(nèi)的相對位置角；
[0018] 為了減少換流次數(shù)，最大化電壓利用率，取消上式中的零矢量，則有效矢量的占空 比為：
[0019]
[0020] 其中，k( 9)表達式為：
[0021]
[0022] 由此可得到虛擬直流電壓為：
[0023]
[0024] 其中，巾為輸入功率因數(shù)角，UiD1為輸入相電壓峰值；
[0025] 為了提高波形質量，采用雙邊對稱開關模式，假設參考電流矢量位于扇區(qū)1，則合 成的中間直流電壓為：在〇~daTs/2時間內(nèi)，由da對應的輸入線電壓，即uab連接到直流母 線，在daTs/2~（dpTs+daTs/2)時間內(nèi)，由dp對應的輸入線電壓，即ua。連接到直流母線， 最后在（dpTs+daTs/2)~TS時間內(nèi)，再次由da對應的輸入線電壓uab連接到直流母線。
[0026] 其中，所述步驟三中的同相層疊載波調(diào)制為：
[0027] 假設參考電流矢量同樣位于扇區(qū)1，根據(jù)整流級和逆變級的協(xié)調(diào)控制，則正半軸的 三角載波為：在〇~daTs/2時間內(nèi)，載波幅值由0到1變化，在daTs/2~Ts/2時間內(nèi)，幅值 由1到0變化，在Ts/2~（Ts+dpTs)/2時間內(nèi)，幅值由0到1變化，在（Ts+dpTs)/2~八時 間內(nèi)，幅值由1到〇變化，負半軸的三角載波與正半軸的完全相同；
[0028] 最后由調(diào)制信號分別與設定的逆變級三角載波交截生成PWM信號，控 制各相逆變級的功率開關。
[0029] 其中，所述步驟四中調(diào)制信號求解過程為：
[0030] 首先，計算系統(tǒng)歸一化的參考輸出電壓^,;'￡^反0}，即：
[0031]
[0032] 其中％。為零序電壓，uiN,%。設定為：
[0033]
[0034]
[0035] 其中，中為系統(tǒng)輸出相電壓幅值，《。為輸出電壓的角頻率，上式零序電壓的選 擇實現(xiàn)了直流電壓的最大利用率；
[0036] 其次，對于3XN模塊矩陣變換器，將'波形的正半軸[0，N]區(qū)間平均分成N份， 同理將k的負半軸[_N，0]區(qū)間平均分成N份，得到各三模塊矩陣變換器的調(diào)制波，其統(tǒng)一 表達式如下：
[0037]
[0038] 義|)，即大于等于數(shù)值|' |的最小整數(shù)，sign〇為符號函數(shù)。
[0039] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明為多模塊級聯(lián)型矩陣變換器的調(diào)制提供了一種新的 方法，與現(xiàn)有技術相比，該調(diào)制方法計算量小，易于擴展，大大減小了開關切換次數(shù)，提高了 系統(tǒng)效率，保證了輸出電壓電平平滑切換，輸出電流波形質量好。
【附圖說明】
[0040] 圖1為本發(fā)明實施例多模塊矩陣變換器拓撲及功率模塊單元拓撲結構示意圖。
[0041]圖2為本發(fā)明實施例三模塊矩陣變換器拓撲示意圖。
[0042]圖3為本發(fā)明實施例等效的全橋間接矩陣變換器示意圖。
[0043] 圖4為本發(fā)明實施例電流型空間矢量調(diào)制示意圖。
[0044] 圖5為本發(fā)明實施例同相層疊載波調(diào)制示意圖。
[0045] 圖6為本發(fā)明實施例' >〇單元模塊載波調(diào)制示意圖。
[0046] 圖7為本發(fā)明實施例' <〇單元模塊載波調(diào)制示意圖。
[0047] 圖8為本發(fā)明實施例9模塊系統(tǒng)的結構圖。
[0048] 圖9a、9b為本發(fā)明實施例q= 1. 5,fo= 30HZ時輸入輸出相關實驗波形示意圖。
[0049] 圖10a、10b為本發(fā)明實施例q= 4. 5,fo= 30HZ時輸入輸出相關實驗波形示意 圖。
[0050] 圖11a、lib為本發(fā)明實施例q= 5. 2,fo= 60HZ時輸入輸出相關實驗波形示意 圖。
【具體實施方式】
[0051] 下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。
[0052] 多模塊矩陣變換器結構如圖1所示。多模塊矩陣變換器包括多繞組變壓器1、功 率模塊單元2 ;所述多繞組變壓器為普通的隔離變壓器（非移相變壓器），為各功率模塊單 元提供獨立電源，所述功率模塊單元包括輸入濾波電容3和六組雙向功率開關4,實現(xiàn)三 相-單相直接交交變換，各個功率模塊單元通過級聯(lián)方式為負載提供幅值、頻率可調(diào)的三 相對稱電源。
[0053] 載波調(diào)制方法具體包括如下步驟：
[0054] 步驟一：將多模塊矩陣變換器分解成由N個三模塊矩陣變換器5級聯(lián)而成，所述 的三模塊矩陣變換器由三個功率模塊單元組成，每個功率模塊單元的輸出分別為負載提供 幅值、頻率、相位可調(diào)的三相對稱電源，如圖2所示；
[0055] 步驟二：將三模塊矩陣變換器等效成全橋型間接矩陣變換器，該拓撲由輸入三相 濾波電容6, 一個公共的整流電路7、獨立的三個單相橋式逆變電路8及三個高頻變壓器9 構成，如圖3所示。整流電路7包括六組雙向功率開關，其輸入端連接三相濾波電容，同時連 接到變壓器二次側。三個單相橋式逆變器直流端共同連接到整流器輸出端，三個高頻變壓 器9輸入端分別與三個單相橋式逆變器輸出端相連，三個高頻變壓器輸出端中一端接地， 另外一端分別為負載提供三相對稱電壓。
[0056] 所述功能等效，即在任意時刻，均能找到一組有效的開關狀態(tài)使三模塊矩陣變換 器與全橋間接矩陣變換器具有相同的輸入電流和輸出電壓。
[0057] 對于全橋間接矩陣變換器，其輸出電壓和輸入電流可表示為：
[0058]u;'t=(S' ；i_S,；9)T(S^Sju=+(S9-Sjub+(S3~S6)uc]
[0059]
[0060] 對于三模塊矩陣變換器，其輸出電壓和輸入電流可表示為：
[0061] uiN-(Sn_Si4)ua+(Si2_Si5)ub+(Si3_Si6)uc
[0062]
[0063] 因此可以得到等效前后各個開關的關系如下：
[0064]
[0065] 其中，根據(jù)矩陣變換器輸入不能短路，輸出不能開路的約束，各開關需滿足如下約 束
[0066] 步驟三：對于全橋型間接矩陣變換器的整流級，采用空間矢量調(diào)制方法，如圖4所 示：根據(jù)輸入電流矢量計算相鄰有效矢量的占空比，計算公式如下：
[0067]
[0068] 其中