基于数学构造的多模块矩阵变换器调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于中高压交流电能变换装置技术领域，具体设及中高压=相交流变频领 域的多模块矩阵变换器的数学构造调制方法。
【背景技术】
[0002] 中高压大功率交流电动机是目前工业中的主要动力，其消耗的能源占电动机 总能耗的70%W上，中高压变频器装置的应用使得风机、累类等电动机节电率达到了 30%-60%，节能效果相当明显。同时，中高压变频器实现了无级调速，满足了工业生产过程 对电机的调速性能要求，提高了产品的产量和质量。
[0003] 多模块矩阵变换器作为目前唯一被商业化的适合于中高压应用的矩阵变换器，不 仅具备矩阵变换器的能量双向流动、正弦输入输出、输入功率因数可控、输出电压幅值相位 可调、无中间储能环节的特点，且其高度模块化的结构使其具备硬件设计容易、可扩展性 强、软件可移植性强、可维护性高、故障容错方案易设计等特点。
[0004] 针对多模块级联型矩阵变换器的调制方法主要有：直接传递函数法、双电压合成 法及空间矢量调制法等。直接传递函数法根据系统数学模型，直接通过输入输出关系求解 调制矩阵；双电压合成法利用输入端的的最大线电压和次大线电压，通过计算合成需要的 输出电压并满足设定的输入功率因素要求；空间矢量调制法将=模块矩阵变换器子系统等 效变换成虚拟整流级和逆变级结构，并分别对整流级和逆变级采用空间矢量调制方法。前 两者调制方法，若采用普通变压器结构，其最大电压传输比仅能达到1. 5 ;若采用移相变压 器结构，等效最大电压传输比随着级联模块数的增加而增加。后者虽然能将电压传输比扩 大到1. 732,但是等效过程复杂、计算量大。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是；提供一种多模块矩阵变换器MMMC-II通用的数学 构造调制方法，通过选取不同的偏置量得到不同性能的调制策略。基于数学构造的调制方 法省去了W往调制策略中对扇区的计算，算法简单，易于理解和实现。
[0006] 本发明采用如下技术方案：
[0007] -种基于数学构造的多模块矩阵变换器调制方法，所述多模块矩阵变换器MMM-II 包括多绕组变压器、功率模块单元；所述多绕组变压器为普通变压器，各二次侧=相绕组分 别为各功率模块单元提供独立电源，所述功率模块单元包括输入滤波电容和六组双向功率 开关，实现=相-单相直接交交变换，各个功率模块单元通过级联方式为负载提供幅值、频 率及相位可调的=相对称电源，对于=模块矩阵变换器MMMC-I，为了最大化输入电压利用 率，对低频调制矩阵的每一列分别叠加偏置量X，y，Z，根据开关的约束条件，得到偏置量的 取值范围，选取不同的偏置量得到不同性能的调制方法，采取双边对称的开关模式；对于由 N个MMMC-I级联而成的多模块结构MMMC-II，各MMMC-I的开关状态采用循环移位技术，输 出幅值、频率、相位可调的=相对称电压。
[0008] MMMC-I的低频调制矩阵的解是根据输入输出电压电流关系得到的，具体过程如 下：
[0009] (1)列写输入输出关系式
[0010] 假设变压器的漏感很小，近似认为滤波电容电压和网侧电压相等，则对于输入输 出电压，取开关平均后，有如下关系：
[0011]
[001引其中，Uan, 1%, 1%为MMMC-I输出相电压，Ua,Ub, 11。为网侧相电压，Ns/Np为变压器 的变比，4 (/'=.义化C;./=i，2…6;/1'=1，2…N)'代表各双向开关的占空比，M为低频调制矩阵
[0013] 同理可得，输入输出电流的关系为：
[0014]
[0015] 其中上标T表示转置，1瓦分别为网侧输入电流矢量和负载侧电流矢量，即； ''s=[i'。 4 !;f， = Vah!'cf;
[0016] 根据输入端不能短路、输出端不能断路的要求及物理实现的限制，低频调制矩阵M 需要满足W下约束条件：
[0017]
[0018] (2)低频调制矩阵的求解
[0019] 上述输入输出电流电压的关系，可W看成经历了虚拟整流和虚拟逆变的过程，因 此低频调制矩阵M的一组解可描述为：
[0020] M '= Mh、'(a>u，(Pu，k)M,,。{仿;，私、T
[0021] 其中，的抑4)，始"。加。，妍，*):分别为虚拟整流级和虚拟逆变级调制矢量，表达式如 下：
[0024] 其中，k为调制系数，根据调制矩阵的约束条件可知，0《k《1，分别为输 入输出电压角频率，&1为输入功率因数角，口。^为输入与输出电压的初始相位角差；
[0025] 通过上述的调制矩阵及输入输出电压关系，可得到k与输入电压峰值Uim及输出电 压峰值U。。的关系为：
[0026]
[0027] 定义电压传输比q为MMMC-1输出相电压与变压器二次侧相电压峰值之比，则有：
[0028]
[002引优选地，所述的叠加偏置量的调制矩阵M'为：
[0030]
[0031] 优选地，偏置量的取值范围为：
[0032] 根据调制矩阵的约束条件，X，y，Z的限制条件如下：
[0033] x+y+z= 0
[0037] 为了更直观的描述偏置量的取值范围，将上述限制条件绘制在x，y平面中得到 X，y的可行取值区域；
[0038] 要使偏置量X，y，Z有解，则必须满足下式：
[0039]
[0040] 假设 6a> 0 >eB>e。ra>rb> 0 >rC，则有：
[0041]
[0042] 因此，偏置量X，y，z有解的条件为：
[0043]
[0044] 由于此时kl《1，lij《1，kl《1，|6.4-6。|^：>/^*，因此1^的取值范围需满足：
[0045]
[0046] 从而，只要偏置选取满足约束条件，即可实现最大电压传输比为1. 732。
[0047] 优选地，选取不同的偏置量得到不同性能的调制方法，最为简单的构造方法如 下：
[0048] 取X，y,Z为其边界值的中屯、，即；
[0049]
[0050] 对上式进一步简化处理可得：
[0051]
[005引优选地，循环移位调制方法为；N个MMMC-I级联拓扑MMMC-II，从上到下相邻的两 个S模块矩阵变换器的开关状态分别错开时间L/N.。
[0053] 优选地，双边对称调制模式为：
[0054] WA相模块为例，其对应调制矩阵r中的占空比为：
[00 巧]
[0056] 对上式进行处理；首先，找出％1+x，niA2+y和％3+Z中的绝对值最大值，假设％1+x绝 对值最大，且％1+X> 0,令；
[0060] 双边对称开关模式为：在一个开关周期内，模块输出电压的大小的顺序为；最 小-次大-最大-次大-最小，且关于V2对称；假设输入电压为；11。> 0 >Ub>U。，W上 述niAi+x> 0为例，开关的动作情况为；上开关说一直导通，远，娩一直关断；在〇~货7：/2 时间内，开关说导通，输出电压为0;在媒?:/2 ~说+曲巧A时间内，开关切换至Si导通， 输出电压为Ugb;在（货+^5)?：/2~(1 + <片72时间内，开关切换至导通，输出电压为U。。； 在（1+<片/2 ~ (1 +成+货)2：/2时间内，开关重新切换至说导通，输出电压为Usb;最后，开 关切换至说，输出电压为0。
[0061] 本发明基于数学构造的调制方法省去了W往调制策略中对扇区的计算，算法简 单，易于理解和实现。而且，该调制策略的构造方法具有通用性，对其他电力电子变换器调 制策略的提出有指导作用。
【附图说明】
[0062] 图1为本发明实施例多模块矩阵变换器MMMC-II拓扑示意图。
[0063] 图2为本发明实施例S模块矩阵变换器MMMC-1拓扑示意图。
[0064] 图3为本发明实施例双边对称开关模式示意图。
[0065] 图4为本发明实施例基于循环移位技术模块输出电压波形示意图。
[0066] 图5本发明实施例系统结构图。
[0067] 图6为本发明实例在q=3. 0, f；= 60监时实验波形。
[0068] 图7为本发明实例在q=5. 2, f；= 60监时实验波形。
[0069] 图8为本发明实例在q=3. 0, f；= 30监时实验波形。
【具体实施方式】
[0070] W下将W所述构造方法为例，结合附图和具体实施案例对本发明做进一步详细说 明：
[0071] 如图1、图2所示，将多模块矩阵变换器MMMC-II视为由N个S模块矩阵变换器 MMMC-I级联而成。多模块矩阵变换器MMM-II包括多绕组变压器1、功率模块单元2 ;所述多 绕组变压器为普通变压器（非移相变压器），各二次侧=相绕组分别为各功率模块单元提 供独立电源，所述功率模块单元包括输入滤波电容3和六组双向功率开关4,实现=相-单 相直接交交变换，各个功率模块单元通过级联方式为负载提供幅值、频率及相位可调的= 相对称电源。
[0072] 对于MMMC-I，为了最大化输入电压利用率，对低频调制矩阵的每一列叠加偏置 量X，y，Z，根据开关的约束条件，得到偏置量的取值范围及构造方法；对于MMMC-II，各 MMMC-I的开关状态采用循环移位技术，输出幅值、频率、相位可调的=相对称电压。详细说 明如下。
[0073] 步骤一；根据检测得到的输入电压、参考输入功率因素及参考输出电压，计算低频 调制矩阵，即
[0074] M=M抽又的。，<P〇，k)M的i，扣)T
[00巧]其中，％。.(巧如，始"。.(化，&，*)分别表达式如下；
[0078] 其中，k为调制系数，根据调制矩阵的约束条件可知，0《k《1，分别为输 入输出电压角频率，4>1为输入功率因数角，口。^为输入与输出电压的初始相位角差。其中，1^ 与输入电压峰值Am及输出电压峰值U"的关系为；
[0079]
[0080] 定义电压传输比q为MMMC-1输出相电压与变压器二次侧相电压峰值之比，则有：
[0081]
[0082] 由于k《1，因此上述的调制矩阵得到的最大电压传输比为1. 5。