基于空间矢量调制的多电平矩阵变换器研究

论文摘要

在传统矩阵变换器(Conventional Matrix Converter ,简写为CMC)和多电平逆变器的基础上,提出了一种新颖的电力电子拓扑结构——多电平矩阵变换器(Multilevel Matrix Converter,简写为MMC)。多电平矩阵变换器可以实现多个电平电压的阶梯波输出,因而输出电压波形更接近正弦,谐波含量降低;电路结构对称,输入/输出端可以互换,则既可实现升压也可实现降压,能突破传统矩阵变换器电压传输比0.866的限制,是一种较为理想的电能变换装置。因此,MMC将是研究电能变换装置和新能源利用中的热点和挑战。本文以多电平矩阵变换器为对象,研究了多电平矩阵变换器的拓扑电路、基本原理,阐述了MMC实现两电平运行的控制方法,创造性地提出了三电平运行时的空间矢量调制策略,且通过计算机仿真实验验证策略的可行性;建立了多电平矩阵变换器系统的数学模型,得出状态空间模型,在此基础上分析了系统的稳定性、能控性和能观测性;这些对进一步研究多电平矩阵变换器有一定的参考价值。具体地,本文的主要内容和主要研究成果如下:对照传统矩阵变换器的拓扑结构,利用多电平变换器基本单元思想,介绍了多电平矩阵变换器拓扑电路的生成,并详细地分析了构成其拓扑电路的H桥开关单元工作状态和支路连接操作规律。建立了多电平矩阵变换器系统的数学模型,得出状态空间模型,提出了判断稳定性的李亚普诺夫函数,并采用数值计算方法验证了稳定性结论且分析了系统能控、能观测性。基于空间矢量调制原理,分析了多电平矩阵变换器基本空间矢量的产生,阐述了多电平矩阵变换器在两电平运行时的调制策略,提出了三电平运行时的控制方法;并利用MATLAB/Simulink软件,搭建仿真模型,得到MMC分别工作在两电平和三电平时的仿真结果,对仿真结果进行分析,验证了控制算法的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 传统矩阵变换器的研究现状
• 1.3 多电平逆变器的研究现状
• 1.4 多电平矩阵变换器的提出与研究现状
• 1.5 本文的研究意义与本文完成的工作
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 本文完成的主要工作
• 第二章 多电平矩阵变换器的工作原理
• 2.1 多电平矩阵变换器的拓扑电路
• 2.1.1 与传统矩阵变换器的渊源
• 2.1.2 多电平变换器基本单元思想和MMC 拓扑电路的生成
• 2.1.3 H 桥开关单元工作状态
• 2.2 多电平矩阵变换器的开关单元和支路操作
• 2.2.1 多电平矩阵变换器的支路操作
• 2.2.2 多电平矩阵变换器的开关单元操作
• 2.3 本章小结
• 第三章 多电平矩阵变换器系统状态空间模型及性能研究
• 3.1 多电平矩阵变换器系统状态空间模型的建立
• 3.1.1 多电平矩阵变换器系统
• 3.1.2 电压、电流的数学向量表示
• 3.1.3 MMC 系统数学模型的建立
• 3.1.3.1 MMC 系统输入、输出侧数学模型
• 3.1.3.2 MMC 系统内部数学模型
• 3.1.3.3 MMC 系统数学模型
• 3.1.4 MMC 系统的状态空间模型
• 3.2 基于Lyapunov 直接法的稳定性分析
• 3.3 基于数值计算方法的性能分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 多电平矩阵变换器的控制策略
• 4.1 多电平矩阵变换器的空间矢量
• 4.2 多电平矩阵变换器的两电平运行的控制
• 4.2.1 MMC 两电平矢量调制
• 4.2.2 MMC 两电平运行时电容选择
• 4.2.3 MMC 两电平运行时空间矢量调制顺序
• 4.3 多电平矩阵变换器的三电平运行的控制
• 4.3.1 参考电压矢量合成原则
• 4.3.2 寻找基本矢量及计算对应占空比
• 4.3.3 确定开关单元状态时序
• 4.4 本章小结
• 第五章 多电平矩阵变换器的仿真模型
• 5.1 多电平矩阵变换器仿真模型的建立
• 5.1.1 仿真模型建立的目的
• 5.1.2 仿真平台
• 5.1.3 仿真模型
• 5.2 多电平矩阵变换器的仿真模型
• 5.2.1 仿真模型的主电路
• 5.2.2 控制策略的实现
• 5.2.3 仿真结果
• 5.2.4 仿真结果分析
• 5.3 本章小结
• 总结与展望
• 一. 对本文的总结
• 二. 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读硕士学位期间公开发表的论文）
• 附录B（表2.2 中支路连接1 的开关单元组合）