[发明专利]基于数学构造的多模块矩阵变换器调制方法

说明书

技术领域

本发明属于中高压交流电能变换装置技术领域，具体涉及中高压三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

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％以上,中高压变频器装置的应用使得风机、泵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。

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。

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；空间矢量调制法将三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

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以往调制策略中对扇区的计算，算法简单，易于理解和实现。

本发明采用如下技术方案：

一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，各二次侧三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，实现三相-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、频率及相位可调的三相对称电源，对于三模块矩阵变换器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、相位可调的三相对称电压。

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：

(1)列写输入输出关系式

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：

其中，u_AN,u_BN,u_CN为MMMC-I输出相电压，u_a,u_b,u_c为网侧相电压，N_s/N_p为变压器的变比，代表各双向开关的占空比，M为低频调制矩阵

同理可得，输入输出电流的关系为：

其中上标T表示转置，分别为网侧输入电流矢量和负载侧电流矢量，即：

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需要满足以下约束条件：

(2)低频调制矩阵的求解

上述输入输出电流电压的关系，可以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：

其中，分别为虚拟整流级和虚拟逆变级调制矢量，表达式如下：

其中，k为调制系数，根据调制矩阵的约束条件可知，0≤k≤1，ω_i,ω_o分别为输入输出电压角频率，φ_i为输入功率因数角，为输入与输出电压的初始相位角差；

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U_im及输出电压峰值U_om的关系为：