电容箝位多电平矩阵变换器拓扑理论及控制系统研究

This project is focused on the research of the capacitor clamped multilevel matrix converter. The research consists of the topology analysis, the modulation strategy, the capacitor voltage balance algorithm and the commutation technique. From the above research, the characteristics of the relative topologies will be determined, and the key problems will be formulated and solved. ..In this project, a novel topologies are proposed in which the three-level matrix converter has been extended to N-level. The topologies characteristics will be studied first and the the equivalent mathematical expression will be given as a part of the theoretical analysis. Secondly, the MATLAB and SABER simulations will be given to validate the theoretical findings. During the simulation process, the modulation strategy, capacitor voltage balance algorithm and the commutation technique are given for the following works. Thirdly, experimental prototype will be built up and the high performance machine drive system will be used on the experimental prototype to validate the above analysis. Finally, the characteristics of the relative topologies will be determined, and key problem will be formulated and solved according to the above researches. This project targets on the theoretical study and experimental validation of the proposed capacitor clamped multilevel matrix converter topologies, which are expected to be applied in the renewable energy power converters, the electrical drives for transpotation and the power system harmonic elimination.

本课题以电容箝位多电平矩阵变换器为研究对象，重点研究该类多电平矩阵变换器的拓扑结构、演化规律、PWM调制方法、电容电压平衡控制及安全换流策略的规律，归纳并解决其中存在的关键技术问题。.首先将电容箝位三电平矩阵式变换器进一步推广到N电平矩阵变换器，并对其拓扑结构和调制方法建立等效数学表达式。其次，通过MATLAB和SABER仿真软件建模，提出明确的状态空间矢量调制算法、中点电容电压平衡策略和安全环流策略。此外，搭建样机进行实验研究，实现对悬浮电容箝位多电平矩阵变换器（不少于五电平）的有效控制及带电机负载的高性能运行。最终，通过理论分析、仿真与实验，实现对电容箝位N电平矩阵变换器的拓扑形式、调制方法、电容电压平衡及换流策略一般规律的探索，为此类拓扑结构在新能源变换器、电气化交通和电力系统谐波治理中的应用奠定理论基础。

矩阵变换器作为典型的直接交交变换器，具有四象限运行、体积小、重量轻，高功率密度等优点，其与多电平结构相结合产生的多电平矩阵变换器则又具有可以高压大容量运行，多电平输出，系统绝缘冲击小，谐波特性良好等多电平结构的优点。本课题针对电容箝位型多电平矩阵变换器拓扑演化规律与其载波、空间矢量调制策略进行了研究，其目的在于拓展拓扑应用领域与简化调制策略，本课题的主要研究内容包括：. 本课题在阐述了箝位型多电平矩阵变换器拓扑推演过程的基础上给出了五电平矩阵变换器拓扑，推导了其可用开关状态判定准则；以关于矩阵变换器的分析为基础，提出了箝位型多电平矩阵变换器基于载波的调制策略，使用数学构造、新定义的载波层叠和载波移相这三种不同的基于载波的调制策略将传统两电平矩阵变换器调制策略应用到多电平拓扑中；对输出电压的谐波进行了对比分析，针对载波移相调制策略，分析了移相角对边带谐波的影响。. 此外，本课题对箝位型多电平矩阵变换器的空间矢量调制进行了研究，分析了箝位型多电平矩阵变换器的开关状态组归类方法、对典型开关状态组在空间矢量图上的轨迹进行了分析；由于多电平矩阵变换器空间矢量图的时变性，提出了对空间矢量图进行合理简化的方法，使其具有固定的扇区划分形状，进而将多电平矩阵变换器空间矢量图等价为为多个传统矩阵变换器空间矢量图的叠加。提出了幅值系数校正方法，该方法可将多电平矩阵变换器的空间矢量调制等效为两个独立调制过程，并给出了适用于所有扇区的占空比计算公式；基于多电平矩阵变换器特有的冗余空间矢量状态和多种旋转矢量，提出了对共模电压进行抑制的方法。. 课题通过仿真软件matalb/simulink对所有与理论分析进行了验证，同时也搭建了实验样机对仿真的正确性进行了验证。