1引言
1.1选题背景
在现代社会所有能源中，电能是使用最为方便，适用范围最为广泛的能源，同时也是现代社会中最重要的能源形式。近年来，随着经济的快速发展，我国的耗电量急剧增加，使得能源短缺和环境污染问题尤为突出。一方面，电能不能满足工业生产和人民生活的需要；另一方面，大规模利用传统化石能源发电造成了严重的环境问题且大量电能没有得到最为有效的利用。
目前我国电力应用中，60%的耗电量是由各类电动机所消耗，因此在电气传动方面实施节能技术，其潜力巨大。随着社会的进步，电气传动与工农业生产、人们R常生活的联系日益密切，工业（家用）电动机的用量逐渐增加。据不完全统计，我国现有风机大约700多万台，水泵3000多万台，压缩机500多万台，这三项电动机的年耗电量超过全国总用电量的40%，但因其中大部分是定速驱动方式运行的电机，导致总体效率低于世界平均水平10%—20%P],因此大力发展交流变频调速技术实现节能降耗，提高经济效益，不仅有利于提高电气传动系统的性能，同时对我国乃至世界解决能源和环境问题具有非常重要的现实意义丨交流电力变换器是将电力电子器件依据特定的电路拓扑组成电力变换装置，它是交流变频调速系统的重要组成部分。按照电能的变换方式大体可分为两类：第一类为带中间储能环节的AC/DC/AC变换器；第二类为不带中间储能环节的矩阵变换器，如图1-1所示。
1.2 AC/DC/AC 变换器
AC/DC/AC变换器是目前最常用的AC/AC电能变换装置。此类变换装置中最典型的是电压源型变换器和电流源型变换器，其中电压源型变换器根据整流器的不同又可分为不控整流+逆变器和可控整流+逆变器。
不控整流+逆变器如图l-2(a)所示，不具备升压功能，且输入电流谐波较高，对电网污染严重。可控整流+逆变器如图l-2(b)所示，前端整流环节为升压型整流器，因此变换器输入侧必需加入电感。同时为了降低对电网的谐波污染，在输入侧需要设计LC或LCL滤波器。电压源变换器最主要的缺点是其直流环节都是通过大电容来储能和稳压。大电容作为直流储能元件，不仅体积大、质量重，而且不易于维护，使得电力变换装置功率密度较低；若该电容采用电解电容，将严重影响电力变换器的预期寿命。
存在需要大容量的平波电抗，以及交流侧LC滤波器导致的电流畸变、振荡等问题。相对于电压源变换器，其成本较高，控制相对复杂，从而制约了电流型变换器的应用与研究。但是随着超导技术的应用与发展，电流型变换器在超导储能中取得了成功应用。另外电流源变换器在中压大功率风力发电和电机拖动中也得到广泛关注。
为了克服带中间储能环节变换器的缺陷，提高AC/AC变换器的功率密度和可靠性，人们开始考虑不使用直流环节储能元件的AC/AC变换器，矩阵变换器在此时应运而生。矩阵变换器不存在直流母线上的大电容（电感），同时具有体积小、易于维护等优点，有效弥补了 AC/DC/AC变换器的不足。
直接矩阵变换器通过9个双向开关按照3x3的矩阵进行排列组合,如图1-4所示。通过双向开关的导通和阻断，将三相交流输出的任意一相可以直接连接至三相输入交流电源中的任意一相。为了滤除输入电流中的高次谐波，矩阵变换器的输入侧通常需要三相LC滤波器。直接矩阵变换器具有如下优点：1)双向能量流动，能够实现系统的四象限运行；2)输入功率因数可调；3)输出与输入电流正弦，谐波含量少；4)不需要直流储能环节的大电容（电感），体积小、重量轻。
与AC/DC/AC电压源（电流源）变换器和直接矩阵变换器相比，间接矩阵变换器具有如下优点：1)具有良好的输入、输出性能、输入功率因数可调，可实现功率的双向流动；2)直流环节无大电容（电感）储能元件，箱卫电路简单，体积小，功率密度高；3)整流级的双向开关可以实现零电流换流，逆变级开关可以用传统逆变器的死区换流方法，系统换流控制简单，可靠性高；4)将系统分为整流级和逆变级，可分别采用成熟的PWM控制方法，降低了控制难度；5)在一定的约束条件下，可以减少开关器件的数量；6)将直流环节作为母线，可以实现多逆变器输出，驱动多个交流电动机运行。
2 Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器
2.1 Z源间接矩阵变换器
图2-l(a)所示电路是将由功率开关、电感1、电容C组成的Z源电路插入到矩阵变换器的交流输入侧，因Z源电路电感和电容的存在，允许Z源电路输出侧短路，所以间接矩阵变换器在运行时，整流级不会因三相上桥臂（下桥臂）同时导通发生短路故障。
Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器从结构上可分为Z源/quasi-Z源电路，整流级和逆变级三部分，由于母线没有电容(电感)作为中间直流储能元件，其调制策略包含Z源/qausi-Z源电路、整流级和逆变级相互独立的调制技术，也需要三者协调控制技术。目前矩阵变换器调制方法主要分为开关函数法空间矢量调制法tW、和双电压合成法。其中空间矢量调制(SVM)方法是各种调制方法中应用最多的调制技术。本章将对Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器的空间矢量调制方法作为研究重点，分析、对比不同开关时序对系统的影响。同时对系统的共模电压进行分析，提出两种共模电压抑制方法。
2.2输入电流断续型quasi-Z源间接矩阵变换器
本章提出了 Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器，详尽的分析了此类拓扑电路的工作原理，工作模式，和升压能力。与传统间接矩阵变换器相比，Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器利用Z源/quasi-Z源电路特有的性质，通过控制直通占空比D，能够实现矩阵变换器输入电压的任意升压，从而克服了传统间接矩阵变换器电压增益较低的问题。
上述分析表明，整流级的空间矢量合成，不同的方法有各自的优缺点。考虑到插入直通零矢量后，整流级开关通断次数会增大，同时如果选择模式二或模式三的合成方法，逆变级幵关通断的次数会成倍的增高，因此如果整流级选择高的开关通断次数的空间矢量合成模式，会给整个系统带来大的开关损耗，大大降低系统的效率，对于低的通断次数所造成输入电流的PWM谐波分量，可以通过加入滤波器和对输入电流进行控制从而消除。所以本文选择模式一的空间矢量合成方法，同时从算法的简单性上分析，模式一的合成方法也较为简单，简化了系统的控制复杂度。
在整流级功率开关进行换流时，需要通过逆变级的换流策略来对整流级进行配合来实现整流级的零电流换流。具体配合方式为，当整流级进行换流，例如当直流电压正极连接在a相要切换连接在b相时，此时如果逆变级PWM调制策略正好工作在零矢量状态，直流环节没有电流，此时整流级开关管没有电流流过，即实现了整流级的零电流换流。同时，逆变级的幵关时序还需要考虑零矢量的选择。与传统逆变器一样，考虑选择零矢量的原则是使幵关通断变化尽可能少，以降低开关损耗。本文中逆变级选择将零矢量均匀的分布在合成矢量的起和终点上，然后依次按三角形合成方法将两个有效矢量首尾相连。
设整流级输入电流空间矢量在第1扇区，逆变级的输出电压空间矢量在第1扇区，在一个PWM开关周期，整流级和逆变级相互配合，其对应的开关组合如图3-9所示，具体的幵关时序如图3-10所示。图中，整流级在每次进行矢量切换过程中，逆变级均工作在零矢量状态，从而使直流母线没有电流流过，保证了整流级的零电流换流，减少因换流造成的系统损耗，而逆变级开关管的换流采用死区换流方式。同时当整流级工作在了零矢量(包括直通零矢量或非直通零矢量)时，直流母线电压为零，逆变级同样1；作在零矢量，从而最大限度培加系统的电压利用率。
3 Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器调制技术................23
3.1引言................................23
3.2整流级空间矢量调制技术................23
3.3逆变级空间矢量调制策略................25
3.4开关序列................................27
4Z源/quasi-Z源电路动态模型与控制................51
4.1引言................................51
4.2 Z源电路建模................51
4.3输入电流断续型quasi-Z源电路建模................57
4.4输入电流连续型quasi-Z源电路建模................61
5 Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器系统设计................77
5.1电感和电容设计准则................77
5.1.1电感的设计................77
5.1.2电容的设计................79
7 Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器对比分析
本节对所提出的Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器从电压增益、纹波、应力、THD和效率等方面进行全面对比分析。
电感值的大小决定着电感成本高低和体积(重量)大小。选择较大的电感值会增加系统的成本，选择较小的电感值会使电感有较大的纹波电路。同时由第4章的分析可知，随着电感值的增大，会使系统的零点沿着实轴逐渐接近原点，减少系统的非最小相位性。同样为了节约实验平台成本，选择一种电感作为实验用电感。?综上分析，最终选择三个拓扑电路求得的三个电感值的中间一个值作为次实验平台电感值（L=2mH)，既能节约成本，又可保证电感电流纹波率和减小系统的非最小相位性。
CPLD编程应用最为广泛的Verilog硬件描述语言。本文使用ALTERA公司的quartus II软件对CPLD进行编程下载。CPLD通过总线形式接收三个信号：输入电流矢量扇区号(6种情况)；输出电压矢量扇区号(6种情况)；6路占空比的信号。CPLD软件中预设了状态转换表，该表格内置了与CPLD三个输入信号相对应的矩阵变换器功率管开关状态。该状态转换表已经在第三章中叙述，这里就不再一一列举。CPLD的工作过程如图所示。在正常情况下，CPLD根据输入电流矢量扇区号，输出电压矢量扇区号和相应的占空比信号查表得到相应功率开关的通断控制信号，并从输出口经过驱动放大电路传递给IGBT。但是，当电流发生过流，过压等故障时，CPLD接收到来自保护电路的故障信号，立即封锁所有PWM输出信号，关断所有功率幵关，保证系统安全。
本章详细介绍了系统软硬件设计和实现。无论从硬件端口和软件计算量方面考虑，采用DSP和CPLD相结合能够满足系统计算和控制的要求；Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器所用的双向开关为桥式型双向开关，最小得减少了幵关管的数量，节约系统成本；同时，对三种拓扑主要器件的选取，硬件电路和软件设计进行了详细的分析。
8结论
本文针对传统间接统矩阵变换器电压增益较低和抗干扰能力差的问题，将Z源和quasi-Z源电路插入到间接矩阵变换器输入侧，提出了 Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器电路拓扑，对其工作原理、系统模型和控制策略等进行了系统研究，
通过研究，论文的主要工作和取得的创新点主要有以下几点：
1)提出了Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器电路拓扑。推导了Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器基本的升压原理，与现有的Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器相比，新拓扑将Z源/quasi-Z源电路插入到系统的输入侧，保证间接矩阵变换器全桂化的特点，并能够减小Z源/quasi-Z源电路元件的大小，从而减小变流器的体积、重量和成本。同时对新提出的拓扑电路的升压能力进行了对比，在相同直通零矢量D的条件下，quasi-Z源间接矩阵变换器具有相同的升压能力，且均大于Z源间接矩阵变换器的升压能力。
2)分析了Z源/qiwsi-Z源间接矩阵变换器的调制方法，通过选择不同的开关序列使系统开关次数最低。因直通零矢量的插入，间接矩阵变换器的开关频率会大幅度提高。为了保证系统的安全工作，需要选择合适的幵关序列来减少系统的开关次数。本文分别对整流级和逆变级不同的幵关序列所带来的谐波和开关次数进行分析，在功率器件幵关频率允许范围内，选择得到一组合理的开关序列。
3)针对间接矩阵变换器共模电压高的问题，本文提出两种共模电压抑制方法。一种方法是通过合理选择两个有效矢量来代替零矢量，达到抑制共模电压的目的；另一个方法为重新划分逆变级调制矢量扇区，通过三个有效矢量来合成逆变级的调制矢量，进而减小共模电压，同时也减小了系统的开关次数，但其受到逆变级调制度的约束。两种方法均能够使系统的共模电压降低了 42%。
4)应用状态空间平均法建立所提出来的电路拓扑结构的动态模型，得到了系统的传递函数。同时，分别分析了在不同参数的变化下传递函数中的极点和右半平面零点的影响，并据此指导控制器系统的设计。5)提出一种直通零矢量占空比D双闭环控制方法。Z源/quasi-Z源间接矩阵变换器因在输入侧加入Z源/quasi-Z源电路，通过对D进行控制，使Z源/quasi-Z源电路起到缓冲器的作用，保证直流母线电压平稳，输入侧和输出侧的任何扰动不会影响到另一侧，克服传统矩阵变换器抗干扰能力差的缺点。通过电感电流内环和电容电压外环，来调节直通零矢量占空比D,保证直流母线电压稳定，同时限制电感电流，使系统不会有大的电流冲击，有利于系统的安全运行。
参考文献（略）