AC-DC矩陣變換器調(diào)制與控制策略的研究.pdf

1、AC-DC矩陣變換器是一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)新穎的降壓型通用整流裝置，由于無需大容量儲能元件，所以具有結(jié)構(gòu)緊湊、能量密度高、可靠性和可維護(hù)性好的優(yōu)點(diǎn)，非常適合對重量、體積、效率和可靠性要求較高的應(yīng)用場合。同時，其正弦輸入電流的功率因數(shù)可以自由調(diào)節(jié)，最高可達(dá)1，具有天然的能量回饋能力，可以輸出雙極性電壓并導(dǎo)通雙向電流，允許負(fù)載四象限運(yùn)行，符合理想整流器的基本要求。本文將理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，系統(tǒng)、深入地研究了AC-DC矩陣變換器的空

2、間矢量調(diào)制策略、新型非線性控制策略和諧振抑制方法等關(guān)鍵技術(shù)問題，為AC-DC矩陣變換器的實(shí)用化提供了理論支持和技術(shù)準(zhǔn)備。
　　本文首先從AC-DC矩陣變換器的空間矢量調(diào)制策略出發(fā)，深入分析了AC-DC矩陣變換器的變換關(guān)系。為了抑制共模電壓峰值和減少窄脈沖的產(chǎn)生，提出了一種利用有效電流矢量代替零電流矢量的改進(jìn)型空間矢量調(diào)制策略及其優(yōu)化的開關(guān)調(diào)制模式。然后在考慮換流時間的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了使用傳統(tǒng)空間矢量調(diào)制策略搭配不同開關(guān)調(diào)制模式，及使

3、用改進(jìn)型空間矢量調(diào)制策略時，窄脈沖產(chǎn)生幾率與調(diào)制度和扇區(qū)角度的關(guān)系表達(dá)式。理論分析證明，所提算法不僅對共模電壓幅值、有效值和諧波含量有明顯的抑制效果，還可在更寬的調(diào)制度范圍內(nèi)獲得較優(yōu)的輸入、輸出性能。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了算法的可行性和有效性。
　　針對AC-DC矩陣變換器抗電網(wǎng)畸變能力較差的問題，首先定量分析了AC-DC矩陣變換器在電源電壓幅值不平衡和波形非正弦情況下的工作特性，推導(dǎo)了輸入、輸出各電量的解析表達(dá)式。然后提出了一種α

4、β坐標(biāo)系下空間矢量調(diào)制策略的通用實(shí)現(xiàn)方法，其特點(diǎn)是可以靈活構(gòu)造期望輸入電流矢量，改變AC-DC矩陣變換器的工作特性。最后以獲得平直的輸出直流電壓為目的，提出了一種期望輸入電流矢量的構(gòu)造方法，可以同時補(bǔ)償電源電壓矢量幅值和角速度不恒定造成的輸出直流電壓脈動。同時，該補(bǔ)償控制策略有效減少了開平方、三角函數(shù)和反三角函數(shù)等復(fù)雜運(yùn)算的次數(shù)，更利于工程實(shí)現(xiàn)。理論分析的正確性和算法的可行性得到了仿真實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。
　　提出了一種基于空間矢量表達(dá)和

5、滑模變結(jié)構(gòu)的非線性控制策略。推導(dǎo)了AC-DC矩陣變換器的誤差狀態(tài)空間模型，討論了滑模切換線的選取方法，給出了滑動模態(tài)的可到達(dá)條件并設(shè)計(jì)了開關(guān)表。著重研究了控制器參數(shù)對變換器性能的影響，從最大化滑模存在域?qū)挾群徒档烷_關(guān)頻率的角度出發(fā)，給出了控制器參數(shù)選擇方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，基于本控制策略的AC-DC矩陣變換器具有算法簡單、無穩(wěn)態(tài)誤差、動態(tài)響應(yīng)速度快、抗網(wǎng)側(cè)干擾能力強(qiáng)和輸入功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。
　　輸入LC濾波器是AC-DC矩陣變換器中

6、不可或缺的重要組成部分，但是其固有的諧振特性易被電源電壓中的諧波污染或輸入電流中的諧波分量激發(fā)，造成變換器無法正常工作。為了在抑制輸入濾波器諧振的同時，改善AC-DC矩陣變換器的運(yùn)行特性，提出了一種兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙閉環(huán)反饋控制策略。分別利用單周期控制技術(shù)和經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)了輸入電流內(nèi)環(huán)控制器和負(fù)載電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器，并從數(shù)學(xué)的角度討論了單周期控制策略與空間矢量調(diào)制策略的異同點(diǎn)。提出了一種具有選頻特性的主動阻尼控制策略，并將其與輸入電

7、流內(nèi)環(huán)控制器相結(jié)合，避免了類似算法中復(fù)雜的歸一化和三角函數(shù)運(yùn)算，降低了軟件復(fù)雜度。在考慮實(shí)際控制器延時的基礎(chǔ)上，分析了控制器參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。提出了一種基于DSP和CPLD的單周期控制器實(shí)現(xiàn)方法，使得數(shù)字化單周期控制成為可能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提算法的有效性和數(shù)字單周期控制的可行性。
　　本文通過對AC-DC矩陣變換器調(diào)制策略和控制策略的研究，得出了一些有意義的經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論，為AC-DC矩陣變換器進(jìn)一步的實(shí)用化研究提供了一定的技