矩陣變換器若干關鍵問題研究.pdf

1、矩陣變換器因其在結構和功能上的諸多優(yōu)點，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ碾娏ψ儞Q裝置，是近年來的研究熱點。盡管關于矩陣變換器的研究成果很多，但依然存在一些重要問題未能十分滿意地解決，因此限制了矩陣變換器大規(guī)模工業(yè)應用的步伐。這些問題包括調(diào)制策略復雜、系統(tǒng)成本高、穩(wěn)定性問題、非線性問題和無功功率問題等共性問題以及具體應用問題。本文針對調(diào)制策略，非線性補償，系統(tǒng)穩(wěn)定性，衍生拓撲--四腳矩陣變換器的調(diào)制與控制，以及矩陣變換器在風力發(fā)電領域中的低成本應用等

2、方面進行了研究，并取得了系列進展。論文的研究工作包括：
　　 在調(diào)制策略方面。一方面，將矩陣變換器的兩類典型的調(diào)制策略--雙電壓合成調(diào)制和空間矢量調(diào)制策略統(tǒng)一起來，從數(shù)學的角度證明了它們的一致性，并從開關序列安排、原點開關的基本概念、功率因數(shù)控制、共模電壓、輸入電壓不平衡抑制等方面揭示了兩種調(diào)制策略的一致性，使得這兩類調(diào)制策略中研究成果可以互為借鑒，相互促進；另一方面，針對現(xiàn)有的調(diào)制策略中算法復雜等問題，提出了一種簡單通用的基于

3、數(shù)學構造的矩陣變換器調(diào)制策略，其核心在于調(diào)制矩陣的求解。根據(jù)虛擬整流、逆變過程，可初步得到一組滿足輸入輸出功能的過渡調(diào)制矩陣，然后在過渡調(diào)制矩陣的基礎上通過疊加偏置信號逐步構造出既滿足輸入輸出關系又滿足物理約束的調(diào)制矩陣。該調(diào)制方法簡單實用、電壓傳輸比高，通用性強，其通用性體現(xiàn)在偏置信號的選擇上，不同偏置信號的選擇對應不同性能的調(diào)制策略。
　　 針對雙級矩陣變換器的非線性問題。論文首先深入分析了其非線性根源，發(fā)現(xiàn)窄脈沖、器件電壓

4、降、濾波電容電壓紋波以及死區(qū)等均是影響系統(tǒng)非線性的重要原因，而且它們與調(diào)制策略、拓撲結構和運行狀態(tài)密切相關。尤為重要的是，分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有經(jīng)典算法在理論上必然導致窄脈沖問題的出現(xiàn)，而窄脈沖對系統(tǒng)的安全運行構成隱患，同時還會引起輸入輸出波形畸變。為保證系統(tǒng)可靠運行和補償非線性所帶來的負面影響，本文提出了一種修正調(diào)制算法，克服了已有調(diào)制算法在實現(xiàn)上的固有缺陷，有效地避免了窄脈沖問題的出現(xiàn)。并提出保證脈沖局部對稱性的死區(qū)補償策略，提高了輸入輸出波

5、形質(zhì)量。
　　 矩陣變換器穩(wěn)定性問題是該系統(tǒng)的一個根本問題。在恒功率負載的情況下，矩陣變換器閉環(huán)調(diào)制可能會導致系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。受阻抗比判據(jù)的啟發(fā)，本文提出了一種基于構造的矩陣變換器穩(wěn)定化方法，即構造適當?shù)男拚椧蕴岣呔仃囎儞Q器的輸入阻抗進而改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，論文給出了構造的依據(jù)和基本原則，并介紹了幾種不同類型的構造示例。本文還揭示了前期研究人員對相關問題所提方法的本質(zhì)，并將本文的方法和它們進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)基于構造的方法具有

6、足夠的自由度，能進一步擴大系統(tǒng)的穩(wěn)定域，且具有通用性。
　　 針對矩陣變換器驅(qū)動不平衡負載時零、負序負載擾動電流對輸出電壓的影響問題，本文提出一種基于載波調(diào)制的雙級四腳矩陣變換器解決方案。在調(diào)制策略層面，為了提高功率變換系統(tǒng)的綜合性能，提出了一種基于最優(yōu)馬爾可夫鏈的隨機載波四腳矩陣變換器調(diào)制策略。該調(diào)制策略是一種以隨機過渡矩陣為優(yōu)化變量，以開關次數(shù)和輸出電壓波形質(zhì)量為綜合優(yōu)化目標的優(yōu)化調(diào)制策略，同時能一定程度地減輕電磁干擾問題。

7、在控制策略層面，通常的辦法是將系統(tǒng)分解為正序、負序以及零序部分，然后在各個同步旋轉(zhuǎn)坐標系下分別采用PI調(diào)節(jié)器。顯然系統(tǒng)有多個控制器需要調(diào)節(jié)，而且坐標變換繁雜。本文提出一種基于魯棒自適應--反步控制法的控制方案，這是一種基于李亞普諾夫函數(shù)的遞推控制，可以嚴格保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，算法簡單，易于實現(xiàn)。
　　 關于矩陣變換器在風力發(fā)電中的應用問題，本文提出了兩種新穎的低成本發(fā)電系統(tǒng)方案。第一種方案為基于超級疏松矩陣變換器的永磁同步發(fā)電機的