具有高電壓傳輸比的新型矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)理論研究.pdf

1、矩陣變換器是一種具有簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和一系列理想電氣特性的新型電力變換器，是一項(xiàng)可有效消除電力諧波污染和電網(wǎng)無(wú)功損耗的關(guān)鍵技術(shù)，但因存在電壓傳輸比低的缺陷而限制了其工程應(yīng)用。據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究，通過(guò)改變調(diào)制策略以提高電壓傳輸比效果不太理想，如輸出波形的諧波過(guò)大。論文從改變矩陣變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)進(jìn)行研究，提出一組具有高電壓傳輸比的新型矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文中分別就其主電路方案、電壓傳輸特性、控制策略、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及仿真與實(shí)驗(yàn)等方面展開(kāi)了深入

2、研究。論文的主要研究工作包括： 結(jié)合傳統(tǒng)交直交型矩陣變換器和Boost、Buck-Boost等新型組合式逆變器的優(yōu)點(diǎn)，提出了一組具有高電壓傳輸比的新型矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別稱為BMC、BBMC、CMC、SMC及ZMC等。研究表明：這組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均能實(shí)現(xiàn)輸出電壓和頻率的任意調(diào)節(jié)，其電壓傳輸比既可大于1.0，也可小于1.0，且直接輸出高品質(zhì)的正弦波而無(wú)需濾波環(huán)節(jié)，諧波含量小，從而有效解決了傳統(tǒng)矩陣變換器電壓傳輸比低的難題。

3、針對(duì)該組新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓傳輸特性進(jìn)行了深入分析，建立了其電壓傳輸比與系統(tǒng)控制變量，即占空比之間函數(shù)關(guān)系的解析表達(dá)式，從而闡明了它們能實(shí)現(xiàn)電壓傳輸比任意可調(diào)的理論實(shí)質(zhì)。 根據(jù)該組新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)和功能上分為整流級(jí)和逆變級(jí)兩部分并可獨(dú)立控制的特點(diǎn)，借鑒傳統(tǒng)矩陣變換器已有調(diào)制策略及其它控制技術(shù)分別對(duì)其控制策略進(jìn)行了深入研究。整流級(jí)方面，研究采用無(wú)零矢量的空間矢量調(diào)制策略，闡述了其基本工作原理，并對(duì)其控制效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。而對(duì)于其

4、逆變級(jí)，因其均工作于變工作點(diǎn)工況而使其難以控制，文中分別研究了滑?？刂?、離散滑?？刂埔约半p閉環(huán)控制等三種控制方案，且均取得了成功；論文根據(jù)這三種控制方法的基本原理，分別就其應(yīng)用于逆變級(jí)控制的具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入研究。其中：(1)滑?？刂瓢ㄈ绾胃鶕?jù)電路的工作模式建立其數(shù)學(xué)模型、按照滑?？刂频幕疽髽?gòu)建系統(tǒng)的滑模面函數(shù)、研究滑模存在條件及對(duì)應(yīng)的變結(jié)構(gòu)控制方法，以及如何確定滑?？刂葡禂?shù)等。(2)離散滑?？刂葡鄬?duì)于滑模控制的主要特點(diǎn)在于它

5、使系統(tǒng)具有固定的開(kāi)關(guān)頻率。論文基于離散滑?？刂频幕驹砑捌湟话阍O(shè)計(jì)方法，通過(guò)將逆變級(jí)狀態(tài)方程離散化及構(gòu)建相應(yīng)的離散滑模面方程，成功實(shí)現(xiàn)了針對(duì)逆變級(jí)狀態(tài)變量的閉環(huán)控制。(3)雙閉環(huán)控制是基于反饋控制的基本原理并結(jié)合PID控制技術(shù)，通過(guò)兩個(gè)控制閉環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變級(jí)兩個(gè)狀態(tài)變量的解耦控制。該控制策略不僅控制方案簡(jiǎn)單，而且因其實(shí)現(xiàn)了對(duì)電感電流的直接控制而使它對(duì)外部干擾具有很強(qiáng)的魯棒性。論文還對(duì)這三種控制策略的不同特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，以便為實(shí)際應(yīng)用

6、提供更好的參考借鑒作用。 以BBMC為例，采用小信號(hào)分析法對(duì)其逆變級(jí)基于雙閉環(huán)控制策略的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。該分析法基于局部平均值的概念，針對(duì)逆變級(jí)的特定工作點(diǎn)，通過(guò)將其中的非線性功率開(kāi)關(guān)用相應(yīng)的等效電路模型代替，來(lái)獲得該逆變級(jí)的小信號(hào)近似線性電路模型，進(jìn)而獲得其基于雙閉環(huán)控制策略的閉環(huán)傳遞函數(shù)，然后采用頻率特性法對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。 在針對(duì)該組新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建模與仿真方面做了大量的研

7、究。分別構(gòu)建了針對(duì)BMC、BBMC、CMC、SMC及ZMC五種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分別采用滑?？刂?、離散滑?？刂埔约半p閉環(huán)控制時(shí)的仿真模型。這些仿真模型對(duì)于驗(yàn)證該組新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略的正確性、對(duì)于修正相關(guān)控制參數(shù)等具有重要作用。 研制了以DSP為系統(tǒng)控制器、以MOSFET為主電路功率開(kāi)關(guān)的BMC硬件實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)發(fā)了相關(guān)的應(yīng)用軟件，并結(jié)合應(yīng)用軟件對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了調(diào)試與測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析及仿真研究基本吻合，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了