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双级式矩阵变换器控制策略研究

张海军  
【摘要】:相较于传统交-直-交变换器,矩阵变换器保留了其良好的输入输出特性和能量双向流通等优点的同时,省去了中间储能环节,进而提高了变换装置功率密度。其中,双级式矩阵变换器因其整流级和逆变级物理上的独立,相较于直接式矩阵变换器,调制策略和换流方式得以一定程度简化。此外,虚拟直流母线的存在使得多逆变器输出成为可能,使其更适用于多驱动系统。本文以双级式矩阵变换器为研究对象,分别针对网侧功率因数控制和模型预测控制两方面展开研究。本文首先从双级式矩阵变换器的基本原理出发,基于其拓扑结构建立输入输出之间开关函数矩阵。在此基础上引入双空间矢量调制策略,并针对整流级、逆变级和两级之间的协调控制三部分进行详细阐述。最后搭建了小功率的双级式矩阵变换器实验平台,并简要介绍了其系统硬件构造和控制系统架构。论文其次针对网侧功率因数易受系统参数影响的问题,建立了系统数学模型,并基于此对网侧功率因数进行了详细分析。为解决输入滤波器引起网侧电流相位移动问题,提出一种低复杂度的输入电流控制方法,对网侧电压和电流进行重构,使得不同物理量之间的闭环跟踪成为可能。基于αβ静止坐标系设计的闭环控制结构较为简单,无需复杂的电压锁相环设计,在获得较好控制性能的同时,一定程度上降低了算法复杂度。针对三相输入平衡情况下网侧功率因数不为1的问题,进一步提出一种低成本的相角补偿方法。相较于既有算法,所提方法利用单相之间相位差反映三相合成矢量之间相位差,只需一个电流传感器采集单相信息,进而能够降低系统硬件成本。最后针对模型预测相关技术展开研究,首先建立了双级式矩阵变换器开关模型和输入输出预测模型,为降低既有调制型模型预测控制算法运算量,提出一种混合调制型模型预测。该方法在保留传统调制型模型预测算法优异的动稳态性能的同时,控制系统运算量亦得到一定程度降低。以上所有研究内容均得到了仿真和实验验证。


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