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双级矩阵变换器及其控制策略研究

邓文浪  
【摘要】: 双级矩阵变换器(two-stage matrix converter,简称TSMC)由于克服了常规矩阵变换器(conventional matrix converter,简称CMC)控制策略复杂、开关数量多等缺点,成为目前颇具发展潜力的一种新型矩阵变换器。由于实际应用中的各种非理想运行条件和扰动,使得TSMC输出电压质量受到影响,其优良特性不能得到充分发挥。克服非理想运行条件和各种扰动影响、提高输出电压质量成为目前TSMC研究中亟待解决的问题。论文在研究TSMC空间矢量调制策略的基础上,从开环调制策略和闭环控制策略两个角度,对TSMC的输出电压控制策略展开了深入研究。论文的主要研究工作包括: 在调制策略研究方面,对目前普遍采用的整流级无零矢量的空间矢量调制法进行了改进。并提出了一种针对TSMC的双空间矢量调制策略及其简化算法,随后对基于双空间矢量调制策略的TSMC低频开关函数进行了推导,在变换关系上实现了非线性、不连续开关电路的连续化和线性化。 针对双空间矢量调制策略不能抑制非对称、畸变等非正常输入电压对TSMC输出产生影响的情况,对TSMC双空间矢量调制策略进行改进,提出了一种新的非正常输入电压表示方法以及抗扰分量的概念,通过在整流调制矢量中引入抗扰分量来提高TSMC输出电压波形质量。仿真结果表明,该方法不仅能对各种常见非正常输入电压引起的输出谐波进行有效抑制,而且简单易于实现。 利用dq变换,建立了同步旋转坐标系(dq坐标系)上的TSMC稳态模型。基于dq模型,对TSMC的功率特性进行了分析,并提出了一种利用dq模型计算控制变量的思路,解决了多控制目标下TSMC控制变量难以确定的问题。功率特性分析和计算方法对于TSMC系统的设计及控制具有一定的指导意义。 输出电压瞬时值反馈闭环控制是抑制多种扰动的合理方法。论文以TSMC逆变级为闭环控制对象,将输入电压扰动转化为逆变级输入侧直流电压的扰动,建立了基于三相静止坐标系的逆变级的标量数学模型。并引入合成矢量概念,建立了逆变级的合成矢量模型,将多输入多输出的控制对象模型简化为等效的单输入单输出模型。在此基础上对三种输出电压的闭环控制策略进行了深入研究。 对基于dq坐标系TSMC的PID控制策略展开研究,针对基于单序dq坐标系的PI控制对负载不平衡控制能力的不足,提出了基于双序dq坐标系TSMC输出电压的闭环控制策略。仿真结果表明,基于单序dq坐标系的PI控制对输入电压波动、负载变化等基波扰动具有较好的抑制效果。而基于双序dq坐标系的PI控制能够显著提高不平衡负载运行下TSMC输出电压的波形质量。 重复控制技术是抑制周期性谐波扰动的有效控制方法。论文以提高TSMC系统稳态精度为目标,首次将重复控制技术应用于TSMC控制中。针对重复控制系统动态响应能力的不足,提出了基于重复控制和PI控制的复合控制方法,改善了系统的动态性能。论文还指出了非周期性扰动对重复控制器产生干扰的问题,提出了复合控制器的一种改进方法,避免了非周期性扰动对重复控制器产生的影响。仿真结果证明了重复控制技术在谐波抑制上的显著效果以及复合控制方法的有效性。 针对TSMC系统的非线性、强耦合等特点,论文提出了基于自抗扰控制器(ADRC)的TSMC输出电压的闭环控制策略,利用ADRC对系统模型中的不确定因素和综合扰动进行动态观测与实时补偿。仿真结果表明,ADRC在各种扰动下具有良好的动静态性能。在相同的扰动情况下,ADRC不仅展现出比经典PID控制器更优异的动态性能,而且具有较强的谐波抑制能力,能够在输入电压异常、负载不平衡等情况下保证系统具有较高的稳态精度。


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