具有高電壓傳輸比的新型矩陣變換器拓撲結構及其基礎理論研究.pdf

1、矩陣變換器是一種具有簡單拓撲結構和一系列理想電氣特性的新型電力變換器，是一項可有效消除電力諧波污染和電網無功損耗的關鍵技術，但因存在電壓傳輸比低的缺陷而限制了其工程應用。據國內外的研究，通過改變調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大。論文從改變矩陣變換器主電路拓撲結構出發(fā)進行研究，提出一組具有高電壓傳輸比的新型矩陣變換器拓撲結構。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)定性以及仿真與實驗等方面展開了深入

2、研究。論文的主要研究工作包括： 結合傳統(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，提出了一組具有高電壓傳輸比的新型矩陣變換器拓撲結構，分別稱為BMC、BBMC、CMC、SMC及ZMC等。研究表明：這組拓撲結構均能實現輸出電壓和頻率的任意調節(jié)，其電壓傳輸比既可大于1.0，也可小于1.0，且直接輸出高品質的正弦波而無需濾波環(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、針對該組新型拓撲結構的電壓傳輸特性進行了深入分析，建立了其電壓傳輸比與系統(tǒng)控制變量，即占空比之間函數關系的解析表達式，從而闡明了它們能實現電壓傳輸比任意可調的理論實質。 根據該組新型拓撲結構在結構和功能上分為整流級和逆變級兩部分并可獨立控制的特點，借鑒傳統(tǒng)矩陣變換器已有調制策略及其它控制技術分別對其控制策略進行了深入研究。整流級方面，研究采用無零矢量的空間矢量調制策略，闡述了其基本工作原理，并對其控制效果進行了仿真驗證。而對于其

4、逆變級，因其均工作于變工作點工況而使其難以控制，文中分別研究了滑?？刂啤㈦x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；論文根據這三種控制方法的基本原理，分別就其應用于逆變級控制的具體設計方法進行了深入研究。其中：(1)滑?？刂瓢ㄈ绾胃鶕娐返墓ぷ髂Ｊ浇⑵鋽祵W模型、按照滑模控制的基本要求構建系統(tǒng)的滑模面函數、研究滑模存在條件及對應的變結構控制方法，以及如何確定滑?？刂葡禂档?。(2)離散滑?？刂葡鄬τ诨？刂频闹饕攸c在于它

5、使系統(tǒng)具有固定的開關頻率。論文基于離散滑模控制的基本原理及其一般設計方法，通過將逆變級狀態(tài)方程離散化及構建相應的離散滑模面方程，成功實現了針對逆變級狀態(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合PID控制技術，通過兩個控制閉環(huán)實現對逆變級兩個狀態(tài)變量的解耦控制。該控制策略不僅控制方案簡單，而且因其實現了對電感電流的直接控制而使它對外部干擾具有很強的魯棒性。論文還對這三種控制策略的不同特點進行了對比分析，以便為實際應用

6、提供更好的參考借鑒作用。 以BBMC為例，采用小信號分析法對其逆變級基于雙閉環(huán)控制策略的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了分析。該分析法基于局部平均值的概念，針對逆變級的特定工作點，通過將其中的非線性功率開關用相應的等效電路模型代替，來獲得該逆變級的小信號近似線性電路模型，進而獲得其基于雙閉環(huán)控制策略的閉環(huán)傳遞函數，然后采用頻率特性法對其穩(wěn)定性進行了分析，并對分析結果進行了仿真驗證。 在針對該組新型拓撲結構的建模與仿真方面做了大量的研

7、究。分別構建了針對BMC、BBMC、CMC、SMC及ZMC五種不同拓撲結構，并分別采用滑?？刂啤㈦x散滑?？刂埔约半p閉環(huán)控制時的仿真模型。這些仿真模型對于驗證該組新型拓撲結構及其控制策略的正確性、對于修正相關控制參數等具有重要作用。 研制了以DSP為系統(tǒng)控制器、以MOSFET為主電路功率開關的BMC硬件實驗裝置，開發(fā)了相關的應用軟件，并結合應用軟件對該實驗裝置進行了調試與測試，實驗結果與理論分析及仿真研究基本吻合，從而進一步驗證了