矩阵变换器的自调整模糊PID闭环控制

摘要

矩阵变换器(MC)是一种新型的直接交交功率变换装置，其优点是：1)输出电压和输入电流波形均为正弦波，谐波含量少；2)无中间直流环节，体积小，动态响应快、功率密度大；3)电能可双向流动；4)输出幅值、频率和网侧功率因数可独立控制；5)不同的控制规律，可实现整流、逆变等变换。在变频调速及变速恒频风力发电领域具有重大的实际应用价值。
　　 分析了矩阵变换器的基本结构、工作原理和换流问题，构建了矩阵变换器双电压控制算法和双空间矢量控制算法的仿真模型。为实现输出线电压10Hz到25Hz的频率变换，仿真分析了四种不同工况下的双电压控制算法、平衡及畸变下输入电压的双空间矢量控制算法，验证了双电压合成控制算法抗干扰能力更强。
　　 为改善矩阵变换器(MC)在负载不平衡工况下输出的稳定性，在分析了双空间矢量控制算法仿真模型的基础上，提出一类带修正函数的模糊PID闭环控制器。将矩阵变换器输出线电压进行park变换得到d-q坐标下的直流分量，利用改进的模糊PID控制器跟踪控制输出给定电压的d，q分量。修正函数为指数函数，以误差及增量为自变量，根据误差变化规律合理调整修正函数的参数。为消除系统稳态误差，提高模糊控制器控制精度，融入线性插值算法，利用协调因子改变模糊控制和PID控制输出权重。仿真结果表明，该策略可改善系统的控制品质，使MC获得良好的动、静态性能。
　　 实验室制作了一台功率为5kW的矩阵变换器用于实验研究。借助样机，分析了矩阵变换器的总体结构、系统仿真、主电路、控制电路等相关硬件的工作原理。实现了矩阵变换器双空间矢量算法软件编程及实验，结果验证了矩阵变换器设计的正确性和可行性。