具有高电压传输比的新型矩阵变换器拓扑结构及其基础理论研究

摘要

矩阵变换器是一种具有简单拓扑结构和一系列理想电气特性的新型电力变换器，是一项可有效消除电力谐波污染和电网无功损耗的关键技术，但因存在电压传输比低的缺陷而限制了其工程应用。据国内外的研究，通过改变调制策略以提高电压传输比效果不太理想，如输出波形的谐波过大。论文从改变矩阵变换器主电路拓扑结构出发进行研究，提出一组具有高电压传输比的新型矩阵变换器拓扑结构。文中分别就其主电路方案、电压传输特性、控制策略、系统稳定性以及仿真与实验等方面展开了深入研究。论文的主要研究工作包括： 结合传统交直交型矩阵变换器和Boost、Buck-Boost等新型组合式逆变器的优点，提出了一组具有高电压传输比的新型矩阵变换器拓扑结构，分别称为BMC、BBMC、CMC、SMC及ZMC等。研究表明：这组拓扑结构均能实现输出电压和频率的任意调节，其电压传输比既可大于1.0，也可小于1.0，且直接输出高品质的正弦波而无需滤波环节，谐波含量小，从而有效解决了传统矩阵变换器电压传输比低的难题。 针对该组新型拓扑结构的电压传输特性进行了深入分析，建立了其电压传输比与系统控制变量，即占空比之间函数关系的解析表达式，从而阐明了它们能实现电压传输比任意可调的理论实质。 根据该组新型拓扑结构在结构和功能上分为整流级和逆变级两部分并可独立控制的特点，借鉴传统矩阵变换器已有调制策略及其它控制技术分别对其控制策略进行了深入研究。整流级方面，研究采用无零矢量的空间矢量调制策略，阐述了其基本工作原理，并对其控制效果进行了仿真验证。而对于其逆变级，因其均工作于变工作点工况而使其难以控制，文中分别研究了滑模控制、离散滑模控制以及双闭环控制等三种控制方案，且均取得了成功；论文根据这三种控制方法的基本原理，分别就其应用于逆变级控制的具体设计方法进行了深入研究。其中：(1)滑模控制包括如何根据电路的工作模式建立其数学模型、按照滑模控制的基本要求构建系统的滑模面函数、研究滑模存在条件及对应的变结构控制方法，以及如何确定滑模控制系数等。(2)离散滑模控制相对于滑模控制的主要特点在于它使系统具有固定的开关频率。论文基于离散滑模控制的基本原理及其一般设计方法，通过将逆变级状态方程离散化及构建相应的离散滑模面方程，成功实现了针对逆变级状态变量的闭环控制。(3)双闭环控制是基于反馈控制的基本原理并结合PID控制技术，通过两个控制闭环实现对逆变级两个状态变量的解耦控制。该控制策略不仅控制方案简单，而且因其实现了对电感电流的直接控制而使它对外部干扰具有很强的鲁棒性。论文还对这三种控制策略的不同特点进行了对比分析，以便为实际应用提供更好的参考借鉴作用。 以BBMC为例，采用小信号分析法对其逆变级基于双闭环控制策略的闭环系统稳定性进行了分析。该分析法基于局部平均值的概念，针对逆变级的特定工作点，通过将其中的非线性功率开关用相应的等效电路模型代替，来获得该逆变级的小信号近似线性电路模型，进而获得其基于双闭环控制策略的闭环传递函数，然后采用频率特性法对其稳定性进行了分析，并对分析结果进行了仿真验证。 在针对该组新型拓扑结构的建模与仿真方面做了大量的研究。分别构建了针对BMC、BBMC、CMC、SMC及ZMC五种不同拓扑结构，并分别采用滑模控制、离散滑模控制以及双闭环控制时的仿真模型。这些仿真模型对于验证该组新型拓扑结构及其控制策略的正确性、对于修正相关控制参数等具有重要作用。 研制了以DSP为系统控制器、以MOSFET为主电路功率开关的BMC硬件实验装置，开发了相关的应用软件，并结合应用软件对该实验装置进行了调试与测试，实验结果与理论分析及仿真研究基本吻合，从而进一步验证了该组新型拓扑结构及其调制策略的正确性。同时，该实验装置也为进一步修正相关电路参数与控制参数，为该组新型拓扑结构的进一步完善及其今后实现工程化应用打下了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.2矩阵变换器

1.2.1交交型矩阵变换器研究概况

1.2.2交直交型矩阵变换器研究概况

1.3矩阵变换器电压传输比的研究现状

1.3.1电压传输比(≤0.866)的研究阶段

1.3.2电压传输比(＞0.866)的研究阶段

1.4新型矩阵变换器拓扑结构研究概况

1.5论文的研究内容

第二章 具有高电压传输比的新型矩阵变换器拓扑结构

2.1引言

2.2组合式逆变器概述

2.2.1 Boost DC-AC逆变器的拓扑结构及其基本工作原理

2.2.2 Buck-Boost DC-AC逆变器的拓扑结构及其基本工作原理

2.2.3其它组合式逆变器简介

2.2.4五种组合式逆变器的对比分析

2.3具有高电压传输比的新型矩阵变换器拓扑结构

2.4与MMC及混合式双级矩阵变换器拓扑结构的对比分析

2.4.1与MMC拓扑结构的对比分析

2.4.2与混合式双级矩阵变换器拓扑结构的对比分析

2.5本章小结

第三章新型矩阵变换器的电压传输特性研究

3.1引言

3.2传统矩阵变换器基于线性调制区的电压传输特性分析

3.3基于谐波注入和过调制法的传统矩阵变换器电压传输特性分析

3.3.1矩阵变换器双空间矢量调制基本原理

3.3.2矩阵变换器谐波注入控制法

3.3.3矩阵变换器过调制控制法

3.3.4系统仿真及试验

3.3.5两种控制方法的对比分析

3.4新型矩阵变换器拓扑结构的电压传输特性分析

3.5本章小结

第四章新型矩阵变换器拓扑结构的控制策略研究

4.1引言

4.2整流级无零矢量的空间矢量调制策略

4.2.1基本原理

4.2.2仿真研究

4.3逆变级滑模控制策略研究

4.3.1滑模控制基本原理简介

4.3.2 BMC逆变级滑模控制策略研究

4.3.3 BBMC逆变级滑模控制策略研究

4.3.4仿真研究

4.4逆变级离散滑模控制策略研究

4.4.1离散滑模控制基本原理

4.4.2离散滑模控制的一般设计方法

4.4.3 BMC逆变级离散滑模控制策略研究

4.4.4 BBMC逆变级离散滑模控制策略研究

4.4.5仿真研究

4.5逆变级双闭环控制策略研究

4.5.1 BMC逆变级双闭环控制策略研究

4.5.2 BBMC逆变级双闭环控制策略研究

4.5.3其它三种拓扑结构逆变级的双闭环控制策略研究

4.5.4仿真研究

4.6逆变级三种控制策略的对比分析

4.7本章小结

第五章 新型矩阵变换器逆变级的稳定性分析

5.1引言

5.2有关功率变换器非线性分析的基本原理

5.2.1 PWM开关的含义

5.2.2非线性分析的基本方法

5.2.3 PWM开关的建模与分析

5.3基于双闭环控制策略的BBMC逆变级稳定性分析

5.3.1 BBMC逆变级小信号建模及开环稳定性分析

5.3.2基于双闭环控制策略的BBMC逆变级闭环系统稳定性分析

5.4本章小结

第六章新型矩阵变换器的实验研究

6.1 BMC实验装置的基本构成

6.2 BMC实验装置的硬件电路设计

6.2.1 TMS320LF2407 DSP简介

6.2.2 BMC主电路及其驱动电路设计

6.2.3 BMC整流级四步换流电路设计及硬件开关函数表

6.2.4隔离电源设计

6.2.5同步过零检测电路设计

6.3软件设计

6.3.1主程序流程

6.3.2捕捉中断服务子程序

6.3.3比较中断服务子程序和下溢中断服务子程序

6.4实验结果与分析

6.5本章小结

第七章结论与展望

7.1全文总结

7.2对今后工作的展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的主要成果