（电力电子与电力传动专业论文）矩阵变换器的优化斩波与自抗扰控制.pdf

兰壹登三奎兰三兰堡主堂堡堡苎 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ea p p l i c a t i o no fm o d e r nc o n t r o lt h e o r i e si nm a t r i xc o n v e r t e ri s i n v e s t i g a t e db a s e do nt h er e v i e wo ft h ep r e s e n tc o n t r o la l g o r i t h m s t h ea u t h o r p r o p o s e s t h eo p t i m a l c h o p p i n gt e c h n i q u ea n dt h e a u t o d i s t u r b a n c er e j e c t i o n c o n t r o lt e c h n i q u ef o rm a t r i xc o n v e r t e r a n dt h ed e t a i l e ds t u d yi sd o n eo nt h ed e s i g n o fm a t r i xc o n v e r t e r f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tr e a l i z a t i o nw a y s ，ar e v i e wi sp r e s e n t e d t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h ep r e s e n tw o r k si nt h i sf i e l da n dc o m m e n to nt h e m i nt h e c o n c l u s i o no ft h i sc h a p t e r ，t h ea u t h o rg i v e st h ep r o s p e c to ft h ea p p l i c a t i o no f m o d e r nc e n t r e lt h e o r i e si nm a t r i xc o n v e r t e r t h ew o r k i n gm e c h a n i s mo fm a t r i xc o n v e r t e ri sak i n do fh i g hf r e q u e n c ya c c h o p p i n gi ne s s e n c e b yc h o p p i n gt h es n i p p e t so ft h ei n p u tv o l t a g e o u t p u tc u r r e n t w a v e f o r m ss i m i l a rm o s tt ot h ee x p e c t e do u t p i u t i n p u to n e s ，e x p e c t e dw a v e f o r m sa r e s y n t h e s i z e d t h ec o n t r o lo fm a t r i x c o n v e r t e ri st h e nt r a n s f o r m e dt ot h et a s k s e a r c h i n gt h eo p t i m a ls w i t c h i n gs e r i e sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tc o n t r o lo b j e c t i v e s 。 t h i st h e s i sa d o p t sg e n e t i ca l g o r i t h mt od e a lw i t ht h i st a s kw h i c hh a v i n gn o n l i n e a r p a r a l l e ls e a r c h i n ga b i l i t y b u tt h es i m p l eg a c a nn o te n s u r et h ec o n v e t g e n c e ，a n di s e a s yt ob ep r e m a t u r e t h ea u t h o rp r o p o s e st h eo p t i m a lc h o p p i n gt e c h n i q u e f o r m a t r i xc o n v e r t e ra d o p t i n gi m p r o v e dg a t h eo p t i m a lc o n t r o lc a nb ea c h i e v e di n t h e o r y t h et e c h n i q u ei sv e r ye a s yt ob er e a l i z a t e db yl o o k i n gu pt a b l e s oi th a st h e m e r i to fs i m p l e n e s sa n db e i n ge a s yt ob ei m p l e m e n t a t e d b e c a u s et h e i n p u ta n do u t p u tl i n e s o fm ca r ec o n n e c t e dd i r e c t l y ，t h e d i s t u r b a n c ea n du n b a l a n c eo fi n p u te n di n f l u e n c et h eq u a l i t yo fo u t p u tw a v e f o r m s t h es e r i e sc o n n e c t i o no fv i r t u a lr e c t i f i e ra n dv i r t u a li n v e r t e ri sm a d ea st h e e q u i v a l e n t c i r c u i to fm cb a s e do nt h es o u lo fi n d i r e c tc o n t r 0 1 v i ap a r k t r a n s f o r m a t i o n t h em o d e lo fm a t r i xc o n v e r t e ri nd - qf r a m ei sb u i l t t h ev i r t u a l i n v e r t e ri sc o n t r o l l e db ya u t o d i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o lt h e o r yt oe l i m i n tt h e i n f l u e n c eo fi n n e ra n do u t e rd i s t u r b a n c ea n dt or e a l i z ef a s ta e c u t a t et r a c k i n go f o u t p u tc u r r e n ta tt h es a m et i m er e g a r d i n gt h ec r o s s c o u p l i n ga n du n c e r t a i ni t e m so f m a t r i xc o n v e r t e rm o d e la ss y s t e m si n n e rd i s t u r b a n c e a n dt h ec e n t r e lq u a n t i t yt h e a d r co u t p u t si s i m p l e m e n t t a t e db ys p a c ev e c t o r m o d u l a t i o ns t r a t e g y t h e s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ec o n t r o la l g o r i t h mp o s s e s s e st h ea d v a n t a g e so f g o o ds t e a d ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s a n di ti ss t r o n g l yr o b u s t 垒量兰! 墨垒曼! l a s to fa l l ，t h ed e s i g no fm a t r i xc o n v e r t e ri si n v e s t i g a t e di nd e t a i l a n dt h e p r o t o t y p ei s s e t u pt e n t a t i v e l y t h em o s f e t sa r ea d o p t e dt oc o n s t r u c tt h e c o m b i n e dt y p eb i d i r e c t i o n a ls w i t c h e si nc o m m o ne m i t t e rs t r u c t u r e a n dt h e v a r i s t o r sa n dt v s e sa r ea d o p t e dt oc o n s t r u c tt h ep r o t e c t i o nc i r c u i ti nt e a mw o r k t h em u l t i o u t p u ta u x i l i a r yp o w e rs u p p l yi sc o n s t r u c t e db a s e do nt h es t r u c t u r eo f f l y b a c k c o n v e r t e r s a t l a s t ，t h ei m p l e m e n t a t i o n o fc o n t r o l a l g o r i t h m a n d c o m m u t a t i o ns t r a t e g yi ss t u d i e dt os e t t l ef o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n tr e s e a r c hw o r k t h er e s e a r c hw o r kh a sb e e ns u p p o r t e db yt h ei m p o r t a n tr e s e a r c hp r o j e c t so f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f t e n t hf i v e g u a n g d o n gp r o v i n c e t h ep r o j e c tn a m ei s w i n d s o l a rh y b r i dg e n e r a t i n gs y s t e m i t sn u m b e ri sa10 5 0 4 01 k e y w o r d ：m a t r i xc o n v e r t e r m o d e l l i n g s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n i l l g e n e t i ca l g o r i t h m i n d i r e c tc o n t r o l a u t o d i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名2 力为画峨 日期：2 0 0 5 年5 月3 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 帕圆峨 要也 日期：2 0 0 5 年5 月3 0 日 日期：2 0 0 5 年5 月3 0 日 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着电力电子技术、计算机技术与控制技术的迅猛发展，功率变换技术取得 长足进步，各类静止变流器广泛地应用于各行各业和日常生活中。然而，随着电 力电子装置数量和容量的急剧增加，它们给电力系统构成了前所未有的严重污 染。受到污染的电能会导致电能损耗增加、对继电器等自动控制装置产生干扰、 造成电能计量误差、对输电线附近的通信线路产生干扰、引起无功补偿电容器组 谐振等诸多负面效应。电网污染的问题己引起人们广泛关注和重视。相比在电力 系统中投入大容量滤波器的方案，使用不产生谐波和无功的“绿色”变换器的方 案更为积极可行。因而，“绿色”变换器的研制显得甚为迫切。 另外，近年来新能源技术方兴未艾。针对如何高效利用可再生能源，以及太 阳能和风能等能源显著的问歇性等问题，研究者进行了不懈的研究。变速恒频 ( v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y ，v s c f ) 风力发电是现今最先进的风力发 电技术【。该发电系统采用双馈电机( 特别是无刷双馈电机) 作为风力发电机， 根据风轮机转速变化来调节励磁电流的频率，实现变速恒频发电；通过改变励磁 电流的幅值和相位，以捕获最大风能，同时实现有功和无功功率的调节。变速恒 频发电可以减小风轮机的机槭应力，最大限度地捕获风能，使风轮机在大范围内 按照最佳效率运行。其技术核心是交流励磁技术，这有赖于输入输出性能好、 无电力谐波、特别是功率可双向流动、低频( 风枫的转差频率) 性能好的“绿色” 变换器的研制。 常规功率变换器应用最为广泛的是交一直一交通用交频器与用于低速高压 大功率的周波变换器，然而这两种变换形式存在诸多不足。交一直一交通用变频 器，通常采用不可控整流器一大电容滤波电路输入结构。非线性元件与储能元件 的组合，使得其输入功率因数低，输入电流波形严重畸变。而且大体积的无源元 件造成系统成本上升、集成度低、可靠性降低等闯题。周波变换器由三套可逆燕 流装置组成，采用移相触发的控制方式。这会引起电流与电压波形的畸变，无论 是输入端还是输出端都含有丰富的谐波，造成严重的谐波效应。而且其最高输出 频率一般不超过电源频率的1 3 1 2 ，功率因数低，因而仅适用与大功率电机低 速调节和大型水轮发电机的交流励磁。 矩阵变换器( m a t r i xc o n v e r t e r ，m c ) 正是一种新型的“绿色”变换器，除 了必需的为消除开关纹波的小容量高频滤波器外，不含任何无源元件。如果实施 良好的控制算法，基本不需要开关缓冲电路。矩阵变换器具有众多优越的性能： 1 华南理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 提供正弦的输出电压，并从电网中吸收正弦的输入电流。 ( 2 ) 无中间直流环节。不需大容量的滤波电容，因而动态响应快、功率密 度大。 ( 3 ) 它属于交一交直接变换，能量可双向流动且传送功率大，适用于大功 率电机四象限运行场合。 ( 4 ) 可实现输出幅值、频率和网侧功率因数的独立控制。既可用于电机驱 动，又可用于电力系统无功补偿，并且不需要大容量的电抗元件。 ( 5 ) 同一套硬件装置，借助不同的控制规律，可实现整流、逆交等变换。 也可以实现某些特殊变换，例如单相到单相t 2 , 3 1 或单相到三相变换。 当然，结构的简单必然带来控制电路复杂的弊端，不过随着信息电予技术的 发展，这将不是主要障碍。矩阵交换器最大的缺陷在于其电压增益( 输出输入电 压幅值之比) 较低，最大只有0 8 6 6 1 。尽管如此，并不会影响它在电压要求低、 励磁电压可灵活设计的双馈发电机中的应用。因而，矩阵变换器一经提出就引起 各国学者的研究兴趣。 1 2 矩阵变换器的研究现状 矩阵变换器又称强迫换流周波交换器( f o r c e dc o m m u t a t e dc y c l o c o n v e n e r ， f c c ) 、直接频率变换嚣( d i r e c tf r e q u e n c yc o n v e r t e r ，d f c ) 与通用交换器 ( g e n e r a l i z e dt r a n s f o r m e r ，g t ) 。其学术构想由l g y u g y i 和b r p e l l y 在1 9 7 6 年首度提出1 5 1 ，但他们当时并没有进行严格的理论证明。直到1 9 7 9 年 m v e n t u r i n i 和a a l e s i n a 提出了矩阵变换器存在理论后【6 0 “，矩阵交换器才受到 各国学者的广泛关注和研究 早期矩阵变换器的研究，着重于其机理的数学论证和调制策略的探讨。十 世纪8 0 年代后期至9 0 年代初期，随着徽电子技术、计算机技术的迅猛发展，开 始出现仿真模型和实验样机。双向开关的多步换流技术推广开来，矩阵变换器的 研制形成热点。9 0 年代后期以来，矩阵变换器的研究曰益活跃，呈现逐步加快 的趋势。矩阵变换器的理论体系虽已逐步完善，但尚未能实现产品化，许多问题 还有待解决。现今，矩阵变换器常用的仿真工具有m a t l a b 、p s p i c e 、s a b e r 等软 件，开关器件集中于m o s f e t 和i g b t 等高速全控器件，控制嚣也从单片机进 入d s p 层次。国际上每年相关的学术会议上，如著名的i e e e - - i a s 、p e s c 和 i e c o n 等，都有矩阵变换器方面相关文章发表。欧渊e c p e a 会议已经将矩阵变 换器作为一个专题进行研讨。对矩阵变换器的研究正吸引着越来越多的学者，并 不断取得积极成果。 矩阵变换器的存在理论，实际上给出了第一种控制方法，它虽然解决了谐波 2 第一章绪论 问题，但存在电压增益最大为o 5 的严重缺陷【川。为解决该方案的不足，先后有 不少学者从不同的角度提出了控制方案，研究较多的是空间矢量调制【6 4 1 和双电 压合成控制【4 引。早期的研究并不考虑输入滤波器的影响，而且假定输入电源三 相对称。相对交一直一交式变换器而言，矩阵变换器由于没有中间直流电容，其 输出电压和输入电流对输入电源更加敏感，一些学者对此展开研究 1 2 17 1 ，分据 表明；在非对称输入电压条件下，输出电压中含有谐波分量，且可能禽有低予期 望输出频率的谐波；为了获得优质的输出电压，必须仔细选择p w m 控制策略。 实际上，对矩阵交换器实施闭环控制，是消除电源不对称输入影响的一种有效措 施。然而，尽管现有控制算法繁多，但它们多以输出电压为控制目标，基本上是 开环控制，闭环控制的研究少见报道，现代控制理论在矩阵变换器中的应用更是 刚刚起步。 矩阵变换器由于具有输出电压输入电流均为正弦量、双向功率流动、输入端 功率因数可调等优越性能，所以具有广阔的应用前景，矩阵变换器的应用研究也 拓展其研究领域。传统变频器在交流电机调速领域的应用已经很成熟，矩阵变换 器在这一领域的应用研究【l | 五3 1 。主要集中于传统变频器难以实现的场合： ( 1 ) 频繁四象限运行。这时矩阵变换器通常将自身的功率双向流动能力和矢量控制、 转矩控制等调速方法结合起来，实现电机的高性能运行；( 2 ) 在高温、震动等 恶劣环境以及对可靠性要求很严格的应用场合，矩阵变换器相比而言更有优势； ( 3 ) 对装置体积与重量有严格要求的场合如电动汽车、军用汽车、战车等地方， 由于矩阵变换器取消了大体积的直流储能环节。非常适合与电机安装在一起构成 整体韵系统，从而实现电力电子与传动系统高度集成的矩阵变换器电机系统。 随着矩阵变换器的出现，将其应用到双馈电机的控制中也倍受关注。文 2 4 ，2 5 】 提出了一种利用双馈电机傲风力发电机的新方法，实现了变速恒频运行。矩阵变 换器同时控制转予电压和变换器输入电流为正弦量，实现定子输送有功无功的闭 环控制。矩阵变换器采用空间矢量调制，而发电机转速、定子电流有功无功控制 通过定子磁场定向原理实现。两者结合就得到了风力发电机的最优控制模式， 实现了最大风能捕获。 矩阵变换器输入端功率因数有较灵活的可控性，它在驱动负载的同时，还可 起到一定的无功补偿的作用，也可专门用于无功补偿。v e n t u r i n i 早在1 9 8 1 年就 提出了这一应用方向 9 1 ，但在此方面的研究一直进展缓慢。加拿大学者b o o n t e c k o o i 和m d b r d a dk a z c r 托i 在文 2 6 3 2 中对电压源型矩阵交换器在柔性交流输电系 统中的应用进行了研究，这种矩阵变换器不仅能满足一般统一潮流控制器的要 求，而且在联结不同频率标准的电力系统、3 6 0 度相移、与串联电抗关联的高同 步功率等方面还更胜一筹。 我国矩阵变换器的研究工作开展较晚，基本上从9 0 年代开始，多侧重于理 3 华南理工大学硕士学位论文 论分析与仿真研究。南京航空航天大学庄心复，1 9 9 2 年在美国弗吉尼亚电力电 子中心作访问教授时，进行了矩阵变换器的研究f 76 1 。他采用空间矢量调制策略， 以3 2 位数字信号处理器t m s 3 2 0 c 1 4 为控制器，制作了一台2 k v a 的实验样机， 用于异步电动机的变频调速，输出频率为0 2 0 0 h z 。 西安交通大学王汝文等通过数学推导，得出矩阵变换器调制函数的通解形式 1 3 5 ，从而可以按照实际系统所需要的变换和传输要求，对开关调制规律进行优 化，通断时间算法也比原来的简单。文1 3 6 1 对斩控式电力电子整流、逆变、周波 变换及交直流电压控制器主电路运行的挟性技术问题进行了分析，提出一种以功 率因数可调，输入电流和输出电压正弦为目标的开关矩阵调制函数；文 3 7 ，3 8 】 研究了珂报到卿相一般矩阵变换器的开关调制函数，并进行了数值仿真。 9 0 年代末，南京航空航天大学、上海大学与哈尔滨工业大学等单位先后开 展了矩阵变换器的研究工作，并达到了一定的水平。南京航空航天大学穆新华在 文【5 0 ，5 1 】中对矩阵变换嚣的双电压合成控制进行了深入研究，提出“原点开关” 的概念。从而使开关状态的转换和电流合成过程规律化，减低了双电压合成控制 的复杂性。 上海大学陈伯时、陆海慧和朱贤龙等，对空间矢量调制筇略的研究更为深入 1 7 7 。8 ”。陆海慧以8 0 c 1 9 6 k c 为控制器、i g b t 为主开关，建立了矩阵变换器样机。 其设计容量为2 k v a ，开关频率为8 k h z ，最离输出频率为3 2 0 h z ，四步换流逻辑 由3 片p a l 2 2 v 1 0 实现。朱贤龙以s a b e r 软件为基础，建立了空间矢囊调制的矩 阵交流变换器的仿真模型，并提出了一种优化调制方案，简化了调制过程并降低 了开关损耗。在此摹础上，提出了一种三相矩阵变换器的简化实现方案，在适当 牺牲电流波形的基础上，使得功率因素可以达到或高于具有直流滤波电感的通用 交一直一交变换器。在矩阵变换嚣实用化遇到一定限力的情况下，通过某种妥协， 为矩阵变换器发展提供了新的思路。在文 7 9 ，8 3 】中，他对矩阵变换器的发展方向 也提出了展望。 哈尔滨工业大学韦奇，对非对称输入电压和非对称负载条件下的空间矢量调 制矩阵变换器进行了理论和仿真研究【8 4 】。对非正弦量的空间矢量进行级数分解， 分析了输入电流，并提出了改善电流质量的若干措施。其后，该校陈希有从电工 学的角度利用等效开关矩阵传递函数方法对矩阵变换器的理论进行了深入的分 析和研究【b 5 1 ，其中关于矩阵变换器的无功功率问题【8 “，分析了矩阵交换器输入 无功功率的性质和无功量值的调节援律，得出了一些有意义的结论 关于灵敏度 问题【8 7 】，导出了用伴随网络法分析电压增益对矩阵变换器滤波参数和控制参数 的灵敏度公式。他还提出了基于p a r k 变换的矩阵交换器等效电路模型玛8 1 ，在 矩阵变换器的线性时不变电路模型的基础上，对空间矢量调制矩阵变换器非理想 条件下的稳态特性进行了分析【8 9 j ，对空间矢量调制矩阵变换器的暂态响应特性 4 第一章绪论 与输入滤波器参数的关系进行了讨论 9 们，取得了令人瞩目的成绩。 福州大学汤宁平、郑雪钦、王建宽和方旭阳对矩阵变换器的线性定常电路模 型、s p w m 调制与滞环电流控制问题进行了研究。为了滤去开关频率的谐波， 在矩阵变换器输入端需要接上输入电感滤波电路，这样矩阵变换器的电压已不冉 是理想的电压源，在这种条件下要对矩阵变换器一些特性的解析分析和仿真分析 变得很困难了。郑雪钦把p a r k 变换技术应用到矩阵变换器中，通过坐标变换， 可以用理想变压器来等效开关矩阵，得到矩阵变换器不含开关元件的线性定常电 路模型。文【l l l ，1 1 2 】也把矩阵变换器与交流励磁发电机组成一个整体，进行 p a r k 变换。同时借助p s p i c e 和m a t l a b 对电压增益、无功功率及有功功率 的控雠等进行了仿真研究。文 1 1 3 n 5 j 吸收了p d z i o g a s 所提出的虚拟接流环 节，把交一直一交逆变器中广泛采用的s p w m 控制思想，应用到矩阵变换器中， 提出了矩阵变换器的s p w m 控制策略，并进行了计算机仿真和实验验证。方旭 阳建立了矩阵变换器电流滞环跟踪控制的仿真模型6 1 ，推导了电流跟踪控制方 式下的开关函数，试制样机并带三相感性负载进行了实验，从而验证了矩阵式变 换器电流滞环跟踪控制的正确性和可行性( 1 ”l 。 上海大学龚幼民和杨喜军首先系统地利用开关函数分析了采用波形高频合 成原理的各种矩阵变换器与电压源型逆变器等电力变换器的工作原理，给出了理 论分析、仿真分析与试验测试结果，从而使开关函数成为研究电力变换统一理论 的一种重要手段。并且首次基于3 3 m c 1 1 m c 经过拓扑变换和开关函数演化，揭 示了电力变换的统一性，给出了电力变换通用的拓扑原型和开关函数原型，建立 普遍适用的电力变换开关函数特性定理和两个推论，进而探讨了电力变换统一理 论，并且给出了该理论的几个具体应用实例。上述研究【39 4 4 】从理论上深化了对 矩阵变换器的认识。 湖南大学王辉、张志学对矩阵变换器现有的控制算法做了详细的综述 3 3 , 3 4 l ， 并提出了很多真知灼见。结合电流控制电压源型逆变器的控制方法，提出了固定 正弦环宽滞环控制、预测电流控制等多种电流控制策略8 1 。孬而在分析统一潮 流控制器工作原理基础上，用矩阵变换器实现u p f c 的各种控制功能。并提出了 种潮流解耦控制方法。 浙江大学的贺益康、黄科元与刘勇等结合矩阵变换器、交流励磁发电技术和 矢量控制的优点，建立了矩阵变换器供电的变速恒频交流励磁风力发电机定子磁 场定向的矢量变换控制系统模型，对矩阵变换器在交流励磁发电系统中应用进行 了仿真研究，并成功研制了基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 系列d s p 的空间矢量调制策略下 的矩阵变换器实验样机【9 1 0 。 综上所述，总体而言我国矩阵变换器的研究工作，无论在理论上还是在实际 研制上，与国际领先水平相比，还有不小的差距。 5 华南理工大学硕士学位论文 1 3 论文的内容安排 本课题来源于导师吴捷教授承担的广东省“十五”科技重大专项研究项目，项 目的名称为“风力太阳能混合发电系统”( n o a 1 0 5 0 4 0 1 ) ，本文研究内容为该 项目的一部分。矩阵变换器的典型结构为三相一三相矩阵变换器，本文以其为研 究对象，简称之为矩阵变换器。本文在评述其现有控制算法的基础上。对现代控 制理论在矩阵变换器中的应用，进行了初步的探讨。并对矩阵变换器的设计，进 行了具体的研究。 本文共分五章。在第一章中，说明了本课题的研究背景，并阐述矩阵变换器 的研究现状。在第二章中，叙述了矩阵变换器现有的控制算法对它们的优缺点 进行了评论。并对现代控制理论在矩阵交换器中应用的前景进行了展望。第三章 到第五章是本论文的主要部分，也是作者具体的研究工作。作者首次将遗传算法 与自抗扰控制理论应用到矩阵变换器中，提出了优化靳波技术与自抗扰控制技 术，并进行了仿真验证。在第五章中，对矩阵变换器的设计进行了初步的研究， 初步搭建了实验样机，为后续的研究工作奠定了一定的基础。在论文的最后部分， 总结了本文得出的一些有益韵结论，并对迸一步研究提出了构想 6 第二章矩阵变换器现有控制算法评述 2 1 引言 第二章矩阵变换器现有控制算法评述 矩阵变换器因由双向开关呈矩阵状捧列组成而得名，其拓扑结构如图2 - 1 所示。尽 管其开关通断状态组合有5 1 2 种可能之多，但由于输入电流不能短路、输出电压不能开 路的约束，有效的开关组合仅有2 7 种，见表2 1 。这些开关组合可分为三组：第一组有6 种开关组合，每一输出相分别连接到不同的输入相：第二组有1 8 种，其中两个输出相连 接到同一输入楣，剩下的输出相连接到另一不同的输入相；第三组有3 种，每一输出相 都连接到同一输入相。 1 i i l j 图2 - 1 矩阵变换器的拓扑结构 f i g 2 - 1t o p o l o g yo f m a t r i xc o n v c r t c r 通过对矩阵变换器的开关矩阵进行通断控制，输出电压输入电流由输入电压，输出电 流高频斩波合成，因而期望合成豹波形必须处于输入波形的包络之内。对三相系统而言， 假定输入相电压与输出相电压三相对称，分别为： u t ( t ) = u c o s ( 州) 斟。 ( 2 - 1 ) u ；f u o c o s ( q + ( j 1 ) 为1 3 ( 2 - 2 ) l j j i = 1 由于一般c o o 与戗不相关- 输出波形只能处于输入波形包络“谷点”以内的范围： o 5 u h 。也即期望输出相电压三相对称时，矩阵变换器最大电压增益仅为0 5 ，这 可以从图2 - 2 ( a ) 直观地看出。 实际上，大多数负载的中性点并不与输入电源的中性点相连，输出相电压通常设为 u o ( t ) = c 。s 蛾+ ( ? _ 1 ) 等) + 肿) ) 3 ( 2 - 3 ) 华南理工大学硕士学位论文 即在三相对称的期望输出波形上叠加共模项正( f ) 。相当于输出中性点相对于输入中性点 发生平移，但输出线电压仍然三相对称。通过选择合适的共模项，使输出波形按照输入 波形包络形状同步变化，就可以突破输入波形包络“谷点”以内的范围，提高电匪增益， 图2 2 给了一个实例。 由于输入波形包络的限制，输出波形包络最宽应不大于输入波形包络最窄处的宽度。 表2 1 矩阵变换器的有效开关组合 t a b 2 - lv a l i ds w i t c h i n gc o m b i n a t i o n so f m a t r i xc o r t v u - , , 1 t t ：r o 嗍p a c，ut w“l -l l i 舳“- 韵一- - “ i o i 善 o - 0 5 1 1 h0 t - 2 t t q hq - 3 h - , l t o a - 4备e - 摹 c ，- t e0 - ，h 吖叶 n to t w q i t 1 4 e 备口q h ，h t h 嚣：- w a l t 1 7 h w l t 4 - l 0 - v m t - o o o o o o t - l l l - i s , l t ci l - - l ci a ci tl 飞、，厂弋厂v 一 x x p 八mm 认 八 o 1 渐 渺 ( a ) 输出相电压三相对称( b ) 在三相对称相电压中叠加共模项 圈2 2 矩阵变换器固有电压增益极限原理图 f i g 2 - 2p r i n c i p l co f i n t r i n s i cv o l t a g eg a i nl i m i t a t i o no f m a t r i xc o n v t 2 1 2 e r 8 l o i o o oo i 口o l oo o o l o lo i o l o o l o o o o l o o i o l oo o o o i io o i i o ol i o o o o t l o o o oo o o o l lo o l l o oo o o l l o l i o o olooooll l o o o oo o o o i lo o l l o o i罨m。口o h h o m m“口加小。“ 第二章矩阵变换器现有控制算法评述 输出波形包络最宽为线电压幅值踅0 ，而输入波形包络最窄处出现在输入波形包络的 1压 “谷点”处，该处宽度为詈k 。- 隈4 - - ：w s 詈u 。，n d ：u _ 。- 半u 。这就是矩阵 二二上 变换器固有的电压增益极限【“l 。其与控制策略的选择无关。当然期望输出线电压畸变等 情况可突破该限制，但这种突破在实际应用中并没有很大的意义。 为了获得最大电压增益、达到理想的控制效果，学者们发表了各种控制算法。在绪 论中，已简要介绍了矩阵变换器的研究现状，而本章则更为系统地分析矩阵变换器现有 控制算法的特点，以便为后续的研究提供借鉴。本质上，现有控制算法的工作机理，都 是一种高频的交流斩波，但具体的实现思路又不尽相同。按实现思路的不同，可分为轰 接控制与间接控制两大类。前者又可分为开关函数控制方法、瞬时值合成方法两类。后 者又可分为电压控制方法与电流控制方法两类。 2 。2 矩阵变换器的间接控制 借鉴现有成熟的技术来解决新问题，往往可以得到满意的结果。p d z i o g a s 等人提 出的间接控制的思想1 6 0 , 6 ，正是基于这样的思路。它将矩阵变换器虚拟为交一赢一交变 换器，如图2 3 与图2 4 所示。经过等效，整流器与逆变器成熟的控制方法，可假借于矩 阵变换器的控制中。这种思想富有建设性，极大地启发了后续的研究工作。其后出现的 各种间接控制方法，根据目标的不同，可以分为电压控制和电流控制两类，其中最引人 注目的是空间矢量调制策略i 6 2 - 6 7 1 。 2 2 1 间接控制的思想 近年来，全控型器件构成的三相p w m 接流器，因具有输入电流为正弦波、功率因数 接近于1 、且能量可双向传输的优点而成为研究的热点。学者们提出了大量强鲁棒性的电 流控制算法，如滑模控制f 1 2 0 l 、神经网络控制【1 叫与最优控制1 1 叫等。p w m 整流器实质上 仍以逆变器的工作方式运行，建模时将其视为可控电压源。其直流电压，必须不小于输 入交流电压基波的峰值，以保证二极管只在续流时导通，系统完全可控。而矩阵变换器 不存在中间直流环节，同时导通两个上厂f 桥臂时。必然引起输入电源短路。因此虚拟整 流器的上下桥臂只能同时各有一个开关导通，且该对开关不能处于同一输入相上。上述 p w m 整流器的控制算法，并不能借用于矩阵变换器虚拟整流器的控制中。 早期间接控制的研究，通常对虚拟整流器进行三相全桥不可控整流控制，其开关函 数如式( 2 4 ) 。虽然具有输入功率因数较低的缺点，但最大虚拟直流电压高至5 1 4 8 v ， 这样可弥补矩阵变换器电压增益较低的缺陷。虚拟整流器的电流空间矢量调制，则是一 种理想的控制策略，可获得输入功率因数遥近于1 ，输入电流波形好的优点。当然，如期 望对虚拟整流器进行闭环控制，还有待研究。 9 华南理r 大学硕士学位论文 p 鼬m e h v u t ；p w , m c o n n e r n p w mi n v 啪 图2 3 交一直一交变换器的结构 f i g 2 - 3s t r u c t u r eo f a c d c i a c c o n v c r t c n 图2 4 矩阵变换器的等效结构 f i g 2 - 4e q u i v a l e n ts t r u c t u r eo fm a t r i xc o n v e r t e r s p - 1 ，。m a x ( u 。，n 6 ，h 。) t 1 ，一m a x ( u 。，t , ，4 。) 。1 ，c _ m a x 眈， ? 其它情况均取o ( 2 4 ) 一1 ，。- m i n ( u ，“6 ，h 。) 、 。 s w - 1 ，- m i n ( u 。，“。) 殳- 1 ，甜。- m i n ( u ，h b ，“。) 可将矩阵变换器等效为交变输入的虚拟逆变器，其直流环节电压珥。如。，“。，h 。， h 。，u a 。可以证明，图2 - 4 中每一种有效的开关组合，与表2 - 1 中第二和第三组的所 有有效组合一一对应。也即间接控制的思想并没有充分利用矩阵变换器的有效开关组含， 只用了其中的2 1 种。 定义开关函数s m ( j , t p ，占，c ，a ，b ，c ，p ，) ) ：开通时，s ， - 1 ；关断时，s 辟- 0 其中。则等效交一直一交变换器的电压变换关系为 k r 一， t u p + 【，r 1 0 第一章矩阵变换器现有控制算法评述 s p t - s b p + s n s s p 8 - s 口+ s n 8 一s s _ c s ”+ s n c s 而实际矩阵变换器直接电压变换关系为 1 l1s 。s 。配。1 1u o hi = i 屯艮i h ( 2 - 6 ) k jl j l 虬j 于是，开关调制矩阵为 s ns 曲s c s i s 廿+ s 眦s 州 s m s 啦+ s n s 啪 s s 。p + s 嘲s e n l 净l 鼢如+ s u n s 。s e r e & + s u n 。s s 。+ l ( 2 7 ) - s c o s c bs c c u k s p + s 。s “s p c 。s ”+ s n c 。s s p c 。s 。p 七s s “ 即= & + s “， 彳，b ，c ) ，m 口，b ，c ，代入任一时刻虚拟整流、逆变器的开关 量，即可得矩阵变换器当时的实际开关量。 2 2 2 电压控制方法 借鉴传统逆变器豹脉宽调制簧略t t o s , i 嗍，对虚拟逆变器进行p w m 调制，即可实现矩 阵变换器输出电压的控制。逆变器应用较多的是s p w m ，常用的s p w m 脉冲生成方法有 硬件电路法和软件编程法其中硬件形成电路很多，常用的有【l c o ：( 1 ) 三角波法； ( 2 ) “”叠加法；( 3 ) 自适应电流控制法； ( 4 ) 专用集成芯片生成法。但其共同的缺点 是电路结构复杂，难以保证控制精度。随着微型计算机技术的发展和普及，特别是微机 的高度集成仡和优异的运算性能，可以方便遗对变频嚣进行直接数字控制，从而获得调 节灵活、稳定可靠、性能优越地控制效果，因而软件编程的方法得到普遍应用。采用微 机通过软件编程的方法生成s p w m 法。萁原理仍然是正弦调制波和三角载波相交以确定 开关元件通断时刻。常用的实现方法有1 一0 9 ：( 1 ) 自然采样法；即采用正弦调制波与 三角载波的自然交点作为脉冲出现和脉冲结束时刻，从而控制开关元件的通断状态。采 用该方法生成的s p w m 波，由于正弦波与三角渡的交点具有任意性，脉冲中心在一个周 期内不是等距的，因此脉宽表达式是一个超越方程，不能用简单的解析式表达。虽然它 能真实地反映脉冲出现与结束的时刻，但由于计算及其复杂，难以用于实时控制。 ( 2 ) 规则采样：即在三角载波的某一固定点进行采样，用以决定p w m 波的出现与结束时刻， 而不管此时刻正弦波与三角波是否真正相交。采用该方法生成的s p w m 波，由于消除了 正弦波与三角波的交点的任意性。将不可解的超越方程变成了较篾单蛉三角方程，因而 可用于实时控制，但这带来了一定的误差。( 3 ) 低次谐波消去法：又称特定消谐波p w m ( s h e p w m ) ，以消去p w m 波形中某些主要的低次谐波为目的，通过计算来确定各脉 冲的开关时刻。该方法的特点是可以很好地消除所指定的低次谐波，但是计算复杂，而 且剩余未消去的低次谐波的幅值可能会相当大。不过，因为其次数已比所消去的谐波次 伫 划划丌i i i i 儿 跏跏妇 + 十 + 站站 + + + 站 l = 华南理工大学硕士学位论文 数高，因而较容易滤除。现已有矩阵变换器的s p w m 与s h e p w