（电力电子与电力传动专业论文）矩阵变换器的模糊控制策略研究.pdf

硕i j 学位论文 a b s t r a c t m a t r i xc o n v e r t e ri sad i r e c tf r e q u e n c yc o n v e r s i o nd e v i c e s ，i n p u tv o l t a g eo fa n y d i s t u r b a n c et oa f f e c tt h eq u a l i t yo fi t so u t p u tw a v e f o r m a tt h es a m et i m e ，t h eo u t p u t i m p e d a n c eo ft h e f i l t e rp r e s s u r ed r o p ，l o a dt h ed i s t u r b a n c ea l s om a t r i xc o n v e r t e r o u t p u tv o l t a g ew a v e f o r mh a v ea ni m p a c t i na d d i t i o n ，s i n c et h ed e v i c ep e r f o r m a n c e ， t h ec a l c u l a t i o ne r r o ro rd i s t u r b a n c e ，a n do t h e rr a n d o me f f e c t s ，i nt h em a t r i xc o n v e r t e r i nt h eo u t p u tv o l t a g ea n da l s oh a v eah a r m o n i cc o m p o n e n t t h e r e f o r e ，t h em a t r i x c o n v e r t e ro u t p u tv o l t a g eo ft h ec l o s e d - l o o p c o n t r o ls t r a t e g y s t u d y i so fg r e a t s i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rm a t r i xc o n v e r t e r ，f r o mt h em a t r i x t r a n s f o r m a t i o nm a t r i xc o n v e r t e rs t a r to ft h em a t r i xc o n v e r t e rc i r c u i tt o p o l o g y ，t h a ti s ， a p p l i c a t i o no fa c d c a ce q u i v a l e n tt r a n s f o r m a t i o nm e t h o do f t h em a t r i xc o n v e r t e r i n t oar e c t i f i e r 1 e v e la n dt h ei n v e r t e rs t a g eo ft w op a r t s ，i sd e r i v e dm a t r i xc o n v e r t e r a n dt h ee q u i v a l e n ta c d c a cc o n v e r t e rs w i t c h i n gf u n c t i o na n dt h et r a n s f o r m a t i o n m a t r i xo b t a i n e dm a t r i xc o n v e r t e ra n dt h ee q u i v a l e n ta c - d c - a cc o n v e r t e rp o w e r s w i t c h i n gf u n c t i o nc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e p a p e r so nt h em a t r i x c o n v e r t e rt o p o l o g y ，d o u b l e - s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ns t r a t e g ya n di t sc u r r e n tc o n v e r t e r s t r a t e g y i no r d e rt oi m p r o v et h em a t r i xc o n v e r t e rv o l t a g ep o w e r g r i d sm u t a t i o n ，l o a d f u n d a m e n t a lc h a n g e si nt h er o b u s t n e s so ft h ed i s t u r b a n c e ，am a t r i xc o n v e r t e rc o n t r o i a d a p t i v ef u z z yc l o s e d 1 0 0 pc o n t r o ls t r a t e g y ，t h em e t h o dw i l lb eat h r e e 。p h a s eo u t p u t v o l t a g e l i n es t a t i ca b cc o o r d i n a t e st ot h et w o - p h a s er o t a t i n gd q c o o r d in a t e t r a n s f o r m a t i o n ( a b c d q ) b yd q c o o r d i n a t es y s t e mu n d e rt h ed i r e c tt r a f f i c ，u s eo f f u z z yc o n t r o lo fag i v e no u t p u tv o l t a g ed ，qc o m p o n e n t st r a c k i n gc o n t r 0 1 f u z z y c o n t r o l l e ru s eo ft h et w of u z z yc o n t r o l l e r ，t h ei d e ai st ou s ei t sc o n t r o li nt h ec o n t r o l s y s t e me m e r g e di na l ls t a g e so f t h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h e i ri m p l e m e n t a t i o no f d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s o v e r c o m et h eo b j e c to fv a r i o u sp a r a m e t e r sc h a n g eo r d i s t u r b a n c eo ft h en o n l i n e a ru n c e r t a i ni m p a c to ns y s t e mp e r f o r m a n c e ，w i t hr o b u s ta n d b e t t e rs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ；p a p e r sw i t hsf u n c t i o n sa n ds i m u l i n kb l o c k s w e ：r es e tu pt h em a t r i xc o n v e r t e rb a s e do nt h ec l a s s i c a lp ic l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m m o d e la n dt h em a t r i xt r a n s f o r m a t i o nb a s e do nf u z z yc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mm o d e l ， s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r if yt h ec o r r e c t n e s so ft h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ：m a t r i xc o n v e r t e r ：s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ；c l o s e d _ l o o pc o n t r o l ：f u z z y c o n t r o ll e r 硕i j 学位论文 第1 章绪论 本文介绍了矩阵式变换器的发展和分析了矩阵变换器的理论基础上，应用交 一直一交等效变换的方法，推导了矩阵式变换器和等效交一直一交变换器的开关 函数和变换矩阵，得出了矩阵式变换器和等效交一直一交变换器功率开关函数间 的对应关系，建立了数学模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件对基于p i 控制和模糊 控制在输入不平衡和突加负载扰动情况下进行了计算机仿真比较。 1 1 电气传动的发展概况 电气传动系统是指以各类电机为动力的传动装置与系统。电气传动因其电源 性质不同分为直流传动和交流传动两大类。直流传动由于直流电机磁场与电枢电 流间具有天然的解耦关系而有优越的调速性能，高性能调速传动一般都采用直流 传动。由于直流电机固有机械换向装置的存在，致使直流传动也存在一些难以克 服的缺点：结构复杂，造价昂贵：需经常维护；容量、电压、转速上限受到机械 换向器结构的限制，无法适用于高电压、大容量及高速场合；电刷易产生火花， 系统无法在易燃易爆场合下使用，使用环境受到限制等等。而这些缺点不仅严重 制约了直流调速系统的广泛使用，也制约了直流调速系统的发展【l 】。交流传动中 使用交流电动机，特别是鼠笼式三相异步电动机，由于具有结构简单、制造方便、 价格低廉、坚固耐用、运行町靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等突出优点， 在现代工农业生产中获得了非常广泛的应用，也很适合于现代电气传动的发展趋 势。但由于运行机理和结构上的特点，决定了三相交流电动机是一个多变量、强 耦合、非线性、时变的复杂系统，它的可控性比较差。要使交流电动机获得良好 的调速控制性能，必须要有性能优良的控制系统，而这又受到交流电机调速控制 理论和电力电子变流技术等冈素的制约，因此在很长一段时间内交流调速系统无 论在控制性能还是在系统成本、复杂性、可靠性等方面都和直流调速系统有一定 的差距。近2 0 年来，由于：电力电子技术的迅速发展，使电气传动面临着一场蘑人 的变革，交流调速传动迅猛发展，交流调速系统取得了巨大的进步，它在各个斤 面的指标都有了很大的提高，交流电机固有的优良特性又得到了充分的发挥，电 气传动交流化的新时代f r 存剑来。 交流电机调速方法町分为两大类1 2 j ：变同步速调速( 变极和变频) 和变滑謦 调速( 定子调压，转于 f 乜m ，转子串级及转差离合器调速等) 。变频调速是j r - 最为有效的调速方式，足使流凋速的理想调速方案。 硕f ：学位论文 变频调速是一种通过改变电机定子供电频率f 来实现改变电机同步转速的交 流调速方法。通过变频装置可将电网的固定频率转换为可调频率，使三相交流电 机在宽广的速度范围内实现平滑的无级调速，获得良好的起动性能和运行性能。 为使电动机变频时磁通保持设计点值不变，必须使定子输入电压随频率按一定关 系变化。因此，变频调速又有变压变频调速( v v v f ) 之称。变频方式分为交一 直一交变频和交一交变频两大类型。要实现交流电机变频调速，必须要有能提供 可变电压、可变频率的变频电源，本世纪7 0 年代之前由于受电力电子变流技术和 交流电机调速理论发展水平的限制，性能良好的变频器技术上无法获得，变频调 速方案也一直无法实施。近几十年来随着电力电子技术和交流电机控制理论等相 关技术的飞速发展，变频调速获得了巨大的发展，现代的变频系统无论在性能、 可靠性还是价格等方面都已达到甚至超过了直流调速方案。以变频调速为代表的 交流调速方案已成为电气传动领域的首选方案，而且也代表了电气传动发展的趋 势和主流技术。 1 2 常规电力变换器 随着微电子技术和电力电子技术的迅猛发展，各种电力变换器在国民 经济建没中得到了广泛的应用。以半导体功率器件为核心的交流变频调速 以无可抗拒的势态逐步取代着直流调速，并在产业的各个领域获得广泛应 用，创造了巨大的经济效益和社会效益。在能源紧缺的今天，许多工业发 达国家在积极进行新能源开发，电力变换器成为风力发电、太阳能发电、 燃料电池发电、地热潮汐发电系统中重要的核心装置。更有专家预计：本 世纪发达国家将有9 0 左右的电力需要经变换后才能被利用【l 2 】，因此，各 种电力变换器的应用程度和发展水平已成为衡量一个国家电气化发展水平 的重要标志。 目前，我国广泛使用的传统电力变换器如交交周波变换器、交直交电 力变换器等都存在着不容忽视的缺点：周波变换器输出频率范围窄，一般 上限为l 2 、1 3 工频，输入功率因数低，需要大容量的无功补偿装置，整 机体移 庞大，紧凑性低，控制复杂；交一直一交电力变换器输入电流含丰富 的谐波，输入功率因数较低，大量电流谐波分量排放流入电网后，对电网 造成“谐波污染 ，这样一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗 造成i 皆波j 丘降，反过来使电网电压也发生畸变，另方面会造成电路故障 和变电设各的损坏。由于谐波对电力系统造成的污染，影响了整个电力系 统的f u 力环境，不仅导致电网电压幅值和频率不能维持陋定，电压波形发 生畸变，并对电力系统本身和用户的符种i 乜t 设备造成极大的危害。 抑制电力污染通常采用的方法是通过加入无源l c 滤波器或有源滤波器 来补偿谐波和无功功率，但这种方法刁i 仪代价高，而且实质上是先污染后 治理，因而不能从根本上解决问题。最移! 檄有效的办法是开发高功牢i 大】数 和低谐波污染的“绿色环保”电力变换器，从根本上消除谐波源。这种“理 想的电力变换器应该具有如下特点： 1 ) 、拓扑结构简单，功率电路紧凑、便于集成化； 2 ) 、输出电压幅值、频率调节范围宽广； 3 ) 、具有正弦的输入输出特性； 4 ) 、在任何负载情况下可实现单位功率因数运行； 5 ) 、能量传输可逆、可以实现四象限运行。 1 3 矩阵变换器 1 3 1 矩阵式变换器的基本结构 矩阵式变换器是一种直接型的交流一交流电力变换装置，其结构不同 于传统的交一交变频器和交一直一交变换器，如图卜l 所示 ab c ， a b c k 图1 1 矩阵变换器的基本结构 一 叫 三相一三相矩阵式变换器由9 个双向开关( s i i i = a ，b ，c ；j = a ，b ，c ) 组成， 每个双向开关均具有双向导通和双向关断的功能，可由两个带反并联二极管的可 关断功率半导体器件连接构成。9 个双向开关按照3 x 3 的矩阵进行排列，通过双 向开关的导通与关断，三相交流输入中的任意一相可以连接至三相交流输出中的 任意一相。矩阵式变换器的输入侧还需要三相电感电容( l c ) 滤波器以滤除输入电 流中由开关动作引起的高频谐波。 由于矩阵式变换器自身结构的特点，它具有很多优于传统交流电力变换装置 的特性，如： ( 1 ) 输出电压幅值和频率r i 独控制，输出频率可以高于、低于输入 频率，理论上可以达到任意值： ( 2 ) 在某些控制规律下，输入功二年测数角能够灵活调节达到0 9 9 以上， 并可自由调节，可超前、滞后或渊争接近于单位功率因数角； ( 3 ) 采用四象限开关，可以实现能量双向流动； ( 4 ) 没有中间储能环节，结构紧凑，效率高； ( 5 ) 输入电流波形好，无低次谐波； ( 6 ) 具有较强的可控性。 这些优点使得矩阵变换器克服了传统电力变换器的不足，成为一种环 保型的绿色变换器。它的研制成功和推广应用，必将大大提高我国治理电 力污染的水平，使我国的电力变换器产品的性能迈上一个新的台阶。 1 3 2 矩阵式变换器的国内外研究现状 矩阵变换器从1 9 7 6 年提出到现在3 0 年的时间了。国外已有不少文献提出矩阵 变换器的实验样机，但是还没有真正进入实用的报道。目前变换器的最大输出功 率可达2 0 k w ，控制手段主要采用t m s 3 2 0 c 3 0 、c 4 0 数字信号处理器，8 0 3 8 6 微机 及p l d 器件。这方面做得比较好的是a a l b o r g 大学矩阵变换器项目组。 上个世纪8 0 年代末、9 0 年代初，南斯拉夫学者l h u b e r 和美国d b o r o j e v i c 教 授、同本学者a i s h i g u r o 和t f u n j h a s h i 教授、以及韩国学者w h k w o n 和g h c h a 等人的研究，使矩阵变换器的理论和控制技术逐渐走向成熟。l h e b e r 和 d b o r o j e v i c 提出了一种基于空间矢量调制技术的p w m 技术。 a i s h i g u r o 和t f u r u h a s h i 提出的双线电压瞬时值法。韩国学者w h k w o n 和 g h c h a 对假设矩阵式变换器由非理想电流源和电压源组成，利用d q 电路变换技 术对实用升压九开关矩阵式变换器的动、静态特性进行了分析，为矩阵式变换器 的分析提供了有效的方法。1 9 9 4 年弗吉尼亚电力电子中心年会上展出了输入端具 有功率因数 校正( p f c ) 的三相一三相矩阵变换器，该变换器采用数字信号处理器( d s p ) 实现空间矢量调制，最大输出2 k w ，开关频率2 0 k h z ，用m o s f e t 器件，负载为2 k w 的感应电动机，输入端功率因数为0 9 9 ，输出电压、输入电流均为正弦。1 9 9 5 1 9 9 6 年，p e t e r n i l s e n 在他的博士论文中，以s i e m e n sc 1 6 6 为控制器做出了试 验装置，对矩阵式变换器的外围电路进行了一系列研究。1 9 9 8 - 1 9 9 9 年，19 9 9 - - 2 0 0 0 年，c h r i s t a n 两次作为访问学者在美国也研究出了一套装置，并对输入电压不 平衡时，人工负载下矩阵式变换器的控制策略进行了研究。 形j 卜芗f ? ，i i 。 我国在矩阵变换器方面的研究开始的较晚，臻本上从2 0 世纪9 0 年代j i ：始，南 京航空航天大学，西安交通大学，上海大学，l j 禽尔滨工业大学先后丌展了这方面 的研究工作，取得了令人瞩目的成绩，达到i ，定的水平。19 9 2 年，南京航空航 天大学的庄心复教授采用空间矢量调制法分析l 卜一交和交一直变换器，合成后求 得交一交变换器的调制方法，并以一台3 2 1 、 l 数，信号处理器t m s 3 2 0 14 作为控制 器，设计并制作了一台实验样机。l9 9 8 年，l ：海人学的陈伯时、陆海慧等通过把 矩阵变换器等效为交一直一交变换器，利用逆变器中广泛采用的空间矢量p w m 调 制技术，并利用8 0 c 1 9 6 k c 作为控制器，以i g b r 作为开关器件，采用四步换流的 方法，成功的制作出了三相交一交矩阵变换器的实验装置，综合指标达到了国际 先进水平。南京航空航天大学的穆新华等对a 1 s h i g u r 所提出的双电压瞬时值控 制技术进行了仔细的分析整理，提出了原点丌关的概念，使其开关状态的转换和 电流合成过程规律化，并通过仿真计算验证了其正确性。2 0 0 0 年，哈尔滨工业大 学陈学允、陈希有等建立了矩阵变换器的等效电路，得到了输入电流、功率因素、 电压增益、输出阻抗等性能指标的解析表达式。1 9 9 9 - - 一2 0 0 0 年，福州大学对电流 滞环的矩阵式变换器进行了一系列研究。2 0 0 1 年，华中科技大学也提出了_ 种新 型的三相一三相的矩阵式变换器。上海大学陈伯时提出了输入非平衡时改善输入 电流谐波的调制策略。2 0 0 2 年，浙江大学的贺益康等提出了矩阵变换器在风力发 电方面的应用，国外也早在1 9 9 7 年有文章提到。清华大学邓毅晟等提出了用d s p 和p l d 实现四步换流。2 0 0 3 年，湘潭大学朱建林等开始研究提高矩阵变换器电压 传输比。 总的来看，目前世界范围内矩阵式变换器的研制还停留在理论研究和实验室 样机阶段，尚未形成实用化的成熟产品。我国的矩阵式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，都还有不小的差距。 1 4 矩阵变换器输出电压控制策略的研究现状 在对电源质量要求较高的场合，比如通信设备，银行，军工企业等，电源的 输出电压质量成为衡量电源质量的重要指标。而在实际应用中，由于矩阵变换器 无中间储能元件，电网电压波动、负载扰动等各种非理想运行条件和各种非线性 扰动，都会对其输出性能产生影响。而且随着各种应用环境对电力变换器的性能 提出了更高的要求。对矩阵变换器而言，其不仅要在非理想运行条件下产生高质 量的输出电压，而且应具有快速抑制扰动的能力。因此，在各种非理想运行条件 和扰动情况下，以保证矩阵变换器具有较好的稳态输出特性和较快的动态响应为 目标的输出电压控制策略研究具有重要的意义。 目f j 国内外学者对矩阵变换器的控制策略做了许多研究，在提高矩阵变换器 顺卜丫。f ? i 分2 输入输出波形质量上具有很好的效果，提高了”m ：变换器的输出性能。但归纳起 来，仍存在不足之处： ( 1 ) 这些控制策略主要针对输入电压异常、撅流死区等情况，而没有考虑输出 侧扰动因素的影响。在实际应用中，负载变化、负载的不平衡等也是影响矩阵变 换器输出性能的常见因素。 ( 2 ) 已有的方法绝大多数都是通过改进调制策略来改善输出电压，属于输出电 压的开环控制。而开环控制的缺点在于，般三i 能针对特定的扰动有效，而对于 其他扰动则无能为力。例如，前馈补偿法虽然能有效地抑制输入电压不对称、畸 变的影响，但不能抑制负载扰动的影响。而钊对死区补偿的方法则对输入电压的 扰动无能为力。由于实际应用中多种非理想运行条件和扰动因素不可避免会同时 存在，因此开环控制不能达到完全保证输出电压质量的目的。 在一些对电源质量要求较高的场合，上述控制策略显然难以满足要求。因此， 以抵御多种扰动为目标的矩阵变换器输出电压控制策略的研究也就显得格外有意 义。而引入输出电压的瞬时值反馈，利用闭环控制系统对反馈环所包围的扰动产 生抑制作用，则是一种合理的控制方案。闭环控制是未来矩阵变换器控制策略的 必然发展趋势。 要使矩阵变换器系统具有期望的动、稳态性能，应该具备两个条件：一是采 用闭环控制方法，使系统能够有效抑制电网波动、负载突变等线性扰动；二是采 用合适的控制器，能够根据误差信号产生合理的控制量，快速有效抑制非线性扰 动。 目前已经出现了一些矩阵变换器输出电压的闭环控制策略，这些控制策略主 要采用估算法、滑模控制、p i d 控制等算法1 3 3 1 ，但这些控制方案均有不足的地 方，例如文献 4 】中的方法虽然通过引入输出电压的反馈进行开关占空比的修正， 但其控制量是根据误差进行粗略估计而产生的，是一种经验式的调节方法，控制 精度不高。文献【1 3 】虽然采用了幅值和相位调节器，但未提供具体的控制算法， 而且只针对输入电压突变的情况进行了研究。 1 5 智能控制技术在电力电子变换器中的应用 智能控制是在信息论、控制论、仿生学、人工智能、神经生理学及计算机科 学发展的基础上逐渐形成的一类高级信息与控制技术。智能控制突破了传统控制 理论中必须基于数学模型的框架，它基本上按实际效果进行控制，不依赖或不完 全依赖于控制对象的数学模型，又继承了人类思维的非线性特性n 引。智能控制技 术的主要内容包括模糊控制技术、基于自适的专家控制、人工神经网络、滑模控 坝i j 了f j 论殳 制、遗f 乏算法等理论与技术。 f 乜力电子变换器是由半导体电力丌关器件所构成的丌关电路，可以实现电力 变换和控制。然而，电力电子变换器足一种丌关型功率变换器，运行于开关状态， 是个强 f 线性系统，构成变换器的元器件，包括丌关器件、滤波原件、检测元件、 控制器等，具有非线性，且参数在系统实际运行中会漂移变化。输入电源经常有 扰动，不是理想电压源。而且，为了避免开关过程中桥臂直通现象的发生，在开 关器件的驱动信号中设置了死区，死区效应可以当作一种电力电子变换器的非线 性扰动。另外，电力电子变换器经常受到突减负载等随机扰动，或带非线性负载， 系统模型结构参数会发生变化。综上可知，基于简化线性模型设计的传统控制方 式显然不能保证系统的优良性能，达不到令人满意的效果。因此与被控对象模型 无关、广泛用于非线性系统控制的智能控制技术就成为提高电力电子变换器控制 性能的首选，越来越多的智能控制方法在电力电子学中的许多领域得到广泛的应 用。 模糊控制是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种新型智能控制方法，它是在一些 控制对象无法确定的情况下利用操作人员的经验，以模糊数学为工具加以定量化 描述，并按照模糊控制规则实施控制。它避丌了建立复杂系统数学模型的问题， 只要获得丰富的人工控制经验，应用模糊理论和计算机控制技术，就可以对没有 精确的数学模型，一般控制理论不能进行有效控制的系统加以控制。模糊控制常 用于控制器参数的整定、交流调速系统、有源滤波器、逆变器等应用领域。 变结构控制在2 0 世纪5 0 年代由苏联学者提出，近年来在控制领域中越来越 引起人们的注意。这种控制方案在本质上是一种开关型控制，它要求频繁、快速 切换系统的控制状态。但此控制方法容易引起系统的剧烈抖动，称之为“抖动” 现象。为了削弱这种现象，常把模糊控制和变结构控制有机的结合起来。这种方 法常用在交流伺服系统当中的速度控制、电机的矢量控制、p w m 逆变器等方面。 此外，还有专家控制、模糊网络控制、滑模变结构控制等智能控制理论在电 力电子变换器领域都有应用。理论和实践证明，电力电子技术与智能控制理论相 结合，且相互渗透将是一个极具生命力的发展方向。 1 6 基于模糊控制的矩阵变换器输出电压闭环控制 要使矩阵变换器系统具有期望的动、静态性能，应该具备两个条件：一是采 用闭环控制方法，使系统能够有效抑制电网波动、负载突变等线性扰动；二是采 用合适的控制器，能够根据误差信号产生合理的控制量，快速有效抑制矩阵变换 器不平衡等非线性扰动。 p i d 控制以其简单可靠、容易实现、稳态无静差等特点而广泛运用于实际工 f 顷 “学位论文 业例j 1 、控制系统中，但它具有局限性，只适合于确切模犁的线中系统控制，而矩 阵变换； ： j 订模型不精确、非线性、参数时变性等特点，f 之统瞥纯的p i d 控制器 对j 芒难以达到快速稳定的响应和精确控制。新兴的智能托j ：# 0l j l 0 【1 丁以用来解决p i d 控制器难以解决的控制问题，智能控制具备以下一些特点1 1 5 i ： l 、针对不确定模型的控制对象，智能控制能够达到很女r 的控制效果。 2 、采用智能控制能较好解决非线性系统的控制问题。 ： 、智能控制能够应付复杂的任务要求。 智能控制是控制理论发展的高级阶段，它的建立和发展是以众多新兴学科为 基础的。智能控制的基本出发点是仿入的智能实现对复杂不确定性系统进行有效 控制。一个能与环境交互，具有从环境自学习、适应环境的能力，自动进行信息 处理以减少其不确定性，能规划、产生并能安全、可靠的执行控制作用的系统成 为智能控制系统。模糊控制、神经网络控制和专家控制是目自订智能控制研究中最 为活跃的领域。研究一种基于模糊控制的矩阵变换器闭环控制系统，对于提高矩 阵变换器对各种扰动的抑制能力、提高其稳态输出精度和动态响应能力、提高系 统的鲁棒性具有重大意义。是矩阵变换器成功走向工业应用所要解决的重要关键 技术。 1 7 本课题的研究意义及研究内容 1 7 1 研究意义 传统的交一交变频器由三套可逆整流装置组成，多用于大容量低速传动和交 流励磁发电。采用移相触发控制的交一交变频器在实现功率变换的同时会引起电 流、电压波形的严重畸变，产生大量的谐波。而交流励磁发电时会导致发电机输 出电能质量不符合电网要求1 6 j 。 高频自关断器件的应用和调制技术的不断发展，交一直一交型p w m 变频器 迅速成为变频电源的主体。特别是各类调制技术的发展，优化了p w m 变频器的 输出特性，获得了良好的正弦输出电压，从而在高性能调速传动中得到广泛应用。 但通用的交一直一交型p w m 变频器还有输入特性差的弊病。由于交一直变换中 多采用不控整流加大电容作直流滤波的配置，一方面使得输入电流的波形为仅在 输入电压峰值处很窄范围内的电流脉冲，其谐波成分很大，加上应用面广，是造 成电网谐波污染的主要谐波源。在电力系统中，各种谐波源产生的谐波对电力系 统造成污染，影响到整个电力系统的电气环境，并对电力系统本身和广大用户的 各种电气设备甚至其他用户和设备会造成极大的危害。另一方面直流滤波用电解 硕i 学位论文 电容随变频器容量的增大而增大，成为变频器寿命、可孙。 ，0 隐患，更是变频器 功率密度提高的严重制约因素。再者这种不控整流方式小1 1 j 能。爻现能量的双向流 动，用j ：调速系统不能真正实现四象限运行。这样，从j 、境f 呆护、电网侧谐波治 理的角度h 发，人们的注意力又从改善变频器输出特性转阳致力于改善输入特性 的更深层次的研究之中。 矩阵变换器作为一种通用的电力变换器，在转速较低的传动系统、电 源产品、高压大功率变换、功率因数校正等多种应j j 场合中都有着很强的 实用价值，而矩阵变换器的输出电压质量成为系统。f ，# 能的重要指标。在实 际应用中，矩阵变换器常会遇到各种非理想运行条件和各种非线性扰动， 影响矩阵变换器的输出性能： ( 1 ) 输入电源电压的影响：由于矩阵变换器无巾f h j 储能元件，其输入 和输出之i 日j 通过导通的开关直接相连，输入电压的 f 对称畸变等会对矩阵 变换器输出产生直接影响，使输出电压电流中含有难以滤除的低频谐波分 量。矩阵变换器输入侧一般直接接入电网，因此，其输出性能与电网电能 质量直接关联。由于电网中同时运行着大量的非线性设备，使得电网电压 普遍存在着一定的不对称畸变，引起矩阵变换器输出电压质量的下降； ( 2 ) 输出不平衡的影响：在矩阵变换器输出侧，不平衡运行更为常见， 如不平衡负载、输出三相变压器参数不对称等都会产生三相不平衡电流， 由于矩阵变换器存在一定的输出阻抗，不平衡电流会导致其输出电压的不 对称： ( 3 ) 线性基波扰动的影响：如输入电源的突降或突升【l ，都会影响到 矩阵变换器的输出电压。 ( 4 ) 换流死区的影响：矩阵变换器逆变级换流时开关的切换过程中需 插入死区时间，不可避免地带来了输出电压的损失和畸变。 随着生产力的发展，各种应用环境对电力变换器的动静态性能指标提 出了更高的要求，电力变换器不仅要在非理想运行条件下保持优良的输入 输出特性，能有效抑制扰动影响，而且应具有快速稳定的响应。上述要求 使得矩阵变换器输出电压控制策略的研究有着重要意义。 由于矩阵式变换器的一系列优点，研究工作引起了国内外的广泛重视f 1 6 ，1 7 。2 i 】 随着研究的不断深入，矩阵式变换器以其独特的优点有可能发展成通用的电源变 换器基本模块，成为在主电路和控制系统方面均高度集成化的产品，开拓新的变 频器时代。因此对矩阵式变换器的研究开发能使紧密跟踪、追赶国际先进电力电 子技术的最新发展趋势，对我国电力电子工业的发展具有现实意义。 1 7 2 研究内容 小丈的i 要内容包括以下几个方面： 第章简单介绍了电气传动的发展概况及常规电力变换器的优缺点，介绍了 矩陋：式变换器。最后说明了本论文的研究意义及主要研究内容： 第一：章分析了矩阵变换器的原理，具体介绍了应用交一直一交等效变换的 方法、审f h j 矢量调制策略及换流方法； 第二：章对模糊控制的理论进行阐述之后提出了一种基于模糊控制矩阵变换器 闭环控制系统对输出电压进行控制，分析了模糊控制器的设计方法。 第四章选取普通的p i 控制器和模糊控制器组成的输出电压闭环控制系统进行仿真 研究，并对突加负载扰动和输入不平衡时两种控制器下输出电压的波形进行了比较。 硕i j 学位论义 第2 章矩阵变换器的拓扑结构和调制策略 本章从矩阵式变换器的变换矩阵出发，对矩陌：变换器的电路进行拓扑，即应 用交一直一交等效变换的方法把矩阵变换器变为整流级和逆变级两部分，推导了 矩阵式变换器和等效交一直一交变换器的开关函数和变换矩阵，得出了矩阵式变 换器和等效交一直一交变换器功率开关函数间的对应关系，建立了数学模型。同 时，探讨了矩阵式变换器空间调制策略及其安全换流控制的问题。 2 1 选择矩阵式变换器的调制策略 从理论上讲，矩阵式变换器的输入可以是n 相频率为一的交流电，输出可以 是m 相频率为尼的交流电，但在目前的实际研究中，往往以三相矩阵式交一交变 换器为主要研究对象。对于一组频率为缈，的三相输入电压谚，通过按一定规则控 制变换器中功率开关，可以合成所需频率为眈的三相输出电压玩，即：玩= t 一u i ， 式中变换矩阵f 的确定反映了矩阵式变换器的控制策略。 矩阵式变换器调制策略主要有以下三种方法： 1 通过对输入电压的连续斩波来合成输出电压，它可分为坐标变换法、谐波 注入法、双电压瞬时值控制法。这些方法虽各有一定的优点，但也存在其不足， 如坐标变换法矩阵变换器的输出电压偏低；谐波注入法计算量大，开关状态复杂， 对控制系统要求很高。 2 此法可称为交一直一交等效变换法、空间矢量调制法。目前在矩阵式变换 器中研究较多也较为成熟。它将交一交变换虚拟为交一直和直一交变换，等效为 整流和逆变，其具体实现时整流和逆变是一步完成的，低次谐波得到了较好的抑 制。其控制方案较为复杂，缺少有效的动态分析支持。 3 它以输出电压为控制目标，一般要求电流为对称正弦量，因此变换器输出 电流要跟踪给定电流呈正弦变化。它有两种基本实现方法：滞环电流控制法和预 测电流控制法。 滞环电流跟踪法是将三相输出电流信号与实测的输出电流信号相比较，根 据比较结果和当前的开关电源状态决定开关动作，它具有容易理解、实现简单、 响应快、鲁棒性好等优点，但开关频率不够稳定，谐波随机分布，且输入电流波 形不够理想，存在较大的谐波等。 预测电流控制法的基本思想是利用变换器下一开关周期的期望电流值和 当前的实际电流值可以计算出符合电流变化的变换器输出电压矢量，然后在变换 硕i j 学化论文 器的虚拟逆变器- ，返川空问矢量法合成这一输出电压矢量，就可以达到芷6 l 踪输出 电流的目的，似复杂阽和计算量将有所增加。采用交一直一交等效变换法可以使 用成熟的交一直一交变换器的调制策略，以获得较好的输出电压和输入电流波形。 本文的研究是基j i 这种变换方法进行的。 2 2 矩阵式变换器的交一直一交等效变换 矩阵式变换器交一交直接变换关系可以从等效的交一直一交变换中推得。一 个实现交一交变换的矩阵式变换器可以采用由一个虚拟的整流器和一个虚拟的逆 变器构成的等效交一直一交结构来代替，如图2 1 所示。采用这样的等效结构可 以充分利用已有成熟的交一直一交变换中的p w m 控制技术，并可通过对比分析 出如图2 2 所示实际矩阵式变换器的开关控制规律17 1 。 a b c c b a 嵋奄u b 串u 。 ； ，- ； l c ； 儿c 。 = j 鼋 吨 k i bvo a & 一 j “b 夕曳 拉 一争 i 一 c 岛屯 -ic 一 图2 1 矩阵式变换器的等效交一直一交结构图2 - 2 矩阵式变换器的原理性结构 首先，实际矩阵式变换器交一交直接变换关系为： 荔 = 差三篓差三篓 萋鞫 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 对于等效的交一直一交变换矩阵变换器分析图2 1 和图2 2 时，首先定义开 关函数s j k ：导通时，s j k = l ；断开时，s j k = 0 。 对于图2 - l 的等效交一直一交结构，j 口，b ，c ，彳，b ，c ，k p ，n 。由于输入是 电压源性质，输入电压不能被短路；输出为感性负载，输出电压不能突然开路。 按照这一原则，虚拟整流器中同一直流母线p 或n 上的开关必须有一个且只能有 一个处于导通状态，即 s a k + s b k + s c k = l ，k j p ，n ( 2 3 ) 而虚拟逆变器同一输出相a 、b 或c 上必须有一个而且只能有一个开关导通， 1j 船 。 加跏如跏 一 一 一 加 o跏跏如 硕i j 学位论文 即 s j p + s j n = l ，j a ，b ，c ( 2 - 4 ) 对于图2 2 的匀邙1 ：j 弋变换器实际结构，j 臼，b ，c ) ，k ep ，b ，c 。矩陌- 变换器 的两个输入相不能f i i jl i - j 同一。输出线相连以避免输入短路；同时每一输线j 澎始 终与一输入线连接以避免感性负载回路开路。按照这一原则，每一输 士 ， jjl 能连 至且必须连至一个输入相，故开关函数须满足： s i 。+ s j b + s j c21 ，j a ，b ，c j ( 2 - 5 ) 等效交一直一交变换器中虚拟整流器部分的变换关系为： u p = t s 。ps b p u n 2 。n s b n 雌卦 等效交一直一交变换器中虚拟逆变器部分的变换关系为： 骓雌卜 i p = 碴”s b p i n = 书心s b n 糊 h 洲 i c j ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 将式( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) 代入( 2 - 9 ) ，并按u 爿曰= u - u 口，= 一， = u c 一叽，可得输出线电压的表达式： s 啦s ”+ s b n s n 一0 s l p s 咿+ s l n s b 0 s 铲s p + s 蝌s 喇一t s b p s c p + s b n s c w 、 s ”s c p + s b n s 哺一0 s l p s p + s h n s n 、 将式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 代入式( 2 8 ) ，可得输入相电流的表达式： 1 3 ( 2 一1 2 ) 1j 叱虬 卅川川小 鼢鼢踮鼢鼢 + + + 鼢踮& 昂& 、r 一 鼢鼢鼢鼢 + + + 踮跏$跏跏跏踮鼢踮 + + + 鼢踮& 艮踮 一 跏跏跏踮踮踮 + + + 鼢踮踮厂111jl 硕 ：学位论文 i s ”s + sl q s a ns 廿s b p + s 州s b ns s 【 + s n s 【 i h = s ”s a l + s h n s a n s b p s b p + s b n s b n s h 口s 【1 + s h s 【n ( 2 - 13 、) 0 c _ s s ”+ s ：n s a n s c p s b p + s c n s n us s 【i 。s j n s 【n s j k = s j p s k v + s j n s k n ，j 彳，b ，c ) ，k a ，b ，c ( 2 1 4 ) 式中，g ，j ，k 臼，b ，c ，m ，n ，l a ，b ，c ，且g j k ，m n i 。 巧料七赫 西：-z：vrjuo。,sc。眈。s，(coo吮t-+430。+。30。2)。， 。2 。7 ， l jl c o s ( ，一九+ 3 0 。+ 1 2 0 。) j 一- c 。s ( c o o t 一九+ 3 0 。) - c 。s ( c o , t 一谚) 2 l c o s ( c o o t 一九+ 3 0 。+ 1 2 0 。) l c o s c o , , 一谚+ 1 2 0 。) j c o s ( c o o t 一九+ 3 0 。) 【- c o s ( c o o t 一统+ 3 0 。+ 1 2 0 。) j 彤! 。学化论文 g ：旦：生：型竺o 8 6 6( 2 2 2 ) g ：( c o s 旦1 2 c o s 三 ( 2 - 2 3 ) 万料鲁臣纂蒜2 ) 沼2 4 ， 万= 差 = 于r 7 。= 孚m lcos丸：ic荔os：(二r_o,象t-：b：,至)暑； c2 2 5 ) 由此可知输入电流的幅值： l = - ；- l o 。m c o s 吼 ( 2 2 6 ) 输入功率： 圪= - 、f 3 u , i , c d s g o ，= , s u o l oc o s 缈o = ( 2 - 2 7 ) 2 3 矩阵式变换器空间矢量调制 2 3 1 等效的交一直一交结构的空间矢量调制 由于矩阵式变换器可以等效成虚拟交一直一交变换器，因此可以采用较为成 帧i ? f ? ，论殳 熟、性能优越的空问矢量调制方式。 经典的