基于自抗扰控制器的双级矩阵变换器的闭环控制研究

论文摘要

双级矩阵变换器（two-stage matrix converter,简称TSMC）是一种新型矩阵变换器,它继承了传统矩阵变换器（conventional matrix converter,简称CMC）的诸多理想特性,又具有功率开关器件相对较少、箝位电路大大简化、换流简单可靠、控制算法的复杂性降低等优点。论文介绍了TSMC的拓扑结构及其调制策略,并引入自抗扰控制技术（auto disturbance rejection controller,简称ADRC）对TSMC的输出电压进行了闭环控制。论文的主要工作包括:介绍了TSMC的拓扑结构和开关传递函数、目前普遍采用的整流级无零矢量的空间矢量调制策略以及TSMC的换流。针对实际应用中的各种非理想运行条件和扰动对TSMC输出电压质量的影响,论文以TSMC逆变级为闭环控制对象,将输入电压扰动转化为逆变级输入侧直流电压的扰动,提出了一种TSMC输出电压瞬时值的反馈闭环控制方法。由于TSMC系统的非线性强耦合特性,传统的PID控制器（Proportional-Interal- Derivative）在TSMC的闭环控制系统中效果不大理想。ADRC是一种基于过程误差来减小误差的非线性鲁棒控制技术,从根本上改进了经典PID所固有的缺陷,在不确定性系统的估计和控制中得到了广泛应用。论文中利用dq变换,建立了同步旋转坐标系上的TSMC稳态数学模型,并依此构造出二阶自抗扰控制器,对系统模型中的不确定因素和各种扰动进行动态观测和实时补偿。为了验证基于ADRC的TSMC闭环控制策略的优越性,论文分别对采用ADRC的闭环控制系统和基于PID的闭环控制系统进行了仿真对比。仿真结果表明,基于ADRC的闭环控制能够使TSMC系统对负载突变具有良好的动态响应性能,在输入输出不平衡等运行条件下也能保证系统的稳态输出性能。与基于经典PID控制技术的仿真结果相比,在同样的扰动情况下其控制性能明显优于PID控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 常规电力变换器
• 1.2 矩阵变换器
• 1.3 矩阵变换器的研究发展历史
• 1.4 双级矩阵变换器
• 1.4.1 双级矩阵变换器的提出
• 1.4.2 双级矩阵变换器的研究现状
• 1.4.3 双级矩阵变换器输出电压控制策略的研究意义
• 1.4.4 双级矩阵变换器输出电压控制策略的研究现状
• 1.5 自抗扰技术特点及其在电力电子领域的研究现状
• 1.6 论文的研究内容
• 第二章 双级矩阵变换器拓扑结构及其调制策略
• 2.1 双级矩阵变换器
• 2.1.1 双级矩阵变换器的拓扑结构
• 2.1.2 双级矩阵变换器的开关传递函数
• 2.2 双级矩阵变换器的空间矢量调制策略
• 2.2.1 整流级无零矢量的空间矢量调制
• 2.2.2 逆变级的空间矢量调制
• 2.3 双级矩阵变换器的换流
• 2.4 TSMC 输出电压的仿真波形
• 2.5 本章小结
• 第三章 自抗扰控制器概述
• 3.1 引言
• 3.2 自抗扰控制器介绍
• 3.3 自抗扰控制器的基本原理
• 3.3.1 自抗扰控制器结构原理
• 3.3.2 自抗扰控制器参数的整定
• 3.4 自抗扰控制器的稳定性分析
• 3.4.1 绝对稳定性
• 3.4.2 自稳定域
• 3.5 本章小结
• 第四章 双级矩阵变换器的自抗扰控制策略研究
• 4.1 双级矩阵变换器的闭环控制系统框图
• 4.2 控制对象模型
• 4.3 自抗扰控制器的设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 仿真研究
• 5.1 仿真平台
• 5.2 系统仿真模型
• 5.2.1 主电路
• 5.2.2 闭环反馈环节
• 5.2.3 测量模块
• 5.2.4 系统的控制算法
• 5.2.5 仿真结果及分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 双级矩阵变换器试验平台的设计及制作
• 6.1 硬件电路
• 6.2 软件设计
• 6.3 样机实验
• 6.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读硕士学位期间公开发表的论文）
• 附录 B（攻读硕士学位期间参与的科研项目）