非理想情况下矿用矩阵变换器自抗扰技术的研究

In the field of coal-mining electric drive，high power AC frequency control of motor speed has become the main techniques of achieving automation and energy saving in electric drive. Matrix converter（MC）with requirements ideal variable high power supply including：a sinusoidal input and output characteristics，input power factor can reach above 0.99 and can be adjusted freely,two-way flow of energy meet the needs of four-quadrant operation of the motor, and so on. Because the coal mine spot environment, the interference source, rather than the ideal case control strategy of matrix converter, reliable commutation and fault protection control and other key technology is still not fully,often leads to power supply side short circuit and load side breaker fault which restrict its application in the coal industry.According to the fluctuation of coal mine power network and mutiple harmonic input,commutation strategy of low reliability ，we research group proposed improved commutation strategy of two step commutation strategy, which can shorten the commutation time, reduce the switch loss, improve the reliability of the improved commutation strategy.According to the matrix converter control unstable situation under input voltage power grid of coal mine in non normal working condition ,we design a robust matrix converter nonlinear auto disturbance rejection controller, the controller estimation and compensation the external disturbance and model uncertainty caused by internal disturbance , the ADRC control system improves the matrix converter abnormal input voltage conditions anti-interference ability, improves the transient and steady state performance of system under the load imbalance circumstances.

电气传动领域，大功率交流变频调速已成为煤矿现场实现自动化和节能的主要技术手段。矩阵变换器具备理想大功率变频电源所要求的性能：正弦的输入输出特性，能实现能量的双向流动，满足电机四象限运行的需要等。但是由于煤矿现场环境恶劣，干扰源多，而非理想情况下矩阵变换器可靠换流、控制策略等关键技术仍不充分，经常会导致电源侧短路和负载侧断路等故障，制约了其在煤矿工业的应用。针对煤矿电网输入波动大、谐波多、换流策略可靠性低情况，课题组提出了改进型的两步换流策略，改进后的换流策略缩短了换流时间、减少了开关损耗、提高了换流可靠性；针对煤矿电网输入电压非正常工况下，矩阵变换器控制不稳定情况，设计一种鲁棒性良好的矩阵变换器非线性自抗扰控制器，该控制器对由外部扰动和模型不确定性引起的内部扰动进行估计和补偿，自抗扰调速系统提高了矩阵变换器输入电压非正常工况下的抗干扰能力，改善了负载极度不平衡情况下系统暂态和稳态性能。

矩阵变换器作为一种新的柔性交流型电力电子变换器具有一系列优势，例如：不含电容或电感元件使变频装置便于利用且使用寿命长；换流方式简单，能实现四象限运行，有利于节约资源；对负载输入功率因数高，谐波污染小；具有同时提供正弦输入电流和输出电压等众多优点，非常适合煤矿调速系统要求，在矿井提升机等方面具有广阔的应用前景。但是，矩阵变换器的优点能否实现依赖于换流策略的选取以及矩阵变换器调速系统控制策略的选取。.矩阵变换器换流方式一旦失败将会导致输入输出的畸变，其优越性也不复存在，换流过程的复杂性和安全性成为制约其在大功率场合推广使用的主要因素。而且，矩阵变换器作为一种新型拓扑结构，其电力直接变换的特性使矩阵变换器输出侧性能极易受扰动影响，因此针对煤矿电网输入电压非正常工况下，矩阵变换器控制不稳定的情况，对矩阵变换器系统采取控制策略是非常必要的。.为简化换流步骤，提高换流的可靠性，本项目在分析国内外已有的换流策略优缺点后，提出了一种改进的电压型的两步换流策略，将输入电压进行扇区划分，有效组合双向开关导通状态，解决负载电流方向对换流的影响，减少开关切换次数，节省了换流时间；引入临界区间，结合零矢量调制，避免两相电压幅值接近时出现相间短路，输入输出波形质量也得到提高。为提高矩阵变换器的输出性能，本项目提出了一种用于矩阵变换器的简化非线性自抗扰控制策略，设计了一种与对象模型无关的自抗扰控制器应用于矩阵变换器系统，并且为解决自抗扰控制器控制模块的不光滑非线性函数导致矩阵变换器系统输出量谐波成分增大的问题，在自抗扰控制器的基础上，改进了自抗扰控制器模块的非线性函数并简化了其控制环。.为验证本基金提出的改进的电压型的两步换流策略和矩阵变换器的简化非线性自抗扰控制策略，分别在基于DSP+CPLD实验平台上进行了测试，数据结果证明了改进后的换流策略和改进后的自抗扰控制策略的可行性。