机场用三相-单相矩阵变换器的研究

Low voltage transfer ratio of Matrix Converter(MC) is one of the key factors restricting its application. In some situations, such as airport fields, the voltage class is relative low(115V 400Hz) and most of the equipments used there are single-phase supplied. Consequently, It becomes truly meaningful to do the research of the matris converters, which are three-phase input and single-phase output. The following research work about power decoupling, closed-loop control methods, and technology of grid-connected of MC will be developed : .1) Presenting the different power decoupling circuits for different three-phase to single-phase topologys of MCs, and designing the power compensation units of them; .2) Researching the relationships between the parameters of power decoupling units and the output frequency and the output volume of MCs, analyzing the harmonic compoments of the input current of MCs inproved by power decoupling units, and the approprate power decoupling units used in different situations;.3)Proposing a novel closed-loop control strategy based on virtual DC signals’s feedback,deducing the complex model of MCs controlled by this strategy;Analyzing its improved dynamic characteristics and the quick following feature;the modulation equations of switches in the virtual equivalent circuit of it,and the optimized modulation method is obtained;.4)Approaching the grid-connected control method based on the combination of power decoupling method and virtual technology,and it provides the technical foudation for MC.

电压传输比较低是制约矩阵变换器应用的关键因素之一，而机场微电网（115V 400Hz级）电压等级较低，单相设备居多，研究机场用三相-单相矩阵变换器很有意义。本课题针对机场用三相-单相矩阵变换器功率解耦拓扑、闭环控制策略、并网技术等方面展开以下研究：1）提出不同类型的三相-单相矩阵变换器功率解耦方法，设计脉动功率吸收单元；2）研究变换器输出频率、输出功率与功率解耦单元参数的关系；分析功率解耦单元参数对输入电流谐波含量的影响，并研究应用场合与功率解耦单元形式之间的关系；3）提出一种基于虚拟直流信号反馈的双闭环控制策略，建立基于该策略的三相-单相矩阵变换器复数域模型，研究其自适应性和动态响应速度；并进一步研究推导虚拟等效电路的开关管调制表达式，优化PWM调制策略；4）探索三相-单相矩阵变换器输入、输出解耦技术与虚拟逆变控制技术相结合的并网方法，为矩阵变换器的并网控制提供了技术基础。

115V、400Hz单相交流输出矩阵变换技术的研究给机场航空设备供电提供了一个新途径。三相输入—单相输出（115V、400Hz）交-交矩阵变换器（3-1MC）既可以满足使用要求，又不受矩阵变换器电压传输比较低（≤0.866）的制约，具有研究意义和应用前景。项目针对3-1MC拓扑结构、调制策略、输入—输出脉动功率的解耦机制，以及参数设计理论等进行了探讨和研究，研制了样机；成果丰富了3-1MC理论体系。本项目主要研究内容包括：（1）针对单相输出交交矩阵变换器输出脉动会直接影响输入性能的问题，提出了典型3-1MC拓扑结构的脉动功率吸收单元设计方法和解耦机制；研究其变换器输出频率、输出功率与功率解耦单元参数的关系，分析功率解耦单元参数对输入电流谐波含量的影响，以及应用场合与功率解耦单元形式之间的关系等；形成一套了3-1MC功率解耦理论；（2）针对2种典型的含功率解耦单元的3-1MC，分别提出基于虚拟直流母线电压和虚拟直流母线电流的双闭环反馈控制方案，建立其小信号模型，推导闭环控制函数，研究动静态性能及优化策略，形成了具有良好输入、输出性能的矩阵变换器研制体系；（3）提出了基于输入滤波器增广状态反馈的源侧虚拟阻尼和动态调制比的3-1MC控制策略，研究了基于虚拟逆变控制技术的源侧电流与微网侧电流的双闭环级联控制并网模式，显现了矩阵变换器的并网控制；（4）针对输入电压幅值不平衡情况，研究了基于正序输入电流分量为参考矢量的矩阵变换器虚拟整流控制策略，推导了其开关函数、解耦表达式等，实验验证了其可行性和正确性，为后续3-1MC不平衡条件下的研究工作打下了良好基础。. 项目圆满完成了计划内容，取得了高于预期的研究成果，具体为：(1)构建了2个3-1MC研究系统，并与三相AC可调压、可变频交流电源构成并网研究系统，完成预期成果中的硬件内容；(2)已发表国际期刊和国际会议文章计6篇（其中，SCI收录2篇，均被EI收录）、国内文章8篇（其中重要核心4篇）；已经录用待发表的重要核心文章1篇（EI源刊）；申请发明专利5项，已经获得授权2项，超额完成申请书中的预期成果“在国内核心以上刊物和国际刊物发表论文5-6篇，申请发明专利和应用专利2-3项”；(3)项目组成员参加国际学术会议3次，参加1次小国际论坛；（4）培养博士生3名（1名毕业，2名在读），硕士生7名（5名毕业，2名在读）。