基于双级矩阵变换器的交流起动/发电机系统的控制策略

针对现有交流起动/发电机系统由于采用交－直－交变换器在体积、可靠性等方面存在难以克服的缺点，本项目提出采用双级矩阵变换器作为双向功率流变换器，与同步电机构成新型交流起动/发电机系统，将重点研究：工作原理、变换器拓扑与数学模型；起动过程变换器调制策略及其与系统控制策略的配合规律；宽转速范围下发电时变换器调制策略及其与系统控制策略的配合规律；起动/发电转换过程变换器的调制策略与系统控制方法；变换器中间直流环节无储能单元对起动、发电性能的影响及抑制不良影响的补偿控制策略，最后构成物理试验系统，进行试验验证。通过本项目研究，阐明基于双级矩阵变换器的新型交流起动/发电机系统的工作原理，提出起动、发电时双级矩阵变换器的调制策略，揭示其与系统控制策略的配合规律；分析出变换器无中间储能单元对系统起动、发电性能的影响，提出抑制不良影响的方法。本项目将为新型交流起动/发电机的实现建立理论和技术基础。

起动/发电机技术使发电机与起动机实现了统一，革除了传统的起动机，减轻了重量，提高了可靠性；因而引起人们关注并成为研究热点。起动/发电机由交流电机和双向功率流变换器构成，本项目提出采用双级矩阵变换器作为双向功率流变换器，与同步电机组合构成新型起动/发电机系统（TSMC-S/G系统），主要研究了如下内容：.1、对TSMC-S/G系统的两种拓扑结构（拓扑1：TSMC的双向开关侧与S/G电机相连，单向开关侧与电源或负载相连；拓扑2则相反）进行了研究，分析了其工作原理，建立了MATLAB仿真模型；比较分析两种系统拓扑结构的优缺点及适用场合。.2、研究了TSMC-S/G的变换器调制策略和电机起动控制方法。对于拓扑1，由于TSMC与电源、电机负载的连接方式与常见拓扑相反，提出了空间矢量控制和三相六拍控制这两种控制策略；而对于拓扑2，TSMC与电源、电机负载的连接方式与常规拓扑相同，则直接采用传统的空间矢量控制方法；对所提出控制策略进行了仿真分析和实验验证。.3、对TSMC-S/G的发电运行控制进行了深入的研究。研究了拓扑1输出电压的双PI闭环控制方法，以及拓扑2励磁电流与电压闭环相结合的控制方法。针对宽变频输入条件，研究了TSMC的谐波分析及其抑制方法；对TSMC-S/G发电运行中的输入功率因数控制方法也进行了深入的研究。最后还研究了系统起动和发电两种工作模式自动切换的实现方法。.4、TSMC-S/G系统在发电运行时，发电机的电流波形质量影响系统的稳定性和运行特性。本项目提出了输入参考电流可修正的控制方法，有效解决了由于TSMC输入电流闭环控制难以实现的问题，有利于提高系统稳定性以及消除电源电流的低次谐波。.5、TSMC直流环节无储能元件，母线电压波动将对系统控制性能产生不利影响。本项目针对此特殊问题，研究了起动控制中的转矩补偿策略，以及发电机输出电压不平衡时实现正弦输入电流的控制策略，仿真和实验结果验证了相关控制策略的有效性和可行性。.本项目执行期间，培养博士研究生3名，其中已毕业1名，1名博士生学位论文已完成（正在预审中）；培养硕士研究生4名，其中已毕业2名；共发表或录用相关论文19篇，其中SCI收录的期刊论文4篇，EI期刊收录的论文8篇，INSPEC期刊收录的论文1篇，以及EI收录的会议论文6篇；申请了22件发明专利，其中获得授权8件。