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1、湘潭大学 硕士学位论文 基于智能控制器的双级矩阵变换器闭环控制研究 姓名：陈杰 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：邓文浪 20070501 I 摘 要 双级矩阵变换器（Two-Stage Matrix Converter，简称 TSMC）不仅继承了常规 矩阵变换器（Conventional Matrix Converter，简称 CMC）的优良特性，而且具有 开关器件较少、换流简单可靠等优点，因此成为更具发展潜力的新型变换器。在 实际应用中，由于 TSMC 无中间储能元件，电网电压波动、负载扰动等都会对其 输出电压产生影响；另外，由于受器件性能、计算误差或随机扰动等影响，
2、都会 直接引起 TSMC 输出电压的不稳定。针对以上情况，本文对 TSMC 输出电压的闭 环控制策略展开研究，使 TSMC 克服以上扰动带来的影响。 TSMC 运行于开关状态，是一个非线性系统，难以建立精确的数学模型，虽然 常规 PI 控制器由于其结构简单，调整方便，稳定性好等优点被广泛应用于过程控 制和运动控制中，但对于具有时变、非线性特性的被控对象的适应性较差。因此， 有必要引入与被控对象模型无关、广泛适用于非线性系统控制的智能控制技术， 以提高 TSMC 闭环控制的性能。神经元具有自学习、自适应能力，控制过程中不 依赖于控制对象的数学模型。本文提出了一种基于神经元 PID 控制器的 TS
3、MC 闭 环控制策略。通过 3s/2r 变换，将双级矩阵变换器的交流输出电压反馈量和给定量 转换为 dq 坐标上的直流量， 利用神经元 PID 控制器对输出电压给定进行跟踪控制。 同时，利用专家控制或模糊控制对神经元 PID 控制器的增益进行在线调节，以完 善控制器的性能。仿真结果表明，与采用常规 PID 控制器的 TSMC 闭环控制系统 响应相比，神经元 PID 控制的系统响应动、稳态性能良好，并具有较强的鲁棒性。 同时，论文还设计了以 TMS320LF2407 评估板为控制核心的 TSMC 实验平台，并 对其调制策略进行了验证。 关键词关键词：双级矩阵变换器 空间矢量调制 闭环控制 神经元
4、 PID 控制 专家控 制 模糊控制 扰动 II ABSTRACT Two-stage matrix converter (TSMC) inherits many ideal characteristics from conventional matrix converter (CMC), and has other merits, such as: reduced number of switches, simple and reliable inversion. So TSMC is a novel matrix converter with huge development potent
5、ials. But TSMC has no energy storage device in direct current stage, all kinds of no-ideal operation conditions and disturbances such as voltage sources sudden change and load disturbance will deteriorate its output performances. In order to conquer the disturbances, this paper researched the closed
6、-loop control strategy of output voltage. TSMC is a nonlinear system when runs in switch-state, its difficult to set up its precise math model. Due to its simple structure, convenience of adjusting parameters, good stability, the conventional PID controller is widely applied in process control and m
7、ovement control, but it adapts not well to time-varying, nonlinear controlled device. Therefore, its necessary to introduce intelligence control technology which doesnt rely on its controlled devices math model and is widely applied in nonlinear control system. Single neuron has self-learning and se
8、lf-adjusting ability, and doesnt rely on its controlled devices math model in process control. This paper proposed a strategy of closed-loop control of TSMC based on single neuron PID controller. The back-feed and reference voltage are transformed into direct current voltage by 3s/2r transformation,
9、 two single neuron PID controllers are used to track the reference of output voltage. Meanwhile, experts control or fuzzy control is used to adjust the gain of the single neuron PID controller, furthermore, to improve the performance of controller. Compared with PI controllers through simulation, th
10、e simulation result shows the closed-loop system with single neuron PID controllers has good dynamic、steady performance and strong robustness. At last, a TSMC experiment platform was set up, circuits and program were debugged. Key words: Two-stage matrix converter space vector modulation closed-loop
11、 control single neuron PID control expert control fuzzy control disturbance 湘潭大学湘潭大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保
12、留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 湘潭大学硕士学位论文 基于智能控制器的双级矩阵变换器闭环控制研究 第 1 页 共 55 页 第一章 绪 论 1.1 常规电力变换器 随着电力电子技术和计算机控制技术的迅速发展，各种电力变换器在国民经 济建设中得到了广泛的应用。在能源紧缺的今天，许多工业发达国家在积极
13、进行 新能源开发，电力变换器已在工业生产、交通运输、人民生活等诸多领域获得了 广泛的应用。专家预计：本世纪发达国家将有 60%左右的电力需要经变换后才能 被利用1，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。 但是，电力变换器在给国民经济带来巨大效益的同时，也对国民经济赖以生 存和发展的电能质量构成了前所未有的严重污染。它使得电力系统谐波增加、无 功分布不合理、电压不平衡。有资料统计，电力系统中 73%的谐波来源于各种整 流装置。收到污染的电能会导致电能损耗的增加、对继电器等自动控制装置产生 干扰、造成电能计量误差、对输电线附近的通讯线路产生干扰、引起
14、无功补偿电 容器组谐振等诸多负面效应2。 我国广泛使用的传统电力变换器如交直交电力变换 器、交交周波变换器等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 1/31/2 工频、输入功率因数低、需要大容量的无功补偿装置、整机体积 庞大、紧凑性低，控制复杂。目前用量最大的是基于交直交变换的通用变频器， 其缺点是中间直流环节的滤波元件尺寸过大，造成整机的成本高，体积大和集成 度低，可靠性低。 解决电力污染通常采用的方法是装设补偿装置来补偿谐波和无功功率，谐波 的补偿一般采用无源 LC 滤波器或有源滤波器，但这种方法不仅代价高、而且在实 质上是一种先污染后治理的办法，因而不能从根本上解决
15、问题。而积极的办法应 该是开发高功率因数和低谐波污染的“绿色环保”的电力变换器，从根本上消除 谐波源，达到积极有效治理电力污染的目的。这种“理想”的电力变换器应该具 有如下特点： (1) 良好的输入输出特性； (2) 高输入功率因数，消除对电网的谐波污染； (3) 能实现能量的双向流动，满足电机四象限运行的需要； (4) 结构紧凑，具有较高的能量密度和传输效率。 综上所述，由于传统电力变换器存在的问题以及电力系统消除谐波源的迫切 要求，研究新型的既有优良输入输出性能、成本低、结构紧凑可靠的电力变换器 已成为当前的发展趋势。矩阵式变换器（Matrix Converter，以下简称 MC）正是在 这种形势下应运而生。 湘潭大学硕士学位论文 基于智能控制器的双级矩阵变换器闭环控制研究 第 2 页 共 55 页 1.2 矩阵变换器 矩阵变换器的研究始于 1976 年，但由于当时器件和微处理器技术水平所限， 并未引起广泛关注。随着电力电子技术和微处理器技术的发展，矩阵变换器以其 诸多理想特性逐渐成为研究的热点，近二十年的
