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与传统“交直交”变流器不同的四象限变流器被广泛应用在现代交流电力传动系统、新能源并网发电、飞轮储能系统、无刷双馈电机驱动控制系统以及中高压变频技术等领域。随着电力电子器件的不断更新,其耐压等级与开关频率得到显著提高,与此同时现代控制理论的蓬勃发展为四象限变流器提供了广阔的应用前景和发展空间。本文针对四象限变流器的核心拓扑结构进行了详细介绍,并分析了该拓扑结构的工作原理。在此基础之上扩展了其应用领域,将其应用于油井抽油机的电机控制、高压级联变频系统以及船舶轴带同步发电机变流器系统。并在各自的领域内,根据该领域的应用特点进行了关键技术的分析和理论验证。主要内容包括以下几个方面：(1)PWM调制方式是由变流器主电路拓扑结构所决定。在传统三相桥结构中主要应用正弦脉宽调制(SPWM)方式和空间矢量调制(SVPWM)方式。为了提高直流母线电压的利用率常应用SVPWM技术作为整流器和逆变器的调制方式。针对中性点电压钳位型(NPC)三电平和T型(T-type)三电平拓扑结构,为了控制电容中点电压平衡,在三电平SVPWM调制方式中引入中点电压平衡策略。主要是合理利用每个扇区的正、负小矢量和中矢量,根据中点电压的偏差和流入电容中点的电流方向及大小确定三者之间的组合关系,得到一个变化的虚拟中矢量参与SVPWM调制,这样可以有效抑制直流母线中点电压波动。针对H桥级联多电平拓扑结构,类比载波移相CPS-SPWM调试技术,对错时采样空间矢量调制技术(STS-SVPWM)进行了简化。分析了两种级联多电平调制技术的异同点,给出两种调制方式在数字控制系统中的实现方法和仿真实验波形。(2)电流控制技术作为PWM整流器电压、电流双闭环控制的关键技术,决定了整流器的动、静态特性。传统的电流控制技术主要是通过有功和无功电流在旋转d-q坐标系下的解耦PI控制来实现。其中旋转坐标变换的角度是否准确和电感解耦是否完全,决定了PI控制效果的好坏。在一些特定的电网条件下,如电网电压不对称、电网谐波含量较高,或者是应用在轴带同步发电机变流器等场合,整流器输入电压相位和线路电感参数的准确性将难以保证。针对这些工况,先后提出了基于复矢量PI控制器的无电感参数电流解耦控制和基于自适应PR控制器与变频谐振锁相环的新型准直接功率控制。仿真和样机试验验证了所提控制策略的正确性和可行性。(3)四象限变流器中的逆变部分主要用来控制交流电机(如感应电机或永磁同步电机)或者作为三相电源(如并网有源逆变或独立供电),均能获得优良的控制性能。在现代交流传统系统中,交流电机矢量控制因其良好的静、动态品质,已成为主流。但由于矢量控制系统是一个多环控制系统,需要整定参数较为复杂。本文在分析了感应电机复矢量数学模型的基础上,实现了感应电机的完全解耦控制,并对矢量控制中各环路的控制器参数整定方法进行深入研究。在转子磁场定向控制的基础之上分析了感应电机无速度传感器矢量控制策略,提出了一种滑模参考自适应速度辨识方法,并应用在了四象限变流器和能馈式H桥级联高压变频器系统上,获得了较好的动、静态性能。当逆变侧作为三相电源时,提出了基于交流电压幅值外环和限流内环的独立供电双闭环控制策略。为了能够与柴油发电机并联运行,设计了基于同步发电机下垂特性的逆变器并网控制策略,且能与独立供电模式进行平滑切换。(4)为了提高四象限变流器系统的功率响应,研究了负载电流前馈控制,并设计了负载电流观测器。为了进一步抑制直流母线电压的脉动,并实现直流电容的最小化,在分析了四象限变流器小信号模型的基础上,本文设计了一种包括电容电流在内的综合电流前馈控制策略,该方法在不需要增加直流母线电流传感器的前提下,在一个开关周期内通过采集逆变侧的电压和电流信息计算出PWM整流器的综合电流指令,从而提高了直流母线电压抗负载扰动的能力。通过对四象限变流器的样机试验验证了所提控制方法的正确性和有效性。