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混合有源三次谐波注入矩阵变换器(H3IMC)是一种新型矩阵变换器(MC),它集成了有源前端变换器和电压型变换器。相较于传统的MC,H3IMC不仅继承了无需直流母线储能元件的特点,并且具有输入级和输出级控制解耦、无功功率控制能力强和输入端电流高次谐波含量更少等优势。取代现普遍使用的双PWM变换器,将H3IMC应用于交-交双向变换系统能够省去大容量储能用电解电容,有利于提高系统的功率密度。H3IMC的性能优势是由混合有源三次谐波注入变换级(H3C)带来的,三次谐波电流的有效跟踪控制是提高H3C交流侧电流质量和控制无功功率的前提。此外,调制算法的限制,使得H3IMC正向运行的电压传输比限制在0.866之内,基于双向功率流动特性,反向运行的H3IMC可使电压幅值至少抬升至输入的1/0.866倍,为了实现可靠地升压运行,须对输入输出协调控制。本文主要围绕H3IMC的正反向运行展开研究,采用理论分析、仿真研究和实验验证相结合的方法,重点研究三次谐波电流跟踪控制和恒负载电压的反向运行控制策略。H3C的三次谐波电流直接可控是实现其交流侧性能提高的基础。本文在介绍H3IMC的拓扑结构和注入三次谐波电流的原理之后,指出了传统电流跟踪方法在本拓扑中难以有效应用的原因所在,并提出了三种谐波跟踪控制策略,将H3C交流侧电压信息纳入影响因数,以减小电感电压正负值差异带来的电流调节器设计的复杂性,提高了不同输入条件下的电流控制性能。针对所提出的谐波电流闭环控制策略,分别在低频和中频工作条件下,对电流调节器进行了选型和参数设计。H3IMC的反向运行控制中,保证负载侧电压稳定、可控是首要目标,改善输入电流波形质量是第二目标。为了研究H3IMC反向运行系统的工作原理,本文推导了系统数学模型,并在此基础上分别对输出连接阻性负载和电网的工作情况,提出了反向运行控制策略。针对传统MC在轻载时可能出现的负载电压失控问题,利用H3IMC的拓扑特点,向其输出侧注入三次谐波,以提供输出滤波器所需的无功功率,从根本上解决了电压失控的问题。针对阻性负载工作情况,提出了电压外环、电流内环的控制策略,分析确定了电压外环PI调节器中比例系数和积分系数的取值范围。最后,利用Matlab/Simulink构建了正反向运行系统的仿真模型,设计并实现了以数字信号处理器和可编程逻辑控器件为控制核心的H3IMC实验样机,通过仿真和实验验证了本文所提控制策略的可行性和正确性,并为进一步研究提供了可靠的实验条件。