宽变频交流电源具有系统体积小、重量轻、可靠性高等优点,逐渐成为大型客机电源系统的主流发展方向,已经获得了成功应用。在变频电源系统中有相当一部分负载并不能直接采用变频电源供电,因此需要大量基于电力电子技术的变流器作为宽变频交流电源与用电需求之间的桥梁。双级矩阵变换器具有无电解电容、拓扑结构紧凑、输入输出性能优越、能量可双向流动等优点;相比于单级式矩阵变换器,还具有换流控制简单、整流级可实现零电流开关等优点。采用双级矩阵变换器作为传统航空交-交变流器的替代方案,有利于航空电源系统和用电设备进一步减小体积重量、提高功率密度、提高用电效率和降低民航客机的运维成本。因此,双级矩阵变换器在航空变频交流电源中具有良好的发展潜力和应用前景。本文主要围绕双级矩阵变换器在宽变频交流电源输入条件下的运行特性和控制策略展开研究,以理论分析为指导,通过计算机仿真和硬件实验相结合的方式,验证本文所推导的理论分析结果和所提出的调制、控制策略。本文首先介绍了双级矩阵变换器拓扑结构和基本调制原理,并针对宽变频输入的应用场合,研究输入滤波器的参数设计方法。根据变换器设定的额定功率和额定容量,以及TSMC的运行特性,划定输入滤波器参数设计所需覆盖的负载功率范围;然后再分析对于输入电流总谐波含量和输入功率因数而言最恶劣的工作条件,以确保所设计的滤波器参数在指标要求的整个功率范围内都能满足滤波要求;仿真验证了参数设计的有效性。其次,本文针对在宽变频输入条件下,IGBT器件PWM调制所能达到的载频比较低的问题展开研究。双级矩阵变换器的调制过程中,若采用对称调制,则开关损耗较大且容易出现窄脉冲问题;若采用不对称调制,则易造成输出电压和输入电流波形畸变的问题。为了分析这种波形畸变的形成机理,本文提出了“脉冲重心”的概念,用以描述调制过程中脉冲波形的分布特征,通过理论推导得出结论:脉冲波形的等效值与其单周期平均值之差等于单周期平均值与脉冲重心值乘积的微分量。根据脉冲重心理论,可分析出双级矩阵变换器输出电压中存在角频率为3n?in?(3m?1)?o的谐波,而输入电流中存在角频率为(3n?1)?in的谐波(?in、?o分别为输入、输出角频率)。在谐波分析的基础上,本文还提出了一种基于时变系数非齐次差分方程的占空比校正算法,在不改变调制方式、不增加额外开关次数的前提下,通过对逆变级和整流级空间矢量占空比进行适当的补偿,使得输出电压和输入电流脉冲序列等效值更接近期望的正弦波,抑制低频谐波;仿真和实验结果验证了理论分析的准确性、占空比校正算法的有效性和可行性。本文所提出的占空比校正算法虽然有效,但仍为一种开环校正方式,对系统参数适应性不强,因此本文还研究了基于双级式矩阵变换器的电能变换系统的输出电压闭环控制方法,提出了一种基于同步旋转坐标系的、电压电流双闭环PI调节器与自调谐谐振控制相结合的闭环控制方法,通过PI控制器调节三相输出电压dq轴分量中的直流分量,并且通过自调谐谐振控制器抑制由于不对称调制而产生的非整数次谐波。同时,还提出了一种改进的不对称调制方法,调整整流级的脉冲分布规律,在输出侧闭环控制的基础上,改善了输入电流的波形质量。然后,本文在输出侧接入LC滤波器以及采用双电压闭环控制的条件下,对双级矩阵变换器输入侧LC滤波器的稳定性问题进行了研究,分析了一些现有的有源阻尼算法的不足之处,在此基础上提出了一种新型有源阻尼算法,通过将输入电压dq轴分量的微分值前馈至输出侧双闭环控制结构中的电流内环给定值中,改善了变换器系统的稳定性;仿真和实验的结果验证了所提出有源阻尼算法的有效性和可行性。最后,本文介绍了双级矩阵变换器硬件实验平台的设计方案和控制软件的流程框图。在实验平台的构建过程中,提出了一种适用于TSMC的分步式自动停机保护控制策略,无需额外的箝位电路便可实现保护控制,使得TSMC的硬件电路更为简洁。在本文的所有试验过程中,该保护控制策略得到了很好的应用和验证。