直接式交-交矩阵变换器具有可实现输入单位功率因数、无大容量电容构成中间直流环节等优点,但直接变换使得输入与输出耦合性增大,这导致输入侧不平衡等异常情况出现时,输出侧性能受到影响,同理,输出负载功率不对称,也会引起输入侧性能的降低。针对上述问题,本文依据维持虚拟直流母线平均电压或平均电流的恒定达到输入与输出功率解耦的原理,采用改进调制方法、优化内外环调节器设计、引入补偿单元等方法,达到输入输出解耦、降低相互影响的目的,同时,又保持了矩阵变换器输入谐波含量低和功率因数高的特点。论文针对三相输入矩阵变换器在单负载、双负载工作时的改进调制方法、补偿单元、闭环控制理论和系统性能优化方法展开了较全面的研究,形成了一套理论方法,并对论文提出的方法和理论进行了仿真和实验验证。维持虚拟直流母线平均电压或平均电流的恒定是实现输入与输出功率解耦的理论基础。本文研究了常规调制方法下多负载单相输出矩阵变换器虚拟直流母线电流的组成成分,分析了现有调制方法在不平衡输入情况下对输入与输出性能的影响,进而提出了一种网侧电流正负序分量解耦双闭环控制策略,该策略不仅实现了虚拟直流母线平均电流的恒定,而且在外环控制中以输出相与补偿相电压的加权合成量作为控制对象,从而避免了对输出交流量的直接控制。针对上述所提控制策略中选用的调节器为线性调节器和内环中需要整定的参数较多等问题,基于李亚普诺夫稳定原理,提出了不平衡输入条件下多负载单相输出矩阵变换器非线性控制策略。多负载对称双输出矩阵变换器的前馈解耦控制方法能提高系统的动态响应性能,但该方法在不对称输出的情况下无法追踪输入电流中的负序分量。本文阐述了双负载对称双输出矩阵变换器双闭环控制策略,基于状态方程建立小信号和平均信号模型,分析并推导了输出电流加权合成控制的表达式。本文进而针对输入与输出同频情况下独立调节两相输出时,输出功率中含有交流分量,提出了一种基于网侧负序调节器的正负序电流分量解耦控制策略,该方法通过合理分配输出脉动功率中的交流量,使该交流量仅影响输入电流的幅值而不引入三次谐波,给出了这种情况下的前馈解耦控制表达式,并详细分析了所提策略对输入侧性能的影响。在输入输出频率不同的矩阵变换器中独立调节正交两相输出时,现有的方法仅仅研究如何提高输出性能,还没有对输入电流中谐波的抑制展开研究。本文提出在输出侧引入一组双向开关和功率补偿单元,详细描述了功率补偿的实现过程,针对该拓扑,提出了具体的调制方法和双闭环控制策略,包括了扇区的划分、开关组合模式、有效矢量作用时间的计算、输入与输出控制对象的选取以及闭环调节器中各参数的优化方法,并对比引入补偿单元前后的系统性能。矩阵变换器电压利用率低是限制其应用的主要因素之一,采用过调制方法和在拓扑中引入Z源网络是现有研究中的两个方向。上述方法应用到多负载矩阵变换器均会使得功率解耦不完全,导致输入侧仍然含有一定量的低频谐波。因此,研究拓宽多负载矩阵变换器电压利用率的线性调节方法非常有必要。本文提出了一种开关组合优化调制方法,该方法通过引入新的开关组合用以提高单位周期时间内的有效矢量利用率,采用本文所提方法不仅仍然能实现功率解耦,而且有效提升了电压利用率,扩大了线性调节区间。本文搭建了基于数字信号处理器+复杂可编程逻辑器件为核心的实验样机,通过实验验证了本文所提方法的有效性和可实现性,并为后续调制方法与控制策略的改进提供了实验平台。