基于Quasi-Z源间接矩阵变换器的交流电机变频调速系统研究

发布时间：2020-11-18 21:53

　　 当前,全球电力终端消费不断增加,其中交流电动机占电力终端消费的绝大部分,电机驱动系统的效率对能源的有效利用尤为关键。随着科技的发展,以电力电子技术为核心的交流变频调速技术在节能和大容量高性能交流传动控制系统中得到广泛应用。该技术不仅能有效地减少环境污染,而且可节能1/3以上。作为交流调速系统的重要组成部分,交流变换器一直是学界研究的热点。矩阵式交流电力变换器(Matrix Converter,MC)因其中间无储能装置的全硅化结构备受青睐。但是,直接矩阵变换器(Direct MC,DMC)存在复杂的换流过程、电压增益低、抗干扰能力差等劣势。近年来,随着间接矩阵变换器(Indirect MC,IMC)的研究和Z源/准Z源(Z-source/Quasi-Zsource,ZS/QZS)升压变换电路的提出,相关学者提出了一体化LC滤波器及准Z源间接矩阵变换器(QZS-IMC)。该拓扑一方面极大地扩展了传统矩阵变换器的电压增益范围,增强了抗干扰能力,另一方面,该拓扑将LC滤波器和Z源网络结合,消除了额外的输入滤波器。因此,QZS-IMC被视为是一种非常有潜力的交流电力变换器。然而,对该电路的研究和应用还处于探索阶段,缺乏深入的分析和控制研究。本论文重点研究了 QZS-IMC的数学模型、D最优化运行控制理论和三电平调制技术,以及在上述基础上,进行交流电机调速的控制研究。具体研究内容包括:首先,充分考虑准Z源参数及交流电路的特点,建立了 QZS-IMC的大信号模型,提出了比QZS-IMC现有模型更加完善的新模型。新模型能有效地体现交流电路的幅值、频率和相位等特点,有效克服了现有模型的不足。通过对模型升压比和功率因数影响的分析,证明了新模型比现有模型更加接近于电路真实效果,为QZS-IMC的参数设计和控制奠定了理论基础;其次,通过对QZS-IMC系统电压增益的研究,并依据最优化理论,提出了基于D最小化的QZS-IMC全范围优化运行控制策略。该控制方法以传统矩阵变换器的增益H为分界点,研究并推导出系统的最优化运行曲线,并在此基础上,设计了 QZS-IMC全范围优化运行控制策略。该控制方法能够确保QZS-IMC系统时刻运行于最优状态,为驱动电机的优化运行控制奠定了基础;再次,依据上述D最优化运行控制理论,以QZS-IMC驱动交流电机为背景,提出了 QZS-IMC电机驱动系统的优化运行控制方法。该控制方法将QZS-IMC的D最小优化运行控制和异步电机的双闭环矢量控制结合,设计了 QZS-IMC电机驱动系统的优化运行控制方案。该控制方法实现D自动优化以调节输出电压,并快速跟踪系统需求增益的变化,系统高效率运行的同时,确保了其对电网电压跌落的穿越能力;然后,为实现对高压大功率电机的驱动,以开绕组异步电动机为负载,提出了 QZS-IMC的三电平拓扑和三种调制方法。所提出的双QZS-IMC模块三电平拓扑结构,实现了低压电源驱动高压电机,变换器具有模块化结构。所提出的三种调制方法,可降低系统共模电压和电机绕组的谐波电压。同时,分析对比了三种调制方法,展示了各自的特点。最后,结合单模块QZS-IMC的优化运行控制,提出了 QZS-IMC三电平交流调速系统的综合控制方法。该控制方法可实现每个QZS-1MC模块内部独立优化运行,并通过总体协调控制,确保系统高效率、高电网电压利用率、高直流侧电压利用率。同时,系统可实现四象限运行,并具备低电压穿越能力,避免了电网电压跌落对系统的影响。本文在上述各方面进行了详细、深入的理论分析、广泛的仿真和实验验证,将有效促进QZS-IMC的理论完善,并将推动其在电机驱动领域的应用和发展。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM34
【部分图文】：

ａ图１－１全球能源终端消费情况．（ａ）?１９７３和２０１２年能源消费结构对比；??（ｂ）?２０１０－２０５０年全球终端能源消费结构??Ｆｉｇ．?１－１?Ｇｌｏｂａｌ?ｅｎｅｒｇｙ?ｔｅｒｍｉｎａｌ?ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，?（ａ）?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｅｎｅｒｇｙ?ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??ｂｅｔｗｅｅｎ?１９７３?ａｎｄ?２０１２；（ｂ）?Ｇｌｏｂａｌ?ｔｅｒｍｉｎａｌ?ｅｎｅｒｇｙ?ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｆｒｏｍ?２０１０?ｔｏ?２０５０??（２）我国交流电机占电力终端中绝大部分??

Ｉ?６０?Ｂ?ｍ？?＾?：?ｆ＿Ｂ?＿?ａ＿大防?ｊ＾Ｚ．?２０１０?２０２０?２０３０１５２％?熟?年份??２０１２＾?Ｓ煤炭逸石浊＿夭然气Ｂ电）?０）??能源终端消费情况．（ａ）?１９７３和２０１２年能源消费结构（ｂ）?２０１０－２０５０年全球终端能源消费结构??ｙ?ｔｅｒｍｉｎａｌ?ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，?（ａ）?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｅｎｅｒｇｙ?ｃｏｎｓｕ１２；（ｂ）?Ｇｌｏｂａｌ?ｔｅｒｍｉｎａｌ?ｅｎｅｒｇｙ?ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｆｒｏ机占电力终端中绝大部分??数据统计，我国发电量的６０％－７０％左右用于流电动机，可见在我国终端能源消费中，交驱动方式大部分为直接拖动，不仅能源利用污染［６，７１。??

?北京交通大学博士学位论文（３）电力电子技术成为解决问题的重要手段??电力电子技术作为新能源能源变换的纽带和解决环境污染的必要手渗透到电力应用的各个方面，包括电力系统、工业、交通、航天、信息与如图１－３所示，并直接或间接地创造出了巨大的经济效益和社会效益。未的电能均需通过电力电子技术处理后再加以利用，以便提高能源利用率和率，实现再生能源的最大利用率［８－９］。??
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本文编号：2889247