一体化LC滤波器和Quasi-Z源的间接矩阵变换器及其在交流电机变频调速系统中应用的研究

基本信息
批准号:51477008
项目类别:面上项目
资助金额:84.00
负责人:葛宝明
学科分类:
依托单位:北京交通大学
批准年份:2014
结题年份:2018
起止时间:2015-01-01 - 2018-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:王喜莲,刘硕,刘钰山,马庆庆,梁伟华,张浩,聂宁
关键词:
矩阵变换器ACAC变换器QuasiZ源变换器滤波器电机控制
结项摘要

Matrix converters have been increasingly studied for applications to AC variable frequency drives. However, conventional matrix converters present the low voltage gain less than 0.866 and weak ability against disturbances. The existing Z-source indirect matrix converters lead to non-full-silicon converters due to inserting Z-source networks in the dc-link, and the existing Z-source direct matrix converters require the complicated commutation. No matter what of conventional matrix converters, existing Z-source indirect matrix converters, or existing Z-source direct matrix converters, extra LC filter is necessary between the grid and matrix converter. The complex systems or limited functionbility of current matrix converters drag on the expansion of their practical applications in AC variable frequency drives. This project proposes a novel Quasi-Z-source indirect matrix converter, which is applied to AC variable frequency drives, through inserting the improved Quasi-Z-source network between the ac source and the rectifier stage, and the improved Quasi-Z-source network combines the boost function and filter function together, finally the special additional filter is eliminated. The proposed novel matrix converter, so-called LC-filter-integrated-in-Quasi-Z-source indirect matrix converter simplifies the whole system, and enhances the system functionability, for example, the voltage gain of matrix converter is extended, and these kinds of novel matrix converter-based ac drives have the ride-through ability against the grid voltage sag. We will carry out the wide and deep studies on the new topologies and new ac drives, and figure out the unknown intrinsic rules and key technologies. First, these kinds of new topologies are proposed, and the corresponding mathematic models are built. Secondly, we will propose the modulation methods, parameter design method for Quasi-Z source network, and control schemes for novel matrix converter and novel ac drives. All of theoretical findings are verified through using simulation results. Thirdly, the prototypes are set up to carry out broad experiments. The experimental results validate the proposed topologies, proposed parameter design method, and proposed modulation and control methods. The project works on the general fundamental of proposed topologies, modulation methods, and control methods, which will provide the important basis for the Z-source matrix converter's practical applications in AC variable frequency drives, also provide the theoretical fundamental and experimental verifications for Z-source matrix converter's industrialization.

矩阵变换器(MC)在交流调速系统中的应用一直倍受关注。但是,传统MC的电压增益低(小于0.866)、抗干扰能力差,现有Z源间接MC因Z源加在直流环节导致非全硅化,现有Z源直接MC换流复杂,而且它们都需增加输入LC滤波器,复杂或功能受限的MC现状制约了其在变频调速中广泛应用。 本课题提出一体化LC滤波器与Quasi-Z源的间接MC,将其应用于交流调速系统。通过LC滤波器与Quasi-Z源一体化,使新Quasi-Z源间接MC系统结构简化、功能提升,比如扩展MC电压增益,实现电机系统对电网电压跌落的穿越能力。首先,提出此类拓扑结构并建立其数学模型;其次,提出其调制方法、参数设计方法、控制策略等内容,并通过仿真验证;此外,搭建实验平台并进行实验研究和验证;最终,实现对上述拓扑、调制方法和控制策略等一般规律的探索。该项目将为Z源MC在交流变频调速领域应用奠定基础,为其产业化提供理论基础和实验验证。

项目摘要

本项目针对传统矩阵变换器固有的电压增益低和输出性能易受输入电压跌落影响、输入端LC滤波器不可避免等问题,提出了一体化LC滤波器和Quasi-Z源的间接矩阵变换器,并将其应用于交流电机调速系统,研究其控制方法。项目提出了四类连续型Quasi-Z源间接矩阵变换器新拓扑: (a) 一体化LC滤波器和Quasi-Z源的3相间接矩阵变换器; (b) 一体化LC滤波器和Quasi-Z源的简化间接矩阵变换器; (c) 模块化三电平3相Quasi-Z源间接矩阵变换器;(d) 一体化LC滤波器和Quasi-Z源的3相/单相间接矩阵变换器。建立了一体化LC滤波器和Quasi-Z源的间接矩阵变换器通用数学模型,包括一体化LC滤波器和Quasi-Z源的3相间接矩阵变换器模型和3相/单相矩阵变换器模型。基于所建立的模型,考查了电感、电容及其寄生电阻、直通占空比对系统性能的影响,提出了LC滤波器和Quasi-Z源一体化设计方法。比较了Z-源、断续QZS和连续QZS间接矩阵变换器,对比了各自的优缺点。提出了3种降低共模电压的调制方法,有效改善了QZS矩阵变换器的性能。提出了预测控制在Quasi-Z源间接矩阵变换器中的应用,改善系统动态响应的同时简化了系统实现。对于3相/单相Quasi-Z源矩阵变换器,提出了2倍频脉动功率补偿方案,以降低谐波、减小电感、电容参数。提出了基于直流环节峰值电压恒定控制的电机驱动系统和基于直通占空比优化自动调节的电机驱动系统,以克服电网电压跌落对负载的影响。后者以优化控制为基础,提出了Quasi-Z源间接矩阵变换器V/F电机控制方法和矢量控制方法,改善了电机调速系统的效率,实现了高性能运行。比较了Si-IGBT、混合SIC/Si功率器件和SIC-MOSFET器件在QZS-IMC中的应用,展示了SiC器件的优势。提出了QZS-IMC三电平电机驱动系统的三种调制方法,以降低系统共模电压和电机绕组的谐波电压。结合单模块QZS-IMC的优化运行控制,提出一种QZS-IMC三电平交流调速系统的综合控制方法,实现每个QZS-IMC模块内部独立优化运行,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。系统实现了四象限运行,并避免了电网电压跌落对系统性能带来的影响。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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