多输出间接矩阵变换器-多电机调速系统运行机制与优化控制研究

Indirect matrix converter (IMC) is a novel direct AC-AC power converter with high quality input/output waveforms, bi-directional power flow capability and compact structure. IMC is very suitable to feed multiple motors. In this project, a multi-output IMC will be applied to constitute a novel multi-drive system. The operation mechanism of this system will be investigated under different working conditions (with different power flow or fault cases). Furthermore, the researches on this system will be carried out through the improvement of conventional modulation strategy, the applications of novel control methods and the fault-tolerant operation. Based on these works, the optimal control strategies will be proposed, which include the coordination control algorithm considering both the power quality at grid side and the motor drive performance, the finite control set based model predictive controller, the mode switching technique between normal operation and fault-tolerant operation and the fault-tolerant control strategy. The final destination of this project is to achieve a multi-output IMC based multi-drive system with high performance, high efficiency, high reliability, high power density, perfect functions and good extendibility, which will promote the development of adjustable-speed drive technologies.

间接矩阵变换器是一种输入输出性能优良、能量双向流通、结构紧凑的新型交-交电力变换器，非常适合用于驱动多台电机运行。本项目将利用多输出间接矩阵变换器构成新型多机调速系统，深入分析其在不同工况（不同功率流和故障情况）下的运行机理，并从传统调制策略的改进、新型控制方法的引入以及容错运行三方面着手，研究并提出相应的优化控制方法，包括综合考虑变换器网侧性能和电机调速性能的协调控制算法、基于有限控制集的模型预测控制器、系统正常运行与容错运行之间的切换控制以及容错运行模式下的控制策略。最终实现一套高性能、高效率、高可靠性、高功率密度且功能完善、易于扩展的多输出间接矩阵变换器-多电机调速系统，以促进高性能交流调速技术的发展。

间接矩阵变换器是一种输入输出性能优良、能量双向流通、结构紧凑的新型交—交电力变换器，非常适合用于驱动多台电机运行。本项目利用多输出间接矩阵变换器构成新型多机调速系统，深入分析其在不同工况（正常情况和故障情况）下的运行机理，并从传统调制策略的改进、新型控制方法的引入以及容错运行三方面着手，对如下内容进行了深入研究：1）多输出间接矩阵变换器—多电机调速系统的运行模态分析与协调控制方法；2）多输出间接矩阵变换器—多电机调速系统的模型预测控制；3）多输出间接矩阵变换器—多电机调速系统容错运行的电路拓扑与切换控制；4）多输出间接矩阵变换器—多电机调速系统容错运行控制策略。取得的主要创新性成果包括：1）基于不同控制策略下输入电流谐波特性分析，构建了间接矩阵变换器谐波最小脉冲宽度分布方式；2）基于有限控制集的模型预测控制，提出了间接矩阵变换器网侧电流谐波抑制方法；3）提出了基于输入电压观测的间接矩阵变换器零电流换流控制方法；4）提出了间接矩阵变换器-电机调速系统的双电流模型预测控制方法；5）提出了间接矩阵变换器-电机调速系统的优化模型预测控制方法；6）提出了多电机调速系统简化模型预测控制策略；7）提出了永磁同步电机新型无差拍预测电流控制策略；8）针对容错运行模式（五桥臂逆变器-双异步电机调速系统），提出了无电压传感器开路故障诊断方法；9）提出了五桥臂逆变器的优化调制方法和基于零矢量调节的调制方法；10）提出了五桥臂逆变器-双异步电机调速系统的零矢量交错模型预测控制方法；11）提出了面向宽速域五桥臂逆变器-双电机调速系统的无权重系统模型预测控制方法。仿真和实验结果表明，项目提出的一系列特性分析方法、改进优化控制方法和容错运行机制可以显著提高系统运行性能，从而实现了一套高性能、高效率、高可靠性、高功率密度且功能完善、易于扩展的多输出间接矩阵变换器—多电机调速系统，促进了高性能交流调速技术的发展。