當(dāng)前,全球電力終端消費(fèi)不斷增加,其中交流電動機(jī)占電力終端消費(fèi)的絕大部分,電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率對能源的有效利用尤為關(guān)鍵。隨著科技的發(fā)展,以電力電子技術(shù)為核心的交流變頻調(diào)速技術(shù)在節(jié)能和大容量高性能交流傳動控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)不僅能有效地減少環(huán)境污染,而且可節(jié)能1/3以上。作為交流調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分,交流變換器一直是學(xué)界研究的熱點(diǎn)。矩陣式交流電力變換器(Matrix Converter,MC)因其中間無儲能裝置的全硅化結(jié)構(gòu)備受青睞。但是,直接矩陣變換器(Direct MC,DMC)存在復(fù)雜的換流過程、電壓增益低、抗干擾能力差等劣勢。近年來,隨著間接矩陣變換器(Indirect MC,IMC)的研究和Z源/準(zhǔn)Z源(Z-source/Quasi-Zsource,ZS/QZS)升壓變換電路的提出,相關(guān)學(xué)者提出了一體化LC濾波器及準(zhǔn)Z源間接矩陣變換器(QZS-IMC)。該拓?fù)湟环矫鏄O大地擴(kuò)展了傳統(tǒng)矩陣變換器的電壓增益范圍,增強(qiáng)了抗干擾能力,另一方面,該拓?fù)鋵C濾波器和Z源網(wǎng)絡(luò)結(jié)合,消除了額外的輸入濾波器。因此,QZS-IMC被視為是一種非常有潛力的交流電力變換器。然而,對該電路的研究和應(yīng)用還處于探索階段,缺乏深入的分析和控制研究。本論文重點(diǎn)研究了 QZS-IMC的數(shù)學(xué)模型、D最優(yōu)化運(yùn)行控制理論和三電平調(diào)制技術(shù),以及在上述基礎(chǔ)上,進(jìn)行交流電機(jī)調(diào)速的控制研究。具體研究內(nèi)容包括:首先,充分考慮準(zhǔn)Z源參數(shù)及交流電路的特點(diǎn),建立了 QZS-IMC的大信號模型,提出了比QZS-IMC現(xiàn)有模型更加完善的新模型。新模型能有效地體現(xiàn)交流電路的幅值、頻率和相位等特點(diǎn),有效克服了現(xiàn)有模型的不足。通過對模型升壓比和功率因數(shù)影響的分析,證明了新模型比現(xiàn)有模型更加接近于電路真實(shí)效果,為QZS-IMC的參數(shù)設(shè)計(jì)和控制奠定了理論基礎(chǔ);其次,通過對QZS-IMC系統(tǒng)電壓增益的研究,并依據(jù)最優(yōu)化理論,提出了基于D最小化的QZS-IMC全范圍優(yōu)化運(yùn)行控制策略。該控制方法以傳統(tǒng)矩陣變換器的增益H為分界點(diǎn),研究并推導(dǎo)出系統(tǒng)的最優(yōu)化運(yùn)行曲線,并在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了 QZS-IMC全范圍優(yōu)化運(yùn)行控制策略。該控制方法能夠確保QZS-IMC系統(tǒng)時刻運(yùn)行于最優(yōu)狀態(tài),為驅(qū)動電機(jī)的優(yōu)化運(yùn)行控制奠定了基礎(chǔ);再次,依據(jù)上述D最優(yōu)化運(yùn)行控制理論,以QZS-IMC驅(qū)動交流電機(jī)為背景,提出了 QZS-IMC電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行控制方法。該控制方法將QZS-IMC的D最小優(yōu)化運(yùn)行控制和異步電機(jī)的雙閉環(huán)矢量控制結(jié)合,設(shè)計(jì)了 QZS-IMC電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行控制方案。該控制方法實(shí)現(xiàn)D自動優(yōu)化以調(diào)節(jié)輸出電壓,并快速跟蹤系統(tǒng)需求增益的變化,系統(tǒng)高效率運(yùn)行的同時,確保了其對電網(wǎng)電壓跌落的穿越能力;然后,為實(shí)現(xiàn)對高壓大功率電機(jī)的驅(qū)動,以開繞組異步電動機(jī)為負(fù)載,提出了 QZS-IMC的三電平拓?fù)浜腿N調(diào)制方法。所提出的雙QZS-IMC模塊三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了低壓電源驅(qū)動高壓電機(jī),變換器具有模塊化結(jié)構(gòu)。所提出的三種調(diào)制方法,可降低系統(tǒng)共模電壓和電機(jī)繞組的諧波電壓。同時,分析對比了三種調(diào)制方法,展示了各自的特點(diǎn)。最后,結(jié)合單模塊QZS-IMC的優(yōu)化運(yùn)行控制,提出了 QZS-IMC三電平交流調(diào)速系統(tǒng)的綜合控制方法。該控制方法可實(shí)現(xiàn)每個QZS-1MC模塊內(nèi)部獨(dú)立優(yōu)化運(yùn)行,并通過總體協(xié)調(diào)控制,確保系統(tǒng)高效率、高電網(wǎng)電壓利用率、高直流側(cè)電壓利用率。同時,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行,并具備低電壓穿越能力,避免了電網(wǎng)電壓跌落對系統(tǒng)的影響。本文在上述各方面進(jìn)行了詳細(xì)、深入的理論分析、廣泛的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,將有效促進(jìn)QZS-IMC的理論完善,并將推動其在電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM34
【部分圖文】：

ａ圖１－１全球能源終端消費(fèi)情況．（ａ）?１９７３和２０１２年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)對比；??（ｂ）?２０１０－２０５０年全球終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)??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）我國交流電機(jī)占電力終端中絕大部分??

Ｉ?６０?Ｂ?ｍ？?＾?：?ｆ＿Ｂ?＿?ａ＿大防?ｊ＾Ｚ．?２０１０?２０２０?２０３０１５２％?熟?年份??２０１２＾?Ｓ煤炭逸石濁＿夭然氣Ｂ電）?０）??能源終端消費(fèi)情況．（ａ）?１９７３和２０１２年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)（ｂ）?２０１０－２０５０年全球終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)??ｙ?ｔｅｒｍｉｎａｌ?ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，?（ａ）?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｅｎｅｒｇｙ?ｃｏｎｓｕ１２；（ｂ）?Ｇｌｏｂａｌ?ｔｅｒｍｉｎａｌ?ｅｎｅｒｇｙ?ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｆｒｏ機(jī)占電力終端中絕大部分??數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國發(fā)電量的６０％－７０％左右用于流電動機(jī)，可見在我國終端能源消費(fèi)中，交驅(qū)動方式大部分為直接拖動，不僅能源利用污染［６，７１。??

?北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文（３）電力電子技術(shù)成為解決問題的重要手段??電力電子技術(shù)作為新能源能源變換的紐帶和解決環(huán)境污染的必要手滲透到電力應(yīng)用的各個方面，包括電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通、航天、信息與如圖１－３所示，并直接或間接地創(chuàng)造出了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。未的電能均需通過電力電子技術(shù)處理后再加以利用，以便提高能源利用率和率，實(shí)現(xiàn)再生能源的最大利用率［８－９］。??
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本文編號：2889247