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MW级异步电机双三电平变频系统研究

韩耀飞  
【摘要】: 电力供应的日趋紧张和国家“节能减排”的要求,促使了一些大功率,特别是MW级传动设备的更新换代。而传统的二极管整流为逆变器供电的模式,使得电网质量越来越差。而在中压大功率传动领域,由于三电平拓扑结构的诸多优点,因此采用该结构的背靠背变流器越来越多的进入生产领域。 本文以MW级异步电机双三电平控制系统为研究载体,以双三电平拓扑结构下SVPWM实现和相电压重构为基础,以虚拟电网磁链定向下的磁链观测、直流母线电压波动小信号模型、双馈试验方法、电机参数辨识、转子磁链观测器和反步控制理论为研究对象,在以下几个方面展开了研究工作: 在优化三电平空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法基础上,提出了二极管箝位三电平变流器输出相电压重构的占空比模型。在充分利用DSP资源的基础上,实现了高集成性的单DSP的三电平SVPWM控制方案。 针对电网电压定向技术和传统虚拟磁链定向技术在大功率应用场合的缺陷,在三电平PWM整流器数学模型的基础上,提出了具有准确初始值的新型虚拟电网磁链观测器。在小信号模型和瞬时功率的基础上,提出了无负载电流传感器的虚拟电网磁链定向矢量控制系统的抗负载扰动和电网扰动的算法。 针对目前的整流器性能试验的不完备性,提出了双馈试验方法。该方法同时也为背靠背拓扑结构的变频器和风力发电装置的全方位测试提供了试验途径。 根据矢量控制对电机参数的需要,提出了基于特殊激励和免疫算法的三电平拓扑结构下电机参数辨识的方法。改进了传统混合模型的磁链观测器,提出了带有相位补偿功能的全阶闭环磁链观测器,并以此为基础实现了基于状态方程直接法的速度辨识。为了提高系统动态性能,提出了一种基于反步控制理论的转矩电流给定算法,实现了异步电机的无速度传感器控制。 在仿真验证的基础上,以22kW鼠笼电机做为试验电机,对上述算法进行了大量验证。在此基础上,以2.1MW风力发电原动机的应用和工业现场MW级矿井提升机应用为最终目标,实现了双三电平异步电机的高性能控制。 从2008年9月开始,依托本论文全部或者部分研究成果的双三电平异步电动机变频系统已经在平煤集团、开滦集团、晋煤集团等煤业集团多个矿井得到广泛应用,取得了良好的社会和经济效益。


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