張冬冬， 梁偉華， 郭明珠， 葛寶明

(北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044)

基于Quasi-Z源間接矩陣變換器的永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)

張冬冬， 梁偉華， 郭明珠， 葛寶明

(北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044)

將Quasi-Z源間接矩陣變換器與永磁同步電機的矢量控制相結(jié)合，提出了一種新型的變頻調(diào)速系統(tǒng),克服了傳統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)電壓傳輸比低的限制，能夠滿足永磁同步電機在不同運行狀態(tài)下的電壓等級，擴展了電機的調(diào)速范圍。同時在小信號模型的基礎(chǔ)上，提出了Quasi-Z源間接矩陣變換器直流母線電壓的閉環(huán)控制策略。仿真結(jié)果表明，可有效提高永磁同步電機的運行性能，抵抗電網(wǎng)電壓跌落。

Quasi-Z源間接矩陣變換器；矢量控制；小信號模型；電壓跌落；仿真

0 引 言

永磁同步電機由于具有體積小、運行效率高、動態(tài)性能好等優(yōu)點，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要采用交-直-交變頻器作為電能變換裝置，主要包括三部分：前級的PWM整流器、直流母線電容和逆變器，由于其中間需要大電容儲能裝置，使得其體積變大，功率密度降低，同時為了防止橋臂上下開關(guān)管同時導通，需要加入死區(qū)時間，造成輸入電流畸變，而且交流輸入側(cè)需要體積較大的LC濾波器，增加了系統(tǒng)的成本[1]。

間接矩陣變換器作為一種交-交變頻裝置，不存在直流儲能環(huán)節(jié)，具有體積小、能量雙向流動的優(yōu)點。但是交流輸入側(cè)仍需要體積較大的LC濾波器，而且其最大電壓傳輸比僅為0.866，并未在變頻調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。

為了克服傳統(tǒng)間接矩陣變換器的缺陷，Quasi-Z源電路被應(yīng)用到矩陣變換器中，使得傳統(tǒng)矩陣變換器的性能得到極大改進[2]693-[3]。其主要優(yōu)點有：(1)能夠使輸出電壓大于輸入電壓，克服了傳統(tǒng)矩陣變換器電壓利用率低的缺點；(2)由于不需要加入死區(qū)時間，減小了輸入電流畸變；(3)當電網(wǎng)電壓跌落時，通過對直通占空比的控制能夠使系統(tǒng)具有低電壓穿越的能力，從而確保電機運行在額定狀態(tài)；(4)不需要額外的輸入LC濾波器，Quasi-Z源電路具有升壓和濾波功能[2]700。

目前，直流側(cè)電壓控制主要有以下四種方法：間接直流母線電壓控制[4]、直接直流母線電壓控制[5]、電容電壓控制[6]]和統(tǒng)一控制[7]。上述控制方法均為單閉環(huán)控制，為了進一步提高系統(tǒng)的性能，基于峰值母線電壓和電感電流的雙閉環(huán)控制方法被應(yīng)用到直流側(cè)電壓的控制中，由于使用電感電流作為內(nèi)環(huán)，使得電感電流可以控制，避免了某些情況下的過載運行，同時增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力[8]。

本文將新型的Quasi-Z源間接矩陣變換器應(yīng)用于永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計了按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)，利用Quasi-Z源電路的升壓能力，可以使電機在額定電壓下運行，克服了傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的限制。同時，為了抵抗電網(wǎng)電壓跌落對永磁同步電機運行狀態(tài)的影響，在分析Quasi-Z源電路小信號模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了峰值壓和電感電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)對提高電機的運行性能和抗干擾能力具有良好的效果。

1 Quasi-Z源電路的建模與控制

Quasi-Z源間接矩陣變換器的拓撲如圖1所示，該拓撲主要包括三個相同的Quasi-Z源網(wǎng)絡(luò)、整流級和逆變級。由于Quasi-Z源電路三相對稱，故以下主要以A相為例進行分析。設(shè)Quasi-Z源網(wǎng)絡(luò)為對稱網(wǎng)絡(luò)，即L1=L2=L，C1=C2=C，其中電感的寄生電阻為RL，電容的等效串聯(lián)電阻為RC。當Quasi-Z源電路工作在非直通狀態(tài)時，開關(guān)Sx閉合，電源和電感為電容充電，此時系統(tǒng)的狀態(tài)方程為:

(1)

式中u為輸入電源電壓，i′為Quasi-Z源網(wǎng)絡(luò)的輸出電流。

圖1 非直通狀態(tài)

圖2 直通狀態(tài)

如圖2所示當系統(tǒng)工作在直通狀態(tài)時，開關(guān)Sx斷開，電源和Quasi-Z源電容為電感充電，電感電流增大，電容電壓下降，此時系統(tǒng)的狀態(tài)方程為:

設(shè)Quasi-Z源電路的直通占空比為D,則根據(jù)公式(1)和(2)，可得系統(tǒng)的平均狀態(tài)方程為:

(3)

在上述穩(wěn)態(tài)方程的基礎(chǔ)上對狀態(tài)變量和控制變量加入擾動量并進行拉氏變換，可得Quasi-Z源電路的傳遞函數(shù)表達式為:

(4)

式中GLu(s)為電感電流到輸入電壓的傳遞函數(shù)，GLd(s)為電感電流到直通占空比的傳遞函數(shù)，GC1u(s)為電容電壓C1到輸入電壓的傳遞函數(shù)，GC1d(s)為電容電壓C1到直通占空比的傳遞函數(shù)。

在動態(tài)系統(tǒng)中，狀態(tài)變量的動態(tài)響應(yīng)為擾動變量的線性組合，因此Quasi-Z源電路的電感電流和電容電壓為:

(5)

為了克服外部擾動對直流母線電壓的影響，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，需要對直流母線電壓進行控制，但由于其為PWM形狀的脈動信號，無法直接作為控制系統(tǒng)的輸入信號，因此需要通過其它變量來預(yù)估直流母線電壓的值。直流母線電壓與電源電壓和電容電壓的關(guān)系為:

udc=2uC1-u

(6)

引入擾動量，并進行拉氏變換得到:

(7)

(8)

式中Guui(s)=2GC1u(s)-1，Gud(s)=2GC1d(s)

根據(jù)Quasi-Z源電路的小信號模型，可以得到其電壓、電流雙閉環(huán)控制框圖如圖3所示，通過雙閉環(huán)控制器的作用，得到直通占空比d作為系統(tǒng)的調(diào)制信號，從而維持直流母線電壓恒定。

圖3 Quasi-Z源間接矩陣變換器峰值電壓、電感電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2 QZSIMC永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)

圖4 QZSIMC永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制框圖

3 仿真分析

利用MATLAB仿真軟件所提供的Simulink組件搭建基于Quasi-Z源間接矩陣變換器的永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)，驗證上節(jié)提出的閉環(huán)控制系統(tǒng)，仿真參數(shù)為：輸入電壓220 V/50 Hz,Quasi-Z源電感L1=L2=2 mH，電容C1=C2=100 μF；逆變級調(diào)制度mo=1；開關(guān)頻率fs=10 kHz；永磁同步電機參數(shù)為：Ld=Lq=8.5 mH,R=2.875 Ω,J=0.008 kg·m2,Pn=4,ψf=0.175 Wb。

圖5 電壓跌落時系統(tǒng)的仿真結(jié)果

圖6 轉(zhuǎn)速

圖7 轉(zhuǎn)矩

圖6～圖9為系統(tǒng)閉環(huán)運行時的仿真結(jié)果，整個運行過程中，直通占空比根據(jù)系統(tǒng)工況進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，電壓跌落時D增大以確保直流側(cè)電壓不變。比如，開始時D=0.12，電機運行于額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，0.5 s時電網(wǎng)電壓降為198 V，通過雙閉環(huán)控制器的作用，直通占空比增加為0.16， 直流母線電壓維持不變，電機轉(zhuǎn)速

圖8 直通占空比

圖9 直流母線電壓

雖然有一些波動，但很快恢復到額定運行狀態(tài)，因此通過對直通占空比的閉環(huán)控制，可以使系統(tǒng)不受電網(wǎng)電壓跌落的影響。

4 結(jié)束語

本文提出了一種新型的Quasi-Z源間接矩陣變換器永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計了永磁同步電機的矢量控制系統(tǒng)，通過Quasi-Z源電路的升壓作用，確保電機運行所需的電壓。為了進一步增強系統(tǒng)的抗擾動能力，本文在小信號模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了Quasi-Z源間接矩陣變換器的峰值母線電壓和電感電流雙閉環(huán)控制器。仿真結(jié)果表明，通過閉環(huán)控制對直通占空比的調(diào)節(jié)，可以使電機的運行狀態(tài)不受電網(wǎng)電壓跌落的影響。

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[3] BAOMING GE, LEI QIN, FANGZHENG PENG. A family of Z-Source matrix converters [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(1): 35-46.

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APMSM Drive System Based on the Quasi-Z Source Indirect Matrix Converter

Zhang Dongdong, Liang Weihua, Guo Mingzhu, Ge Baoming

(College of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Combining the Quasi-Z Source indirect matrix converter with PMSM vector control, this paper presents a novel variable frequency speed control system, which overcomes low voltage transfer ratio of traditional variable frequency speed control systems and can meet the requirement on PMSM voltage levels under different operating conditions, thus extending speed control scope of the motor. Furthermore, on the basis of the small signal model, this paper presents a closed-loop control strategy for the DC bus voltage of the Quasi-Z source indirect matrix converter. Simulation results show that the proposed system can improve the operating performance of PMSM and resist voltage sag on the power grid.

Quasi-Z source indirect matrix converter; vector control; small signal model;voltage sag;simulation

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.002

TM341

A

1000-3886(2017)04-0004-03

定稿日期: 2017-02-07

國家自然科學基金(51477008)；北京市自然科學基金(3152021)

張冬冬(1992-)，男，山東棗莊人，碩士生，研究方向為電力電子與電力傳動。 梁偉華(1988-)，男，河南周口人，博士生，研究方向為電力電子與電力傳動。 郭明珠(1984-)，男，北京人，博士生，研究方向為電力電子與電力傳動。 葛寶明(1971-)，男，北京人，教授，博士生導師，研究方向為電力電子與電力傳動。