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基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制系统及方法 

申请/专利权人:深圳市安和威电力科技股份有限公司

申请日:2018-10-15

公开(公告)日:2024-06-25

公开(公告)号:CN109217709B

主分类号:H02M7/797

分类号:H02M7/797

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2024.06.25#授权;2019.02.12#实质审查的生效;2019.01.15#公开

摘要:本发明属于交直交电气传动技术领域,公开了一种基于IGBT的双向功率变换AC‑DC控制系统及方法,控制系统设置有:接入端、第一高压启动开关管、电路控制端、电流源、第二高压启动开关管、监测设备、接线端子、上开关组、隔离器、控制系统、可控开关、电源模组、比较器、下开关组、三相逆变器、二极管组、显示屏、电压传感器、温度传感器、电流传感器。本发明的控制系统采用电压外环和电流内环双闭环系统,电压外环控制输出电压,电流内环控制输入电流,以实现单位功率因数的校正,该AC‑DC系统可以多套重新组合,并且预留控制端子,可以根据BMS系统和当前负荷等级智能分配,方便用户使用。

主权项:1.一种基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法,其特征在于,所述基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法包括:第一高压启动开关管和第二高压启动开关管上的系统拓扑采用LCL+IGBT结构,在接入端接入电流后通过电路控制端进行电流控制;在局部电路的dq坐标变换的基础上建立基于变压器的低频等效模型,并进行稳态特性分析;同时建立降阶小信号数学模型,对AC-DC系统进行控制;控制系统采用压外环控制输出电压、电流内环控制输入电流,进行单位功率因数的校正;通过电压传感器、温度传感器和电流传感器进行实时监控系统的运行状态,通过显示屏进行显示;建立基于变压器的低频等效模型方法包括:步骤一,利用含有M个阵元的阵列天线接收来自多个局部电路同步的跳频信号,对每一路接收信号进行采样,得到采样后的M路离散时域混合信号步骤二,对M路离散时域混合信号进行重叠加窗短时傅里叶变换,得到M个混合信号的时频域矩阵其中P表示总的窗数,Nfft表示FFT变换长度p,q表示时频索引,具体的时频值为这里Nfft表示FFT变换的长度,p表示加窗次数,Ts表示采样间隔,fs表示采样频率,C为整数,表示短时傅里叶变换加窗间隔的采样点数,C<Nfft,且Kc=NfftC为整数,也就是说采用的是重叠加窗的短时傅里叶变换;步骤三,对得到的跳频混合信号时频域矩阵进行预处理;包括:第一步,对进行去低能量预处理,即在每一采样时刻p,将幅值小于门限ε的值置0,得到门限ε的设定根据接收信号的平均能量来确定;第二步,找出p时刻p=0,1,2,…P-1非零的时频域数据,用表示,其中表示p时刻时频响应非0时对应的频率索引,对这些非零数据归一化预处理,得到预处理后的向量bp,q=[b1p,q,b2p,q,…,bMp,q]T,其中

全文数据:基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制系统及方法技术领域本发明属于交直交电气传动技术领域,尤其涉及一种基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制系统及方法。背景技术近年来,随着国家对新能源汽车的扶持力度的增加,产业规模正逐年增大,2017年新能源汽车产量占比达到了汽车总产量的2.7%,连续三年居于世界首位。然而目前我国新能源汽车车桩比只有不到3.5:1,充电基础设施的建设成为制约新能源汽车发展的主要问题。充电桩的发展又会对电网的容量和性能提出更高的要求,所以充电站朝分散供电模式的微电网方向发展是必然趋势。为适应微电网特别是直流微网需求,特研发基于绝缘栅双极型晶体管以下称:IGBT双向功率变换AC-DC系统,其系统拓扑采用LCL+IGBT结构,控制上采用空间矢量控制SVPWM。例如AC-DC-AC可以方便的实现交流电机的四象限运行;高压直流输电和柔性交流输电中某些装置;共直流母线微网充电站系统中。目前,直流母线微网方兴未艾。而充电功率的变化,接入直流母线微网的光伏系统等参数的变化,会对电网造成较大影响。ACDC双向功率变换系统必将在直流母线微网的应用上取得到长足发展。综上所述,现有技术存在的问题是:现有的装置在充电过程中存在一定的谐波污染,电流的响应速度较慢,在功率因数补偿、电能回馈方面还存在一定的不稳定性。解决上述技术问题的难度和意义:难度在于:现有的技术不能克服在充电过程中的谐波污染。克服现有技术问题后,带来的意义为:在功率因数补偿、电能回馈、有源滤波等领域应用具有重要意义。发明内容针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制系统及方法。本发明是这样实现的,一种基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法,所述基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法包括:第一高压启动开关管和第二高压启动开关管上的系统拓扑采用LCL+IGBT结构,在接入端接入电流后通过电路控制端进行电流控制;在局部电路的dq坐标变换的基础上建立基于变压器的低频等效模型,并进行稳态特性分析;同时建立降阶小信号数学模型,对AC-DC系统进行控制;控制系统采用压外环控制输出电压、电流内环控制输入电流,进行单位功率因数的校正;通过电压传感器、温度传感器和电流传感器进行实时监控系统的运行状态,通过显示屏进行显示。进一步,电路控制端进行电流控制的方法包括:对接收的电流信号st进行非线性变换,按如下公式进行:其中A表示信号的幅度,am表示信号的码元符号,pt表示成形函数,fc表示信号的载波频率,表示信号的相位,通过该非线性变换后得到:进一步,建立基于变压器的低频等效模型方法包括:步骤一,利用含有M个阵元的阵列天线接收来自多个局部电路同步的跳频信号,对每一路接收信号进行采样,得到采样后的M路离散时域混合信号m=1,2,…,M;步骤二,对M路离散时域混合信号进行重叠加窗短时傅里叶变换,得到M个混合信号的时频域矩阵p=0,1,…,P-1,q=0,1,…,Nfft-1,其中P表示总的窗数,Nfft表示FFT变换长度p,q表示时频索引,具体的时频值为这里Nfft表示FFT变换的长度,p表示加窗次数,Ts表示采样间隔,fs表示采样频率,C为整数,表示短时傅里叶变换加窗间隔的采样点数,C<Nfft,且Kc=NfftC为整数,也就是说采用的是重叠加窗的短时傅里叶变换;步骤三,对得到的跳频混合信号时频域矩阵进行预处理;包括:第一步,对进行去低能量预处理,即在每一采样时刻p,将幅值小于门限ε的值置0,得到门限ε的设定根据接收信号的平均能量来确定;第二步,找出p时刻p=0,1,2,…P-1非零的时频域数据,用表示,其中表示p时刻时频响应非0时对应的频率索引,对这些非零数据归一化预处理,得到预处理后的向量bp,q=[b1p,q,b2p,q,…,bMp,q]T,其中进一步,降阶小信号数学模型为:数字调制信号MASK、MFSK、MPSK的分数降阶小信号模糊函数的多普勒频移为零的切面表示为:其中,是宽度为Tb-τ的门函数;以上三式只有的系数不同,MASK信号的不恒为1;MFSK信号的不恒为1;对于2ASK信号,an=0,1;对于4ASK信号,an=0,1,2,3,两种信号的不同,降阶小信号模糊函数的多普勒频移为零的切面轮廓也不同;对于2FSK信号,fm=-Δf,Δf;对于4FSK信号,fm=-3Δf,-Δf,Δf,3Δf,两种信号的不同,降阶小信号模糊函数的多普勒频移为零的切面轮廓也不同。进一步,电压传感器和电流传感器的数字调制信号xt的分数低阶模糊函数表示为:其中,τ为时延偏移,f为多普勒频移,0<a,b<α2,x*t表示xt的共轭,当xt为实信号时,xt<p>=|xt|<p>sgnxt;当xt为复信号时,[xt]<p>=|xt|p-1x*t;温度传感器的信号检测模型表示为:rt=x1t+x2t+…+xnt+vt其中,xit为时频重叠信号的各个信号分量,各分量信号独立不相关,n为时频重叠信号分量的个数,θki表示对各个信号分量载波相位的调制,fci为载波频率,Aki为第i个信号在k时刻的幅度,Tsi为码元长度。本发明的另一目的在于提供一种计算机程序,所述计算机程序运行所述的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法。本发明的另一目的在于提供一种终端,所述终端至少搭载实现所述基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法的控制器。本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质,包括指令,当其在计算机上运行时,使得计算机执行所述的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法。本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制系统,所述基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制系统设置有:接入端;所述接入端用于连接外部高压线组,通过导线和第一高压启动开关管相连;第一高压启动开关管和电路控制端线性连接;电路控制端和电流源相连;电流源和第二高压启动开关管线性连接;监测设备包括显示屏、电压传感器、温度传感器和电流传感器,彼此通过导线线性连接;接线端子和上开关组固定连接;上开关组后面接入隔离器;隔离器和控制系统相连;控制系统和电源模组之间接入一个可控开关;下开关组和三相逆变器线性连接;二极管组位于装置最左侧。本发明的另一目的在于提供一种搭载所述基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制系统的交直交电气传动设备。综上所述,本发明的优点及积极效果为与传统的充电设备相比较,该系统具有直流电压利用率高,输入电流正弦,谐波含量及电流畸变率低,输出电压可调且抗负载扰动能力强,能够实现双向能量流动、体积小及重量轻等特点,在功率因数补偿、电能回馈、有源滤波等领域应用也越来越广泛。本发明电路控制端进行电流控制中,:对接收的电流信号st进行非线性变换,按如下公式进行:通过该非线性变换后得到:建立基于变压器的低频等效模型中,利用含有M个阵元的阵列天线接收来自多个局部电路同步的跳频信号,对每一路接收信号进行采样,得到采样后的M路离散时域混合信号m=1,2,…,M;对M路离散时域混合信号进行重叠加窗短时傅里叶变换,得到M个混合信号的时频域矩阵对得到的跳频混合信号时频域矩阵进行预处理;降阶小信号数学模型为:数字调制信号MASK、MFSK、MPSK的分数降阶小信号模糊函数的多普勒频移为零的切面表示为:电压传感器和电流传感器的数字调制信号xt的分数低阶模糊函数表示为:其中,τ为时延偏移,f为多普勒频移,0<a,b<α2,x*t表示xt的共轭,当xt为实信号时,xt<p>=|xt|<p>sgnxt;当xt为复信号时,[xt]<p>=|xt|p-1x*t;温度传感器的信号检测模型表示为:rt=x1t+x2t+…+xnt+vt上述运算模型的利用保证了双向功率变换AC-DC控制系统的准确运行,为智能控制提供必要条件。附图说明图1是本发明实施例提供的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制系统示意图;图2是本发明实施例提供的监测设备结构示意图;图中:1、接入端;2、第一高压启动开关管;3、电路控制端;4、电流源;5、第二高压启动开关管;6、监测设备;7、接线端子;8、上开关组;9、隔离器;10、控制系统;11、可控开关;12、电源模组;13、比较器;14、下开关组;15、三相逆变器;16、二极管组;17、显示屏;18、电压传感器;19、温度传感器;20、电流传感器。具体实施方式为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效,兹例举以下实施例,并配合附图详细说明如下。本发明实施例提供的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法,包括:第一高压启动开关管和第二高压启动开关管上的系统拓扑采用LCL+IGBT结构,在接入端接入电流后通过电路控制端,电流源采用直接电流控制;在局部电路的dq坐标变换的基础上建立基于变压器的低频等效模型,并给出稳态特性分析;同时建立降阶小信号数学模型,对AC-DC系统进行控制;控制系统采用压外环控制输出电压,电流内环控制输入电流,进行单位功率因数的校正;通过电压传感器、温度传感器和电流传感器进行实时监控系统的运行状态,通过显示屏进行显示。下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。如图1至图2所示,本发明实施例提供的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制系统及控制方法包括:接入端1、第一高压启动开关管2、电路控制端3、电流源4、第二高压启动开关管5、监测设备6、接线端子7、上开关组8、隔离器9、控制系统10、可控开关11、电源模组12、比较器13、下开关组14、三相逆变器15、二极管组16、显示屏17、电压传感器18、温度传感器19、电流传感器20。所述接入端1用于连接外部高压线组,通过导线和第一高压启动开关管2相连;所述第一高压启动开关管2和电路控制端3线性连接;所述电路控制端3和电流源4相连;所述电流源4和第二高压启动开关管5线性连接;所述监测设备6包括显示屏17、电压传感器18、温度传感器19和电流传感器20,彼此通过导线线性连接;所述接线端子7和上开关组8固定连接;所述上开关组8后面接入隔离器9;所述隔离器9和控制系统10相连;所述控制系统10和电源模组12之间接入一个可控开关11;所述下开关组14和三相逆变器15线性连接;所述二极管组16位于装置最左侧。本发明的工作原理:第一高压启动开关管1和第二高压启动开关管5上的系统拓扑采用LCL+IGBT结构,在接入端1接入电流后通过电路控制端3,电流源4采用直接电流控制方法,高效的控制方法会带来更加稳定的系统,在局部电路的dq坐标变换的基础上建立了一个基于变压器的低频等效模型,并给出了稳态特性分析,同时建立了降阶小信号数学模型,从而对AC-DC系统的数学模型更加清晰,明晰的数学模型对于实现其控制至关重要。AC-DC系统采用输入AC380V,输出可至DC800V,电压可调范围广,输出对于输入的扰动量不敏感,控制系统10采用电压外环和电流内环双闭环系统,电压外环控制输出电压,电流内环控制输入电流,以实现单位功率因数的校正;其中上开关组8和下开关组14分别对电流的输出做保护,当出现紧急情况后可以通过可控开关11来控制电源模组12进行保护,通过电压传感器18、温度传感器19和电流传感器20来实时监控系统的运行状态,通过显示屏17来进行显示。下面结合具体分析对本发明作进一步描述。本发明实施例提供的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法,包括:第一高压启动开关管和第二高压启动开关管上的系统拓扑采用LCL+IGBT结构,在接入端接入电流后通过电路控制端进行电流控制;在局部电路的dq坐标变换的基础上建立基于变压器的低频等效模型,并进行稳态特性分析;同时建立降阶小信号数学模型,对AC-DC系统进行控制;控制系统采用压外环控制输出电压、电流内环控制输入电流,进行单位功率因数的校正;通过电压传感器、温度传感器和电流传感器进行实时监控系统的运行状态,通过显示屏进行显示。电路控制端进行电流控制的方法包括:对接收的电流信号st进行非线性变换,按如下公式进行:其中A表示信号的幅度,am表示信号的码元符号,pt表示成形函数,fc表示信号的载波频率,表示信号的相位,通过该非线性变换后得到:建立基于变压器的低频等效模型方法包括:步骤一,利用含有M个阵元的阵列天线接收来自多个局部电路同步的跳频信号,对每一路接收信号进行采样,得到采样后的M路离散时域混合信号m=1,2,…,M;步骤二,对M路离散时域混合信号进行重叠加窗短时傅里叶变换,得到M个混合信号的时频域矩阵p=0,1,…,P-1,q=0,1,…,Nfft-1,其中P表示总的窗数,Nfft表示FFT变换长度p,q表示时频索引,具体的时频值为这里Nfft表示FFT变换的长度,p表示加窗次数,Ts表示采样间隔,fs表示采样频率,C为整数,表示短时傅里叶变换加窗间隔的采样点数,C<Nfft,且Kc=NfftC为整数,也就是说采用的是重叠加窗的短时傅里叶变换;步骤三,对得到的跳频混合信号时频域矩阵进行预处理;包括:第一步,对进行去低能量预处理,即在每一采样时刻p,将幅值小于门限ε的值置0,得到门限ε的设定根据接收信号的平均能量来确定;第二步,找出p时刻p=0,1,2,…P-1非零的时频域数据,用表示,其中表示p时刻时频响应非0时对应的频率索引,对这些非零数据归一化预处理,得到预处理后的向量bp,q=[b1p,q,b2p,q,…,bMp,q]T,其中降阶小信号数学模型为:数字调制信号MASK、MFSK、MPSK的分数降阶小信号模糊函数的多普勒频移为零的切面表示为:其中,是宽度为Tb-τ的门函数;以上三式只有的系数不同,MASK信号的不恒为1;MFSK信号的不恒为1;对于2ASK信号,an=0,1;对于4ASK信号,an=0,1,2,3,两种信号的不同,降阶小信号模糊函数的多普勒频移为零的切面轮廓也不同;对于2FSK信号,fm=-Δf,Δf;对于4FSK信号,fm=-3Δf,-Δf,Δf,3Δf,两种信号的不同,降阶小信号模糊函数的多普勒频移为零的切面轮廓也不同。进一步,电压传感器和电流传感器的数字调制信号xt的分数低阶模糊函数表示为:其中,τ为时延偏移,f为多普勒频移,0<a,b<α2,x*t表示xt的共轭,当xt为实信号时,xt<p>=|xt|<p>sgnxt;当xt为复信号时,[xt]<p>=|xt|p-1x*t;温度传感器的信号检测模型表示为:rt=x1t+x2t+…+xnt+vt其中,xit为时频重叠信号的各个信号分量,各分量信号独立不相关,n为时频重叠信号分量的个数,θki表示对各个信号分量载波相位的调制,fci为载波频率,Aki为第i个信号在k时刻的幅度,Tsi为码元长度。在上述实施例中,可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现,所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时,全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中,或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输,例如,所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线例如同轴电缆、光纤、数字用户线DSL或无线例如红外、无线、微波等方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质,例如,软盘、硬盘、磁带、光介质例如,DVD、或者半导体介质例如固态硬盘SolidStateDiskSSD等。以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改,等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的范围内。

权利要求:1.一种基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法,其特征在于,所述基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法包括:第一高压启动开关管和第二高压启动开关管上的系统拓扑采用LCL+IGBT结构,在接入端接入电流后通过电路控制端进行电流控制;在局部电路的dq坐标变换的基础上建立基于变压器的低频等效模型,并进行稳态特性分析;同时建立降阶小信号数学模型,对AC-DC系统进行控制;控制系统采用压外环控制输出电压、电流内环控制输入电流,进行单位功率因数的校正;通过电压传感器、温度传感器和电流传感器进行实时监控系统的运行状态,通过显示屏进行显示。2.如权利要求1所述的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法,其特征在于,电路控制端进行电流控制的方法包括:对接收的电流信号st进行非线性变换,按如下公式进行:其中A表示信号的幅度,am表示信号的码元符号,pt表示成形函数,fc表示信号的载波频率,表示信号的相位,通过该非线性变换后得到:3.如权利要求1所述的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法,其特征在于,建立基于变压器的低频等效模型方法包括:步骤一,利用含有M个阵元的阵列天线接收来自多个局部电路同步的跳频信号,对每一路接收信号进行采样,得到采样后的M路离散时域混合信号步骤二,对M路离散时域混合信号进行重叠加窗短时傅里叶变换,得到M个混合信号的时频域矩阵其中P表示总的窗数,Nfft表示FFT变换长度p,q表示时频索引,具体的时频值为这里Nfft表示FFT变换的长度,p表示加窗次数,Ts表示采样间隔,fs表示采样频率,C为整数,表示短时傅里叶变换加窗间隔的采样点数,C<Nfft,且Kc=NfftC为整数,也就是说采用的是重叠加窗的短时傅里叶变换;步骤三,对得到的跳频混合信号时频域矩阵进行预处理;包括:第一步,对进行去低能量预处理,即在每一采样时刻p,将幅值小于门限ε的值置0,得到门限ε的设定根据接收信号的平均能量来确定;第二步,找出p时刻p=0,1,2,…P-1非零的时频域数据,用表示,其中表示p时刻时频响应非0时对应的频率索引,对这些非零数据归一化预处理,得到预处理后的向量bp,q=[b1p,q,b2p,q,…,bMp,q]T,其中4.如权利要求1所述的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法,其特征在于,降阶小信号数学模型为:数字调制信号MASK、MFSK、MPSK的分数降阶小信号模糊函数的多普勒频移为零的切面表示为:其中,是宽度为Tb-τ的门函数;以上三式只有的系数不同,MASK信号的不恒为1;MFSK信号的不恒为1;对于2ASK信号,an=0,1;对于4ASK信号,an=0,1,2,3,两种信号的不同,降阶小信号模糊函数的多普勒频移为零的切面轮廓也不同;对于2FSK信号,fm=-Δf,Δf;对于4FSK信号,fm=-3Δf,-Δf,Δf,3Δf,两种信号的不同,降阶小信号模糊函数的多普勒频移为零的切面轮廓也不同。5.如权利要求1所述的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法,其特征在于,电压传感器和电流传感器的数字调制信号xt的分数低阶模糊函数表示为:其中,τ为时延偏移,f为多普勒频移,0<a,b<α2,x*t表示xt的共轭,当xt为实信号时,xt<p>=|xt|<p>sgnxt;当xt为复信号时,[xt]<p>=|xt|p-1x*t;温度传感器的信号检测模型表示为:rt=x1t+x2t+…+xnt+vt其中,xit为时频重叠信号的各个信号分量,各分量信号独立不相关,n为时频重叠信号分量的个数,θki表示对各个信号分量载波相位的调制,fci为载波频率,Aki为第i个信号在k时刻的幅度,Tsi为码元长度。6.一种计算机程序,其特征在于,所述计算机程序运行权利要求1~5任意一项所述的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法。7.一种终端,其特征在于,所述终端至少搭载实现权利要求1~5任意一项所述基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法的控制器。8.一种计算机可读存储介质,包括指令,当其在计算机上运行时,使得计算机执行如权利要求1~5任意一项所述的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法。9.一种实现权利要求1所述基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制方法的基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制系统,其特征在于,所述基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制系统设置有:接入端;所述接入端用于连接外部高压线组,通过导线和第一高压启动开关管相连;第一高压启动开关管和电路控制端线性连接;电路控制端和电流源相连;电流源和第二高压启动开关管线性连接;监测设备包括显示屏、电压传感器、温度传感器和电流传感器,彼此通过导线线性连接;接线端子和上开关组固定连接;上开关组后面接入隔离器;隔离器和控制系统相连;控制系统和电源模组之间接入一个可控开关;下开关组和三相逆变器线性连接;二极管组位于装置最左侧。10.一种搭载权利要求9所述基于IGBT的双向功率变换AC-DC控制系统的交直交电气传动设备。

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