專利名稱：交錯并聯(lián)型雙級式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種矩陣變換器，特別是一種雙級式矩陣變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，及其交錯驅(qū)動控制方法，屬于交流功率變換技術(shù)領(lǐng)域。背景技術(shù)：
統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國用電量的609^70%用于推動電動機(jī)做功，其中90%的電動機(jī)為交流電機(jī)，如果采用交流變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)變速運行，即通過電力電子設(shè)備將工頻三相交流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)所需的頻率、幅值可調(diào)節(jié)的交流電，可獲得顯著的節(jié)能效果。風(fēng)力發(fā)電是新能源技術(shù)的重要組成部分，據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計，截止2011年，中國(不包括臺灣地區(qū))累計風(fēng)電裝機(jī)容量62364. 2MW,居世界第一，由于風(fēng)能具有較大的隨機(jī)性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接輸出電能的頻率和電壓隨時間變化較大，因此必須配置合適的交流功率變換裝置才能實現(xiàn)并網(wǎng)供電。由此可見，具有變頻調(diào)壓功能的交流功率變換裝置，不管在交流調(diào)速還是風(fēng)電并網(wǎng)技·術(shù)中，都具有重要的應(yīng)用意義。目前市場上占主導(dǎo)地位的交流功率變換裝置一般為交直交型變換器。近年來交直交型變換器性能已大幅提高，應(yīng)用技術(shù)也趨于成熟，但仍有其不足之處。由于交直交型變換器均含有大電容或大電感作為直流儲能環(huán)節(jié)，不僅體積、重量大，造成變頻裝置安裝和使用的不便，而且不易于維護(hù)，影響變換器的使用壽命。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和人們對這些問題的逐漸重視，矩陣變換器技術(shù)逐漸成為研究熱點之一。矩陣變換器(Matrix Converter, MC)不僅具備了傳統(tǒng)交直交變換器的諸多優(yōu)異性能，如輸入輸出正弦度高，功率因數(shù)可調(diào)等，而且不含儲能電容，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積重量小、穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)點，能夠在惡劣的自然環(huán)境下堅持工作，是交直交變換器的一種具有潛力的替代選擇。雙級式矩陣變換器(Two Stage Matrix Converter,TSMC)是基于矩陣變換器的概念發(fā)展而來的一種新型拓?fù)?，繼承了傳統(tǒng)MC不含儲能電容的優(yōu)點，同時克服了輸出側(cè)無續(xù)流回路，換流困難，需要箝位電路等諸多缺點，具有更高的應(yīng)用價值。矩陣變換器的輸入輸出性能和濾波器所需體積，在較大程度上取決于電力電子器件的開關(guān)頻率。開關(guān)頻率越聞，則諧波含量越低，相應(yīng)的濾波器體積越小；但開關(guān)頻率越聞，也意味著開關(guān)損耗越大，而且在許多大功率場合，都要求采用較低的開關(guān)頻率。工業(yè)上交-直整流器和直-交逆變器等變流設(shè)備，在較低的開關(guān)頻率下，為實現(xiàn)高性能的交流功率變換，常采用多重化技術(shù)，即多個功率變換模塊通過一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)，降低輸出諧波含量，提高變換器的功率容量。雙級式矩陣變換器可以視為整流器和逆變器的結(jié)合，與傳統(tǒng)交直交變換器具有一定的相似性，采用多重化技術(shù)，通過矩陣變換器模塊的有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)低開關(guān)頻率下的高性能輸出，具有重要的現(xiàn)實意義。但由于矩陣變換器的開關(guān)管較多、控制方法較為復(fù)雜，多重化技術(shù)在矩陣變換器的應(yīng)用研究還比較少，尤其是雙級式矩陣變換器并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和交錯驅(qū)動控制還未展開。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種交錯并聯(lián)型雙級式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其交錯驅(qū)動控制方法，通過兩臺雙級式矩陣變換器的有機(jī)結(jié)合，在開關(guān)頻率不變的條件下，可有效降低輸出電壓和輸入電流的諧波含量。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法對矩陣變換器的應(yīng)用研究具有重要的實際意義，同時也填補(bǔ)了相關(guān)研究領(lǐng)域的空白。本發(fā)明所提出的一種交錯并聯(lián)型雙級式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由相互獨立的兩個雙級式矩陣變換器、共享的輸入濾波器和輸出濾波器、以及平衡電抗器組成；兩個雙級式矩陣變換器的主功率電路的輸入端直接并聯(lián)，并通過輸入濾波器與電源相連；兩個雙級式矩陣變換器的主功率電路的輸出端通過平衡電抗器相連；平衡電抗器的中點經(jīng)過輸出濾波器濾波后，為負(fù)載供電。上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法是兩個雙級式矩陣變換器采用同步交錯驅(qū)動模式，即兩者的調(diào)制時鐘一致，但每個調(diào)制周期的脈沖分配順序相反，有效降低輸出電壓的總諧波含量；電壓閉環(huán)控制采用主從結(jié)構(gòu)，以其中一個雙級式矩陣變換器為主變換器，通過電壓閉環(huán)控制三相輸出電壓，以另外一個雙級式矩陣變換器為輔變換器，跟隨主變換器的輸出電壓，并通過電流閉環(huán)抑制環(huán)路電流，實現(xiàn)負(fù)載電流的均分。本發(fā)明中將兩個完整的雙級式矩陣變換器主功率電路并聯(lián)，與通過IGBT器件的·串并聯(lián)實現(xiàn)功率容量擴(kuò)充的技術(shù)相比，模塊之間具有更強(qiáng)的獨立性，互相可作為冗余備份，模塊間的均流控制比器件間的均流控制更為簡單且有效；與具有兩個或多個逆變級電路并聯(lián)的雙級式矩陣變換器相比，交錯并聯(lián)型雙級式矩陣變換器不僅能降低輸出電壓的諧波，而且能減少輸入電流中的高頻諧波，在輸入電源頻率較高的場合也能保持較高的性能，因此適用性更強(qiáng)。四

圖I雙級式矩陣變換器單機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意 圖2雙級式矩陣變換器并聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意 圖3雙級式矩陣變換器交錯并聯(lián)控制示意 圖4雙級式矩陣變換器并聯(lián)系統(tǒng)的主從結(jié)構(gòu)閉環(huán)控制示意 圖5單機(jī)與交錯并聯(lián)的雙級式矩陣變換器輸出電壓、負(fù)載電流波形 圖6單機(jī)與交錯并聯(lián)的雙級式矩陣變換器輸入電壓、電流波形圖。五具體實施例方式 下面對本發(fā)明的新型拓?fù)浜涂刂品绞阶鬟M(jìn)一步闡述。I.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
本發(fā)明所提出的雙級式矩陣變換器并聯(lián)系統(tǒng)，主要包括兩個雙級式矩陣變換器主功率電路模塊TSMCl和TSMC2，由TSMCl和TSMC2共享輸入濾波器和輸出濾波器，以及連接在TSMCl和TSMC2輸出端之間的平衡電抗器等部分。TSMCl和TSMC2的電路結(jié)構(gòu)完全一致。以TSMCl為例，如圖1，它由整流級電路、直流環(huán)節(jié)和逆變級電路組成整流級是由6個雙向開關(guān)5；3、Spb, Spc, Sna, Snb和&組成的三相整流電路，雙向開關(guān)則由兩個帶反并聯(lián)二極管的IGBT器件共發(fā)射極(E)連接構(gòu)成，整流級電路的作用是將輸入的三相交流電整為直流；直流環(huán)節(jié)沒有任何儲能電容，整流后的電壓呈斬波狀態(tài)；逆變級電路是由6個IGBT器件Sup、Sun, Svp, Sm, Swp和Sm所構(gòu)成的三相橋式電路。記TSMCl的三相輸入端為A1J1和C1，三相輸出端SU1J1和W1 ；TSMC2的三相輸入端為A2、B2和C2，三相輸出端為U2、V2和W2。圖2為矩陣變換器并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，其中輸入端A1與AyB1與B2X1與C2分別直接相連，連接點作為共同的輸入端，通過輸入濾波器3與三相電源相連；輸出端U1與U2J1與V2J1與W2分別通過平衡電抗器相互連接，三相平衡電抗器5的中點作為共同的輸出端,通過輸出濾波器4濾波后為負(fù)載供電。Zf。和Cf。為輸出濾波器電感與電容，Zfi和Cfi為輸入濾波器電感與電容，平衡電抗器的電感值為2Ab。2.控制方式
現(xiàn)有文獻(xiàn)中，對于單個雙級式矩陣變換器，通常采用雙空間矢量調(diào)制方法，即對整流級電路采用輸入電流空間矢量調(diào)制，得到斬波狀的直流母線電壓，再通過逆變級電路的輸出電壓空間矢量調(diào)制，合成輸出電壓，根據(jù)整流級調(diào)制過程中是否使用零矢量，可分為整流級含零矢量和整流級不含零矢量的雙空間矢量調(diào)制方法。其調(diào)制過程和占空比計算公式等內(nèi)容在現(xiàn)有文獻(xiàn)中已有較為詳細(xì)的闡釋，在此不再贅述。針對雙級式矩陣變換器并聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出一種基于整流級無零矢量的雙空間矢量調(diào)制的交錯驅(qū)動PWM控制方法。下面詳細(xì)闡述這種方法的實現(xiàn)過程。
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由整流級無零矢量的雙空間矢量調(diào)制原理可知，在每個調(diào)制周期(r (+Ts)內(nèi)(其中(為調(diào)制周期的開始時刻，Ts為調(diào)制周期的時長)，整流級由兩個非零矢量JdPJ2S
與調(diào)制，其占空比分別為Cl和⑦;
逆變級由兩個非零矢量^、^2和零矢量Ktl進(jìn)行調(diào)制。整流級開關(guān)狀態(tài)為矢量J1時，逆變級矢量的占空比分別為dn，d12和d1(l ;整流級開關(guān)狀態(tài)為矢量I2時，逆變級矢量的占空比分別為 d2i，d22 和 d2。。圖3為TSMCl和TSMC2的交錯并聯(lián)驅(qū)動控制示意圖，兩個模塊的每個調(diào)制周期的開始和結(jié)束時刻均相同，即它們的調(diào)制時鐘一致；但兩者矢量調(diào)制的順序相反，例如，TSMCl的整流級矢量調(diào)制順序為I1 — /2，逆變級順序為mm V0,則，TSMC2的整流級矢量調(diào)制順序為Z2 — A，逆變級順序為6 —匕一K7 — K, — K7 —匕一V0。根據(jù)理論推導(dǎo)和仿真驗證，采用這種交錯并聯(lián)驅(qū)動控制方法，可有效降低輸出電壓和輸入電流的總諧波含量。圖5顯示了輸入電壓頻率800Hz、給定輸出頻率400Hz、開關(guān)頻率為14. 4kHz條件下，TSMCl和TSMC2分別輸出的電壓波形，和兩者交錯并聯(lián)后得到的輸出電壓波形和阻感性負(fù)載電流波形(只給出U相波形)；圖6為輸入電壓、TSMCl和TSMC2各自的輸入電流波形以及兩者交錯并聯(lián)后的輸入電流波形(只給出A相波形)。仿真波形驗證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法的正確性和可行性。交換TSMCl和TSMC2，道理類似，不再贅述。采用主從結(jié)構(gòu)對TSMCl和TSMC2并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，同時抑制兩者之間的環(huán)路電流?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖4所示，其中u*為給定電壓；GTSK1(s)和Gtssc2 (s)分別為TSMCl和TSMC2的等效傳遞函數(shù)和U2分別為TSMCl和TSMC2的實際輸出電壓山和I2分別為TSMCl和TSMC2輸出電流；iw。為輸出濾波電感中的電流，即I1與i2之和；i_為TSMCl與TSMC2之間的環(huán)路電流，即I1與i2之差；u為濾波器輸出電壓，即負(fù)載端電壓。并聯(lián)系統(tǒng)的控制過程中，以TSMCl為主變換器，TSMC2為輔變換器。電壓控制器AVR檢測并調(diào)節(jié)u與u*的偏差，AVR的輸出信號直接作為TSMCl的逆變級調(diào)制的參考電壓，TSMCl在電壓控制中起主要作用。環(huán)流控制器ACR檢測i^p的值，根據(jù)實際需要將、。。調(diào)節(jié)至零或跟隨特定的信號。TSMC2逆變級調(diào)節(jié)的參考電壓為AVR和ACR輸出信號之和，從而使TSMC2跟蹤TSMCl的輸出電壓，并同時實現(xiàn)對環(huán)路電流的控制，TSMC2在輸出電壓控制中起輔助作用。本具體實施方式
以TSMCl為主變換器，TSMC2為輔變換器，交換TSMCl和TSMC2，道理類似，不再贅述?！?br> 權(quán)利要求
1.一種交錯并聯(lián)型雙級式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由相互獨立的兩個雙級式矩陣變換器(1、2)、共享的輸入濾波器(3)和輸出濾波器(4)、以及平衡電抗器(5)組成；兩個雙級式矩陣變換器(1、2)的主功率電路的輸入端直接并聯(lián)，并通過輸入濾波器(3)與電源相連；兩個雙級式矩陣變換器(1、2)的主功率電路的輸出端通過平衡電抗器(5)相連；平衡電抗器(5)的中點經(jīng)過輸出濾波器(4)濾波后，為負(fù)載供電。
2.權(quán)利要求I所述交錯并聯(lián)型雙級式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于，兩個雙級式矩陣變換器(1、2)采用同步交錯驅(qū)動模式，即兩者的調(diào)制時鐘一致，但每個調(diào)制周期的脈沖分配順序相反，有效降低輸出電壓的總諧波含量；電壓閉環(huán)控制采用主從結(jié)構(gòu)，以其中一個雙級式矩陣變換器為主變換器，通過電壓閉環(huán)控制三相輸出電壓，以另外一個雙級式矩陣變換器為輔變換器，跟隨主變換器的輸出電壓，并通過電流閉環(huán)抑制環(huán)路電流，實現(xiàn)負(fù)載電流的均分。
全文摘要
本發(fā)明公開一種交錯并聯(lián)型雙級式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法，整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由相互獨立的兩個雙級式矩陣變換器、共享的輸入濾波器和輸出濾波器以及平衡電抗器組成；兩個雙級式矩陣變換器模塊的輸入端直接并聯(lián)，通過輸入濾波器與電源連接，輸出端通過平衡電抗器相連后，平衡電抗器中點通過輸出濾波器為負(fù)載供電。本發(fā)明對兩個矩陣變換器模塊的調(diào)制采用同步交錯驅(qū)動模式，其調(diào)制時鐘一致，但每個調(diào)制周期的脈沖分配順序相反。采用主從結(jié)構(gòu)分別控制輸出電壓和模塊間環(huán)路電流。本發(fā)明的交錯并聯(lián)型雙極式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方式，可在較低的調(diào)制頻率下，大幅降低諧波含量，提高輸出電壓和輸入電流的性能，具有重要的應(yīng)用意義。
文檔編號H02M5/458GK102790536SQ20121028292
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者劉曉宇, 周波, 唐國芬, 秦顯慧, 黃海濤 申請人:南京航空航天大學(xué)