可输出交流电压和直流电压的双级式矩阵变换器拓扑结构

摘要

本发明公开了一种可输出交流电压和直流电压的双级式矩阵变换器拓扑结构，这种结构包括如下部分：三相交流电源、三相滤波电感、电压型整流器、电流型逆变器、三相交流负载、交流负载侧LC滤波器、直流输出电路；本发明提供的拓扑结构能够同时输出交流电压和直流电压，在分布式发电系统等应用场合中能够实现交/直流输出一体化运行，对减轻系统体积和重量有较大帮助；而且交流输出电压幅值和直流输出电压幅值均可同时大于也可同时小于交流输入电源电压幅值，拓宽了已有双级式矩阵变换器的调压范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电能变换装置，特别涉及一种可输出交流电压和直流电压的双级式矩阵 变换器拓扑结构。

背景技术

矩阵式变换器是一种新型的AC-AC变换器，具有体积小、重量轻和工作寿命长的特点， 被当作目前大量应用的双PWM变换器的替代拓扑之一，在国内外被广泛研究。双级式矩阵变 换器是矩阵变换器的一种子类，包括电流型变换器(Current Source Converter,CSC)和电压 型变换器(Voltage Source Converter,VSC)两个部分，两个部分通过直流中间直流母线相连， 但无直流储能元件。相较于传统矩阵变换器，双级式矩阵变换器具有箝位电路简单、换流控 制策略容易实现等优点，在一定条件下可减少开关数量，获得了研究人员的广泛关注。

基于双级式矩阵变换器的常规交流电能转换系统主要有两种结构，如附图1和附图2所 示。在附图1中，三相交流电源通过LC滤波器接到CSC的三相交流输入端，三相交流负载通 过滤波电感接到VSC的三相交流输出端。在附图2中，三相交流电源通过滤波电感接到VSC 的三相交流输入端，三相交流负载通过LC滤波器接到CSC的三相交流输出端。双级式矩阵变 换器具有如下电压传输关系：VSC的交流端电压幅值小于CSC的交流端电压幅值的0.866倍。 若忽略滤波电感压降，则可得到如下结论：在附图1中，负载电压幅值小于电源电压幅值的 0.866倍，即附图1所示系统只能实现降压变换；在附图2中，电源电压幅值小于负载电压 的0.866倍，即附图2所示系统只能实现升压变换。

在一些工业应用场合，如在分布式发电系统中，交流负载和直流负载同时存在。这要求 电能变换装置既能产生交流负载电压，又能产生直流负载电压。此外，分布式电源的电压幅 值波动范围一般较宽，这要求电能变换装置具有较宽的负载电压调节范围。针对这两方面问 题，本发明基于双级式矩阵变换器，提出了一种既可输出交流电压又可输出直流电压的拓扑 结构。在这种拓扑结构中，交流负载电压和直流负载电压可同时大于也可同时小于电源电压 幅值，使得该拓扑结构具有较宽的调压范围。

发明内容

所要解决的技术问题：

本发明的目的在于提供一种可输出交流电压和直流电压且两种电压幅值均可大于又可小 于电源电压幅值的基于双级式矩阵变换器拓扑结构。

技术方案：

为了实现以上功能，本发明提供了一种可输出交流电压和直流电压的双级式矩阵变换器 拓扑结构，包括三相交流电源、电源侧滤波电感、电压型整流器VSC、电流型逆变器CSC、 三相交流负载、交流负载侧LC滤波器、直流输出电路；三相交流电源通过电源侧滤波电感 接到电压型整流器VSC的三相交流输入端，三相交流负载通过交流负载侧LC滤波器接到电 流型逆变器CSC的三相交流输出端；其特征在于：所述直流输出电路连接在直流母线上，具 体的，

所述直流输出电路包括第十三全控型器件V13、第十三二极管D13、直流负载R_LD、第 七滤波电感L7、第四滤波电容C4；第十三全控型器件V13的集电极和第十三二极管D13的 阳极接到电压型整流器VSC的直流母线正端P1，第十三全控型器件V13的发射极、第四滤 波电容C4的一端、直流负载R_LD的负端接到电流型逆变器CSC直流母线正端P2，直流负载 R_LD的正端与第七滤波电感L7的一端相连，第四滤波电容C4的另一端、第七滤波电感L7 的另一端与第十三二极管D13的阴极相连。

进一步的，所述电压型整流器VSC包括第一到第六全控型器件V1、V2、V3、V4、V5、 V6和第一到第六二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6；

第一全控型器件V1的发射极、第二全控型器件V2的集电极、第一二极管D1的阳极、 第二极管D2的阴极相连并引出作为电压型整流器的U相交流输入端；第三全控型器件V3 的发射极、第四全控型器件V4的集电极、第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极相 连并引出作为电压型整流器的V相交流输入端；第五全控型器件V5的发射极、第六全控型 器件V6的集电极、第五二极管D5的阳极、第六二极管D6的阴极相连并引出作为电压型整 流器的W相交流输入端；

第一全控型器件V1的集电极、第一二极管D1的阴极、第三全控型器件V3的集电极、 第三二极管D3的阴极、第五全控型器件V5的集电极、第五二极管D5的阴极相连并形成电 压型整流器VSC的直流母线正端P1即第一条直流母线正端P1；

第二全控型器件V2的发射极、第二二极管D2的阳极、第四全控型器件V4的发射极、 第四二极管D4的阳极、第六全控型器件V6的发射极相连并形成直流母线负端N。

进一步的，所述电流型逆变器CSC包括第七到第十二全控型器件V7、V8、V9、V10、 V11、V12和第七到第十二二极管D7、D8、D9、D10、D11、D12；

第七全控型器件V7的集电极和第七二极管D7的阴极相连，第七全控型器件V7的发射 极和第八二极管D8的阳极相连并引出作为A相交流输出端，第八二极管D8的阴极和第八 全控型器件V8的集电极相连；

第九全控型器件V9的集电极和第九二极管D9的阴极相连，第九全控型器件V9的发射 极和第十二极管D10的阳极相连并引出作为B相交流输出端，第十二极管D10的阴极和第十 全控型器件V10的集电极相连；

第十一全控型器件V11的集电极和第十一二极管D11的阴极相连，第十一全控型器件 V11的发射极和第十二二极管D12的阳极相连并引出作为C相交流输出端，第十二二极管 D12的阴极和第十二全控型器件V12的集电极相连；

第七二极管D7的阳极、第九二极管D9的阳极、第十一二极管D11的阳极相连并形成电 流型逆变器CSC直流母线正端P2即第二条直流母线正端P2，第六二极管D6的阳极、第八 全控型器件V8的发射极、第十全控型器件V10的发射极、第十二全控型器件V12的发射极 均接到直流母线负端N。

更进一步的，所述三相交流电源包括U相交流电源U_SU、V相交流电源U_SV和W相交 流电源U_SW；

电源侧滤波电感包括第一到第三滤波电感L1、L2、L3，U相交流电源U_SU、V相交流电 源U_SV、W相交流电源U_SW的一端相连并形成电源中性点N1；U相交流电源U_SU的另一端接 到第一滤波电感L1的一端，第一滤波电感L1的另一端接到电压型整流器的U相交流输入端； V相交流电源U_SV的另一端接到第二滤波电感L2的一端，第二滤波电感L2的另一端接到电 压型整流器的V相交流输入端；W相交流电源U_SW的另一端接到第三滤波电感L3的一端， 第三滤波电感L3的另一端接到电压型整流器的W相交流输入端。

更进一步的，所述三相交流负载包括A相交流负载R_LA、B相交流负载R_LB和C相交流 负载R_LC，交流负载侧LC滤波器包括第四到第六滤波电感L4、L5、L6和第一到第三滤波电 容C1、C2、C3；

A相交流负载R_LA、B相交流负载R_LB、C相交流负载R_LC、第一滤波电容C1、第二滤波 电容C2、第三滤波电容C3的一端相连并形成负载中性点N2，A相交流负载R_LA的另一端接 到第四滤波电感L4的一端，第四滤波电感L4的另一端接到电流型逆变器的A相交流输出端， 第一滤波电容C1的另一端接到电流型逆变器的A相交流输出端；

B相交流负载R_LB的另一端接到第五滤波电感L5的一端，第五滤波电感L5的另一端接 到电流型逆变器的B相交流输出端，第二滤波电容C2的另一端接到电流型逆变器的B相交 流输出端；

C相交流负载R_LC的另一端接到第六滤波电感L6的一端，第六滤波电感L6的另一端接 到电流型逆变器的C相交流输出端，第三滤波电容C3的另一端接到电流型逆变器的C相交 流输出端。

有益效果：

1、本发明可同时产生交流负载电压和直流负载电压，适用于分布式发电系统等要求交直 流输出一体化的工业应用场合。

2、本发明中，交流负载电压和直流负载电压可同时大于电源电压幅值，也可同时小于电 源电压幅值，能够实现升降压变换，拓宽了双级式矩阵变换器的运行范围。

3、交流负载电压和直流负载电压的调节范围与负载电流无关，具有较好的负载适应性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1基于双级式矩阵变换器的常规交流电能转换系统；

图2基于双级式矩阵变换器的常规交流电能转换系统；

图3本发明提出的一种可输出交流电压和直流电压的双级式矩阵变换器拓扑结构；

图4交流电压传输比(q₁)和直流电压传输比(q₂)的关系。

具体实施方式

本发明提供一种可输出交流电压和直流电压的双级式矩阵变换器拓扑结构，为使本发明 的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。 应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的系统结构如附图3所示。三相交流电源通过电源侧滤波电感接到三相电压 型整流器的交流输入侧，电压型整流器的结构与普通的三相全桥电压型PWM整流器或者三 相全桥电压型PWM逆变器的结构相同。三相交流负载通过交流负载侧LC滤波器接到三相 电流型逆变器的交流输出侧，电流型逆变器的结构与普通的三相全桥电流型PWM整流器或 者三相全桥电流型PWM逆变器的结构相同。三相电压型整流器和三相电流型逆变器通过一 个全控型器件相连。该全控型器件是直流输出电路的一部分。直流输出电路的其余部分包括 直流负载、LC滤波器和一个二极管。

具体地说，该可输出交流电压和直流电压的双级式矩阵变换器拓扑结构的直流输出电路 连接在直流母线上，具体的，

所述直流输出电路包括第十三全控型器件V13、第十三二极管D13、直流负载R_LD、第 七滤波电感L7、第四滤波电容C4；第十三全控型器件V13的集电极和第十三二极管D13的 阳极接到电压型整流器VSC的直流母线正端P1，第十三全控型器件V13的发射极、第四滤 波电容C4的一端、直流负载R_LD的负端接到电流型逆变器CSC直流母线正端P2，直流负载 R_LD的正端与第七滤波电感L7的一端相连，第四滤波电容C4的另一端、第七滤波电感L7 的另一端与第十三二极管D13的阴极相连。

所述电压型整流器包括第一到第六全控型器件V1、V2、V3、V4、V5、V6和第一到第 六二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6；

第一全控型器件V1的发射极、第二全控型器件V2的集电极、第一二极管D1的阳极、 第二极管D2的阴极相连并引出作为电压型整流器的U相交流输入端；第三全控型器件V3 的发射极、第四全控型器件V4的集电极、第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极相 连并引出作为电压型整流器的V相交流输入端；第五全控型器件V5的发射极、第六全控型 器件V6的集电极、第五二极管D5的阳极、第六二极管D6的阴极相连并引出作为电压型整 流器的W相交流输入端；

第一全控型器件V1的集电极、第一二极管D1的阴极、第三全控型器件V3的集电极、 第三二极管D3的阴极、第五全控型器件V5的集电极、第五二极管D5的阴极相连并形成第 一条直流母线正端P1；

第二全控型器件V2的发射极、第二二极管D2的阳极、第四全控型器件V4的发射极、 第四二极管D4的阳极、第六全控型器件(V6)的发射极相连并形成直流母线负端N。

所述电流型逆变器包括第七到第十二全控型器件V7、V8、V9、V10、V11、V12和第七 到第十二二极管D7、D8、D9、D10、D11、D12；

第七全控型器件V7的集电极和第七二极管D7的阴极相连，第七全控型器件V7的发射 极和第八二极管D8的阳极相连并引出作为A相交流输出端，第八二极管D8的阴极和第八 全控型器件V8的集电极相连；

第九全控型器件V9的集电极和第九二极管D9的阴极相连，第九全控型器件V9的发射 极和第十二极管D10的阳极相连并引出作为B相交流输出端，第十二极管D10的阴极和第十 全控型器件V10的集电极相连；

第十一全控型器件V11的集电极和第十一二极管D11的阴极相连，第十一全控型器件 V11的发射极和第十二二极管D12的阳极相连并引出作为C相交流输出端，第十二二极管 D12的阴极和第十二全控型器件V12的集电极相连；

第七二极管D7的阳极、第九二极管D9的阳极、第十一二极管D11的阳极相连并形成第 二条直流母线正端P2，第六二极管D6的阳极、第八全控型器件V8的发射极、第十全控型 器件V10的发射极、第十二全控型器件V12的发射极均接到直流母线负端N。

所述三相交流电源包括U相交流电源U_SU、V相交流电源U_SV和W相交流电源U_SW；

电源侧滤波电感包括第一到第三滤波电感L1、L2、L3，U相交流电源U_SU、V相交流电 源U_SV、W相交流电源U_SW的一端相连并形成电源中性点N1；U相交流电源U_SU的另一端接 到第一滤波电感L1的一端，第一滤波电感L1的另一端接到电压型整流器的U相交流输入端； V相交流电源U_SV的另一端接到第二滤波电感L2的一端，第二滤波电感L2的另一端接到电 压型整流器的V相交流输入端；W相交流电源U_SW的另一端接到第三滤波电感L3的一端， 第三滤波电感L3的另一端接到电压型整流器的W相交流输入端。

所述三相交流负载包括A相交流负载R_LA、B相交流负载R_LB和C相交流负载R_LC，交 流负载侧LC滤波器包括第四到第六滤波电感L4、L5、L6和第一到第三滤波电容C1、C2、 C3；

A相交流负载R_LA、B相交流负载R_LB、C相交流负载R_LC、第一滤波电容C1、第二滤波 电容C2、第三滤波电容C3的一端相连并形成负载中性点N2，A相交流负载R_LA的另一端接 到第四滤波电感L4的一端，第四滤波电感L4的另一端接到电流型逆变器的A相交流输出端， 第一滤波电容C1的另一端接到电流型逆变器的A相交流输出端；

B相交流负载R_LB的另一端接到第五滤波电感L5的一端，第五滤波电感L5的另一端接 到电流型逆变器的B相交流输出端，第二滤波电容C2的另一端接到电流型逆变器的B相交 流输出端；

C相交流负载R_LC的另一端接到第六滤波电感L6的一端，第六滤波电感L6的另一端接 到电流型逆变器的C相交流输出端，第三滤波电容C3的另一端接到电流型逆变器的C相交 流输出端。

下面对该系统实现交流和直流升/降压变换的功能予以说明。定义三相交流电源电压(即 附图3中的u_SU、u_SV、u_SW)的幅值为u_SM，三相电压型PWM整流器的直流母线电压(即母 线P1和母线N之间的电压)为u_DC1，三相电流型PWM逆变器的直流母线电压(即母线P2 和母线N之间的电压)为u_DC2，三相交流负载电压(即附图3中的u_LA、u_LB、u_LC)的幅值为 u_Lm，定义直流负载电压为u_LD。这些变量均为一个开关周期内的平均值，其参考方向如附图 3所示。

设电流型逆变器的调制比为m_c，则根据电流型变换器常用的空间矢量调制算法可得：

$u_{\mathrm{DC}2}=\frac{3}{2}{m}_c{u}_{\mathrm{LM}}---\left(1\right)$

设直流输出电路的全控型器件(即附图2中的V13)的占空比为d。设在一个开关周期 内，V13导通时电压型整流器的直流母线电压为u_DC1,on，它满足：

u_DC1,on＝u_DC2          (2)

当V13关断时，为保证电压型整流器的直流母线电流续流通道，二极管D13自然导通。 此时设电压型整流器的直流母线电压为u_DC1,off，它满足：

u_DC1,off＝u_DC2+u_LD         (3)

则在一个开关周期内，电压型整流器的直流母线电压的平均值u_DC1满足：

u_DC1＝du_DC1,on+(1-d)u_DC1,off     (4)

将式(1)-式(3)代入到式(4)可得：

$u_{\mathrm{DC}1}=\frac{3}{2}{m}_u{u}_{\mathrm{LM}}+(1-d)u_{\mathrm{LD}}---\left(5\right)$

在实际情况中，应保持电压型整流器处于线性调制区域，否则电源电流将发生畸变，此 时电源电压幅值u_SM应满足：

$\sqrt{3}{u}_{\mathrm{SM}}\le u_{\mathrm{DC}1}---\left(6\right)$

同理，为保证交流负载电压和直流负载电压的波形质量，电流型逆变器的调制比m_c和全 控型器件V13的占空比d均应为不大于1的非负数，即：

0≤m_c≤1,0≤d≤1         (7)

由于电流型逆变器工作时，V13可导通也可关断，即直流输出电路和电流型逆变器相互 没有影响。因此两者可独立工作，且m_c和d之间没有约束关系。将式(6)和式(7)代入到式(5) 可得：

$\sqrt{3}{u}_{\mathrm{SM}}\le \frac{3}{2}{u}_{\mathrm{LM}}+u_{\mathrm{LD}}---\left(8\right)$

定义交流电压传输比q₁＝u_LM/u_SM，当q₁小于1时表明交流负载电压小于电源电压；当q₁大于1时表明交流负载电压大于电源电压。同时定义直流电压传输比q₂＝u_LD/u_SM，当q₂小于 1时表明直流负载电压小于电源电压；当q₂大于1时表明直流负载电压大于电源电压。则由 式(8)可知：

$\sqrt{3}\le \frac{3}{2}{q}_1+q_2---\left(9\right)$

由式(9)可得q₁和q₂的关系，如附图4所示，图中线性调制区域为不等式(9)成立的区域， 过调制区域则表示式(9)不成立的区域。当q₁大于1.15时，q₂可在[0，+∞]范围内变化，即直 流负载电压可在[0，+∞]范围内任意调节；当q₂大于1.73时，q₁可在[0，+∞]范围内变化，即 交流负载电压可在[0，+∞]范围内任意调节。特别的，附图4中阴影部分①表示q₁和q₂均小 于1的线性调制区域，在该区域内，交流负载电压u_LM和直流负载电压u_LD均小于电源电压 幅值u_SM；附图4中阴影部分②表示q₁和q₂均大于1的线性调制区域，在该区域内，交流负 载电压u_LM和直流负载电压u_LD均大于电源电压幅值u_SM。因此，本发明提出的拓扑结构具有 较宽的调压范围。

由于电流源逆变器和直流输出电路可独立工作，因此整个拓扑结构的控制策略十分简单。 对于电流源逆变器和电压源整流器，可采用常规的双级式矩阵变换器控制策略。而对于直流 输出电路，由于其只包含一个全控型器件V13，可由直流负载电压的闭环控制产生V13的占 空比信号。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思 加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。