CN102790536A

CN102790536A - 交错并联型双级式矩阵变换器的拓扑结构及其控制方法

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Publication number: CN102790536A
Application number: CN2012102829227A
Authority: CN
Inventors: 秦显慧; 周波; 黄海涛; 唐国芬; 刘晓宇
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: CN102790536B

Abstract

本发明公开一种交错并联型双级式矩阵变换器的拓扑结构及其控制方法，整体拓扑结构由相互独立的两个双级式矩阵变换器、共享的输入滤波器和输出滤波器以及平衡电抗器组成；两个双级式矩阵变换器模块的输入端直接并联，通过输入滤波器与电源连接，输出端通过平衡电抗器相连后，平衡电抗器中点通过输出滤波器为负载供电。本发明对两个矩阵变换器模块的调制采用同步交错驱动模式，其调制时钟一致，但每个调制周期的脉冲分配顺序相反。采用主从结构分别控制输出电压和模块间环路电流。本发明的交错并联型双极式矩阵变换器的拓扑结构及控制方式，可在较低的调制频率下，大幅降低谐波含量，提高输出电压和输入电流的性能，具有重要的应用意义。

Description

交错并联型双级式矩阵变换器的拓扑结构及其控制方法

一、技术领域

本发明涉及一种矩阵变换器，特别是一种双级式矩阵变换器的并联结构，及其交错驱动控制方法，属于交流功率变换技术领域。

二、背景技术

统计数据表明，我国用电量的60%~70%用于推动电动机做功，其中90%的电动机为交流电机，如果采用交流变频调速技术实现变速运行，即通过电力电子设备将工频三相交流电转换为电机驱动系统所需的频率、幅值可调节的交流电，可获得显著的节能效果。风力发电是新能源技术的重要组成部分，据权威部门统计，截止2011年，中国（不包括台湾地区）累计风电装机容量62364.2MW，居世界第一，由于风能具有较大的随机性，风力发电机直接输出电能的频率和电压随时间变化较大，因此必须配置合适的交流功率变换装置才能实现并网供电。由此可见，具有变频调压功能的交流功率变换装置，不管在交流调速还是风电并网技术中，都具有重要的应用意义。

目前市场上占主导地位的交流功率变换装置一般为交直交型变换器。近年来交直交型变换器性能已大幅提高，应用技术也趋于成熟，但仍有其不足之处。由于交直交型变换器均含有大电容或大电感作为直流储能环节，不仅体积、重量大，造成变频装置安装和使用的不便，而且不易于维护，影响变换器的使用寿命。随着电力电子技术的进一步发展和人们对这些问题的逐渐重视，矩阵变换器技术逐渐成为研究热点之一。

矩阵变换器(Matrix Converter，MC)不仅具备了传统交直交变换器的诸多优异性能，如输入输出正弦度高，功率因数可调等，而且不含储能电容，具有结构紧凑、体积重量小、稳定性好、使用寿命长等优点，能够在恶劣的自然环境下坚持工作，是交直交变换器的一种具有潜力的替代选择。双级式矩阵变换器(Two Stage Matrix Converter，TSMC)是基于矩阵变换器的概念发展而来的一种新型拓扑，继承了传统MC不含储能电容的优点，同时克服了输出侧无续流回路，换流困难，需要箝位电路等诸多缺点，具有更高的应用价值。

矩阵变换器的输入输出性能和滤波器所需体积，在较大程度上取决于电力电子器件的开关频率。开关频率越高，则谐波含量越低，相应的滤波器体积越小；但开关频率越高，也意味着开关损耗越大，而且在许多大功率场合，都要求采用较低的开关频率。

工业上交-直整流器和直-交逆变器等变流设备，在较低的开关频率下，为实现高性能的交流功率变换，常采用多重化技术，即多个功率变换模块通过一定的拓扑结构进行并联或串联，降低输出谐波含量，提高变换器的功率容量。双级式矩阵变换器可以视为整流器和逆变器的结合，与传统交直交变换器具有一定的相似性，采用多重化技术，通过矩阵变换器模块的有机结合，实现低开关频率下的高性能输出，具有重要的现实意义。但由于矩阵变换器的开关管较多、控制方法较为复杂，多重化技术在矩阵变换器的应用研究还比较少，尤其是双级式矩阵变换器并联的拓扑结构和交错驱动控制还未展开。

三、发明内容

本发明的目的在于提出一种交错并联型双级式矩阵变换器的拓扑结构及其交错驱动控制方法，通过两台双级式矩阵变换器的有机结合，在开关频率不变的条件下，可有效降低输出电压和输入电流的谐波含量。该拓扑结构及其控制方法对矩阵变换器的应用研究具有重要的实际意义，同时也填补了相关研究领域的空白。

本发明所提出的一种交错并联型双级式矩阵变换器的拓扑结构，整体拓扑结构由相互独立的两个双级式矩阵变换器、共享的输入滤波器和输出滤波器、以及平衡电抗器组成；两个双级式矩阵变换器的主功率电路的输入端直接并联，并通过输入滤波器与电源相连；两个双级式矩阵变换器的主功率电路的输出端通过平衡电抗器相连；平衡电抗器的中点经过输出滤波器滤波后，为负载供电。

上述拓扑结构的控制方法是：两个双级式矩阵变换器采用同步交错驱动模式，即两者的调制时钟一致，但每个调制周期的脉冲分配顺序相反，有效降低输出电压的总谐波含量；电压闭环控制采用主从结构，以其中一个双级式矩阵变换器为主变换器，通过电压闭环控制三相输出电压，以另外一个双级式矩阵变换器为辅变换器，跟随主变换器的输出电压，并通过电流闭环抑制环路电流，实现负载电流的均分。

本发明中将两个完整的双级式矩阵变换器主功率电路并联，与通过IGBT器件的串并联实现功率容量扩充的技术相比，模块之间具有更强的独立性，互相可作为冗余备份，模块间的均流控制比器件间的均流控制更为简单且有效；与具有两个或多个逆变级电路并联的双级式矩阵变换器相比，交错并联型双级式矩阵变换器不仅能降低输出电压的谐波，而且能减少输入电流中的高频谐波，在输入电源频率较高的场合也能保持较高的性能，因此适用性更强。

四、附图说明

图1 双级式矩阵变换器单机拓扑结构示意图；

图2 双级式矩阵变换器并联型拓扑结构示意图；

图3 双级式矩阵变换器交错并联控制示意图；

图4 双级式矩阵变换器并联系统的主从结构闭环控制示意图；

图5 单机与交错并联的双级式矩阵变换器输出电压、负载电流波形图；

图6 单机与交错并联的双级式矩阵变换器输入电压、电流波形图。

五、具体实施方式

下面对本发明的新型拓扑和控制方式作进一步阐述。

1. 拓扑结构

本发明所提出的双级式矩阵变换器并联系统，主要包括两个双级式矩阵变换器主功率电路模块TSMC1和TSMC2，由TSMC1和TSMC2共享输入滤波器和输出滤波器，以及连接在TSMC1和TSMC2输出端之间的平衡电抗器等部分。

TSMC1和TSMC2的电路结构完全一致。以TSMC1为例，如图1，它由整流级电路、直流环节和逆变级电路组成：整流级是由6个双向开关S _pa 、S _pb 、S _pc 、S _na 、S _nb和S _nc组成的三相整流电路，双向开关则由两个带反并联二极管的IGBT器件共发射极(E)连接构成，整流级电路的作用是将输入的三相交流电整为直流；直流环节没有任何储能电容，整流后的电压呈斩波状态；逆变级电路是由6个IGBT器件S _up 、S _un 、S _vp 、S _vn 、S _wp和S _wn所构成的三相桥式电路。

记TSMC1的三相输入端为A₁、B₁和C₁，三相输出端为U₁、V₁和W₁；TSMC2的三相输入端为A₂、B₂和C₂，三相输出端为U₂、V₂和W₂。图2为矩阵变换器并联拓扑结构示意图，其中输入端A₁与A₂、B₁与B₂、C₁与C₂分别直接相连，连接点作为共同的输入端，通过输入滤波器3与三相电源相连；输出端U₁与U₂、V₁与V₂、W₁与W₂分别通过平衡电抗器相互连接，三相平衡电抗器5的中点作为共同的输出端，通过输出滤波器4滤波后为负载供电。L _fo和C _fo为输出滤波器电感与电容，L _fi和C _fi为输入滤波器电感与电容，平衡电抗器的电感值为2L _b。

2. 控制方式

现有文献中，对于单个双级式矩阵变换器，通常采用双空间矢量调制方法，即对整流级电路采用输入电流空间矢量调制，得到斩波状的直流母线电压，再通过逆变级电路的输出电压空间矢量调制，合成输出电压，根据整流级调制过程中是否使用零矢量，可分为整流级含零矢量和整流级不含零矢量的双空间矢量调制方法。其调制过程和占空比计算公式等内容在现有文献中已有较为详细的阐释，在此不再赘述。

针对双级式矩阵变换器并联型拓扑结构，本发明提出一种基于整流级无零矢量的双空间矢量调制的交错驱动PWM控制方法。下面详细阐述这种方法的实现过程。

由整流级无零矢量的双空间矢量调制原理可知，在每个调制周期(t~ t+T_s)内 (其中t为调制周期的开始时刻，T_s为调制周期的时长) ，整流级由两个非零矢量I ₁和I ₂参与调制，其占空比分别为

Figure 2012102829227100002DEST_PATH_IMAGE001

和

Figure 2012102829227100002DEST_PATH_IMAGE002

；逆变级由两个非零矢量V ₁、V ₂和零矢量V ₀进行调制。整流级开关状态为矢量I ₁时，逆变级矢量的占空比分别为d₁₁，d₁₂和d₁₀；整流级开关状态为矢量I₂时，逆变级矢量的占空比分别为d₂₁，d₂₂和d₂₀。

图3为TSMC1和TSMC2的交错并联驱动控制示意图，两个模块的每个调制周期的开始和结束时刻均相同，即它们的调制时钟一致；但两者矢量调制的顺序相反，例如，TSMC1的整流级矢量调制顺序为I ₁→I ₂，逆变级顺序为V ₀→V ₁→V ₂→V ₀→V ₂→V ₁→V ₀，则，TSMC2的整流级矢量调制顺序为I ₂→I ₁，逆变级顺序为V ₀→V ₂→V ₁→V ₀→V ₁→V ₂→V ₀。根据理论推导和仿真验证，采用这种交错并联驱动控制方法，可有效降低输出电压和输入电流的总谐波含量。图5显示了输入电压频率800Hz、给定输出频率400Hz、开关频率为14.4kHz条件下，TSMC1和TSMC2分别输出的电压波形，和两者交错并联后得到的输出电压波形和阻感性负载电流波形(只给出U相波形)；图6为输入电压、TSMC1和TSMC2各自的输入电流波形以及两者交错并联后的输入电流波形(只给出A相波形)。仿真波形验证了该拓扑结构和控制方法的正确性和可行性。交换TSMC1和TSMC2，道理类似，不再赘述。

采用主从结构对TSMC1和TSMC2并联系统的输出电压进行闭环控制，同时抑制两者之间的环路电流。控制结构如图4所示，其中u^*为给定电压；G_TSMC1(s)和G_TSMC2(s)分别为TSMC1和TSMC2的等效传递函数；u₁和u₂分别为TSMC1和TSMC2的实际输出电压；i₁和i₂分别为TSMC1和TSMC2输出电流；i_Lfo为输出滤波电感中的电流，即i₁与i₂之和；i_Loop为TSMC1与TSMC2之间的环路电流，即i₁与i₂之差；u为滤波器输出电压，即负载端电压。并联系统的控制过程中，以TSMC1为主变换器，TSMC2为辅变换器。电压控制器AVR检测并调节u与u^*的偏差，AVR的输出信号直接作为TSMC1的逆变级调制的参考电压，TSMC1在电压控制中起主要作用。环流控制器ACR检测i_Loop的值，根据实际需要将i_Loop调节至零或跟随特定的信号。TSMC2逆变级调节的参考电压为AVR和ACR输出信号之和，从而使TSMC2跟踪TSMC1的输出电压，并同时实现对环路电流的控制，TSMC2在输出电压控制中起辅助作用。

本具体实施方式以TSMC1为主变换器，TSMC2为辅变换器，交换TSMC1和TSMC2，道理类似，不再赘述。

Claims

1.一种交错并联型双级式矩阵变换器的拓扑结构，其特征在于整体拓扑结构由相互独立的两个双级式矩阵变换器(1、2)、共享的输入滤波器(3)和输出滤波器(4)、以及平衡电抗器(5)组成；两个双级式矩阵变换器(1、2)的主功率电路的输入端直接并联，并通过输入滤波器(3)与电源相连；两个双级式矩阵变换器(1、2)的主功率电路的输出端通过平衡电抗器(5)相连；平衡电抗器(5)的中点经过输出滤波器(4)滤波后，为负载供电。

2.权利要求1所述交错并联型双级式矩阵变换器的拓扑结构的控制方法，其特征在于，两个双级式矩阵变换器(1、2)采用同步交错驱动模式，即两者的调制时钟一致，但每个调制周期的脉冲分配顺序相反，有效降低输出电压的总谐波含量；电压闭环控制采用主从结构，以其中一个双级式矩阵变换器为主变换器，通过电压闭环控制三相输出电压，以另外一个双级式矩阵变换器为辅变换器，跟随主变换器的输出电压，并通过电流闭环抑制环路电流，实现负载电流的均分。