[发明专利]交流输出电压升/降可调的双级矩阵变换器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电能变换方法，特别涉及一种交流输出电压升/降可调的双级矩阵变换器及其控制方法。

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：负载电压幅值小于电源电压幅值的0.866倍，系统只能实现降压变换；电源电压幅值小于负载电压的0.866倍，系统只能实现升压变换。

发明内容

所要解决的技术问题：

在一些工业应用场合，如在分布式发电系统中，交流负载要求变换器的输出电压幅值既能大于电源电压幅值又能小于电源电压幅值，即变换器能够同时实现升压和降压变换。

此外，交流负载和直流负载同时存在，要求电能变换装置能够同时输出交流电压和直流电压。针对这两个问题，本发明基于双级式矩阵变换器，提出一种可输出交流电压和直流电压的系统拓扑结构及其控制方法，同时交流输出电压幅值即可大于或者小于电源电压幅值，突破了双级式矩阵变换器电压传输关系的约束。

技术方案：

为了实现以上功能，本发明提供了一种交流输出电压升/降可调的双级矩阵变换器，包括依次连接的三相交流电源、电源侧滤波电感、电压型整流器、电流型逆变器、三相交流负载、直流负载侧滤波器，所述直流负载侧滤波器包括滤波电容和滤波电感，直流负载侧滤波器的滤波电容与电流型逆变器的输出端相连接；

其特征在于，还包括一个并联在电压型整流器和电流型逆变器之间的直流输出电路，所述直流输出电路包括：

连接到直流母线正端(P)的第四滤波电容(C4)，所述第四滤波电容(C4)的另一端连接第十三二极管(D13)的阳极；

连接到直流母线正端(P)的第七滤波器(L7)与直流负载(R_D)串联，所述直流负载(R_D)的另一端连接第十三二极管(D13)的阳极；

所述第十三二极管(D13)的阴极与第十三全控型器件(V13)的集电极相连，所述第十三全控型器件(V13)的发射极与直流母线负端相连。

所述电压型整流器为常规的三相全桥PWM整流器或者常规的三相全桥PWM逆变器。

所述电流型逆变器由六个逆阻型开关组成，每个逆阻型开关由一个全控器件和一个二极管串联构成。

一种交流输出电压升/降可调的双级矩阵变换器的控制方法，其特征在于在每个开关周期内均进行如下步骤控制过程：

第1步：采集三相交流负载电压u_LA、u_LB、u_LC，采集直流负载(R_D)电压u_Lm2，采集三相交流电源电压u_SU、u_gV、u_gW，采集三相交流负载电流i_SU、i_SV、i_SW；根据采集到的数据，由式(1)计算出三相交流负载电压幅值u_Lm1；

第2步：设定三相交流负载电压幅值的参考值为u_Lm1^*，采用第一比例-积分调节器闭环控制交流电压幅值，产生电流型逆变器交流侧电流幅值给定值_iIm1^*，其表达式为：