CN107196523B - 一种t型结构的三电平有源三次谐波注入矩阵变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种T型结构的三电平有源三次谐波注入矩阵变换器，包括：整流级电路、三次谐波注入电路、逆变级电路以及输入LC滤波器；整流级电路用于将三相输入电源提供的三相交流输入电压输入的交流电整流为六脉冲直流电压；三次谐波注入电路用于对所述直流电产生三次谐波并注入所述整流级电路；逆变级电路用于将所述直流电转换为交流电；输入LC滤波器，包括滤波电感和滤波电容，输入LC滤波器用于滤波以及提供逆变级电路中逆变级的中性点。本发明既具有更好的控制性能，如扩大输入无功功率的控制范围、不需要同步调制，又提供更高的输出功率质量，改善输出波形，具有共模水平更低及***效率更高的优点。

Description

一种T型结构的三电平有源三次谐波注入矩阵变换器
技术领域
本发明涉及电力变换技术领域，更具体地，涉及基于T型结构的三电平有源三次谐波注入的矩阵变换器。
背景技术
随着功率半导体器件和微控制器技术的快速发展，电力电子技术在过去的几十年当中取得了突飞猛进的进步。电力电子技术主要研究如何利用电力电子装置或***实现对电能的高效利用、控制和转换，以满足能源领域节能降耗和新能源开发的重大需求，是电工技术领域的前沿方向和研究热点。无论是节能降耗还是新能源开发，都离不开电力电子技术的核心-功率变换器。在所有的功率变换器结构中，又以交-交功率变换器的应用最为广泛。目前交-交功率变换器已被大量用于交流变频驱动、新能源发电和不间断电源等领域。
矩阵变换器作为公共电网与交流负载的接口电路被广泛应用于各种交-交电能变换场合。尽管矩阵变换器具有诸多优点，如无源前端变换器由于具有转换效率高、EMI干扰小、低成本、结构简单和可靠性高等优点，在变频调速和可再生能源发电等领域被广泛采用，但是大多数矩阵变换器仍存在能量单向流动、输入电流质量差，功率密度和可靠性低等缺点。
现有的三次谐波注入矩阵变换器采用双电平设计，存在主开关器件的电压过高，同时输出电压的谐波过大的问题。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的矩阵变换器。
根据本发明的一个方面，提供一种T型结构的三电平有源三次谐波注入矩阵变换器，包括：整流级电路、三次谐波注入电路、逆变级电路以及输入LC滤波器；
所述整流级电路的输入端与三相输入电源连接，输出端分别与直流电压母线的正、负极连接，用于将所述三相输入电源提供的三相交流输入电压输入的交流电整流为六脉冲直流电压，并提供给三次谐波注入电路和所述逆变级电路；
所述三次谐波注入电路的第一端分别与直流电压母线的正、负极连接，第二端与所述三相输入电源连接，用于对所述直流电生成三次谐波并注入所述整流级电路；
所述逆变级电路的第一端与直流电压母线的正、负极连接，第二端与负载连接，用于将所述直流电转换为交流电；
输入LC滤波器，包括滤波电感和滤波电容，所述滤波电感与所述三相输入电源连接，所述滤波电容的两端分别与所述三次谐波注入电路的第二端和所述逆变级电路的第一端连接，所述输入LC滤波器用于滤波以及提供逆变级电路中逆变级的中性点。
优选地，所述整流级电路包括
第一桥臂，包括第一上桥臂开关和第一下桥臂开关；
第二桥臂，包括第二上桥臂开关和第二下桥臂开关；
第三桥臂，包括第三上桥臂开关和第三下桥臂开关；
其中，所述第一上桥臂开关、第二上桥臂开关以及第三上桥臂开关的第一极与直流母线正极连接，第二极依次与所述第一下桥臂开关、第二下桥臂开关以及第三下桥臂开关的第一极相连于第一节点、第二节点和第三节点，所述第一下桥臂开关、第二下桥臂开关以及第三下桥臂开关的第二极与直流母线负极连接。
优选地，所述三次谐波注入电路包括：
第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关、第一电感和第四桥臂；
其中，所述第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关的第一极分别与三相输入电源相连于所述第一节点、第二节点和第三节点，所述第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关的第二极与所述第一电感的一端相连于第四节点，所述第一电感的另一端与与所述第四桥臂连接。
优选地，所述第四桥臂包括：
第一有源开关和第二有源开关，所述第一有源开关的第一极与所述直流母线正极连接，所述第二有源开关的第二极与所述直流母线负极连接，所述第一有源开关的第二极与第二有源开关的第一极相连。
优选地，所述逆变级电路包括：第五桥臂、第六桥臂、第七桥臂、以及第四双向开关、第五双向开关和第六双向开关；
其中，所述第五桥臂，包括第五上桥臂开关和第五下桥臂开关；
所述第六桥臂，包括第六上桥臂开关和第六下桥臂开关；
所述第七桥臂，包括第七上桥臂开关和第七下桥臂开关；
所述第五上桥臂开关、第六上桥臂开关、第七上桥臂开关的第一极与所述直流母线正极连接，第二极分别与所述第五下桥臂开关、第六下桥臂开关、第七下桥臂开关的第一极相连于第五节点、第六节点和第七节点；所述第五下桥臂开关、第六下桥臂开关和第七下桥臂开关的第二极与直流母线负极连接；
所述第四双向开关、第五双向开关和第六双向开关的第二极分别与负载的三个漏感相连于所述第五节点、第六节点和第七节点。
优选地，所述滤波电容包括：
第一滤波电容，第一极与直流母线负极连接；
第二滤波电容，第一级与所述第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关的第二极相连于所述第四节点；
第三滤波电容的第一极与直流母线正极连接；
所述第一滤波电容、第二滤波电容和第三滤波电容的第二极与所述第四双向开关、第五双向开关和第六双向开关的第一级相连于三电平电压型逆变器的中点。
优选地，所述滤波电感包括分别串联在所述三相输入电源上的第一滤波电感、第二滤波电感和第三滤波电感。
本申请提出一种T型结构的三电平有源三次谐波注入矩阵变换器，能够实现功率双向流动功能，降低网侧的谐波电流，其中三电平有源三次谐波注入矩阵变换器以结构简单且新颖的直接AC-AC能量转换器为基础，采用对称的电路结构，整流级电路和逆变级电路可独立控制，具有能量双向传输、正弦输入输出电流、输入功率因数可控等优良特性。本发明既使***具有更好的控制性能，又为***提供更高的输出功率质量，改善输出波形，具有共模水平更低及***效率更高的优点。
附图说明
图1为根据本发明实施例矩阵变换器的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的三次谐波注入电流控制示意图；
图3为根据本发明实施例的T型结构逆变器控制示意图；
图4为根据本发明实施例的仿真波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
为了克服现有技术中存在的能量单向流动、输入电流质量差，功率密度和可靠性低等缺点，以及双电平有源三次谐波注入矩阵变换器存在的同时输出电压的谐波过大的问题。矩阵变换器存在的一种T型结构的三电平有源三次谐波注入矩阵变换器，如图1所示，包括：整流级电路、三次谐波注入电路、逆变级电路以及输入LC滤波器；
所述整流级电路的输入端与三相输入电源连接，输出端分别与直流电压母线的正、负极连接，用于将所述三相输入电源提供的三相交流输入电压输入的交流电整流为六脉冲直流电压，并提供给三次谐波注入电路和所述逆变级电路；
所述三次谐波注入电路的第一端分别与直流电压母线的正、负极连接，第二端与所述三相输入电源连接，用于对所述直流电产生三次谐波并注入所述整流级电路；
所述逆变级电路的第一端与直流电压母线的正、负极连接，第二端与负载连接，用于将所述直流电转换为交流电；
输入LC滤波器，包括滤波电感和滤波电容，所述滤波电感与所述三相输入电源连接，所述滤波电容的两端分别与所述三次谐波注入电路的第二端和所述逆变级电路的第一端连接，所述输入LC滤波器用于提供逆变级电路中逆变级的中性点。
需要说明的是，本发明逆变级电路为基于T型拓扑的三电平电压型逆变器，相比于传统的两电平逆变器，不仅达到输出三电平的目的，提高了输出开关状态，还减少了输出电压的谐波含量，从而进一步减少滤波器的体积。
本申请能够实现功率双向流动功能，降低网侧的谐波电流，其中三电平有源三次谐波注入矩阵变换器以结构简单且新颖的直接AC-AC能量转换器为基础，采用对称的电路结构，整流级电路和逆变级电路可独立控制，具有能量双向传输、正弦输入输出电流、输入功率因数可控等优良特性。本发明既使***具有更好的控制性能，如扩大输入无功功率的控制范围、不需要同步调制，又为***提供更高的输出功率质量，改善输出波形，具有共模水平更低及***效率更高的优点。
具体地，整流级电路包括：
第一桥臂，包括第一上桥臂开关Sa+/Da+和第一下桥臂开关Sa-/Da-；
第二桥臂，包括第二上桥臂开关Sb+/Db+和第二下桥臂开关Sb-/Db-；
第三桥臂，包括第三上桥臂开关Sc+/Dc+和第三下桥臂开关Sc-/Dc-；
其中，上桥臂开关Sa+/Da+、Sb+/Db+和Sc+/Dc+的第一极与直流母线正极连接，第二极依次与下桥臂开关Sa-/Da-、Sb-/Db-和Sc-/Dc的第一极相连于节点a、b和c，下桥臂开关Sa-/Da-、Sb-/Db-和Sc-/Dc的第二极与直流母线负极连接。
此处的控制方法就是根据电压锁相角所在的扇区来控制整流器的开关通断。
具体地，三次谐波注入电路包括：第一双向开关Say、第二双向开关Sby、第三双向开关Scy、第一电感Ly和第四桥臂；
其中，双向开关Say、Sby和Scy的第一极分别与三相输入电源相连于第一节点a、第二节点b和第三节点c，双向开关Say、Sby和Scy的第二极与电感Ly的一端相连于节点y，电感Ly的另一端与第四桥臂连接；
第四桥臂包括第一有源开关Sy+/Dy+和第二有源开关Sy-/Dy-，第一有源开关Sy+/Dy+的第一极与直流母线正极连接，第二有源开关Sy-/Dy-的第二极与直流母线负极连接，第一有源开关Sy+/Dy+的第二极与第二有源开关Sy-/Dy-的第一极相连。
通过控制有源开关Sy+/Dy+和Sy-/Dy-，三次谐波注入电路的电流为准三次谐波，并注入到三相输入中瞬间绝对值最小的那一相，另外两相输入电流自动满足正弦对称的条件，从而实现输入输出三相电流正弦可控，最终达到三相PFC的目的。
由基尔霍夫定律可知，与输入侧剩余一相相连的交流电感电流由输入侧另外两相的线电流决定，即流过交流电感的电流幅值很小，只有输入电流幅值的一半。同时，三次谐波注入电路的第一电感为交流电感，由于电感具有滤波作用，整流级输入端的电流波形质量可以得到改善。
具体地，逆变级电路包括：
第五桥臂、第六桥臂、第七桥臂、以及第四双向开关Sro、第五双向开关Sso和第六双向开关Sto；
第五桥臂，包括第五上桥臂开关Sr+/Dr+和第五下桥臂开关Sr-/Dr-；
第六桥臂，包括第六上桥臂开关Ss+/Ds+和第六下桥臂开关Ss-/Ds-；
第七桥臂，包括第七上桥臂开关St+/Dt+和第七下桥臂开关St-/Dt-；
上桥臂开关Sr+/Dr+、Ss+/Ds+和St+/Dt+的第一极与直流母线正极连接，第二极分别与下桥臂开关Sr-/Dr-、Ss-/Ds-和St-/Dt-的第一极相连于第五节点r、第六节点s和第七节点t；下桥臂开关Sr-/Dr-、Ss-/Ds-和St-/Dt-的第二极与直流母线负极连接。
同一桥臂的开关不能同时导通，通过开关的交替导通，直流能量将转换成交流能量输出到负载电路。
双向开关Sro、Sso和Sto的第二极分别与负载的三个漏感相连于节点r、s和t。
io＝ir*dro+is*dso+it*dto
其中，dro、dso和dto分别是双向开关Sro、Sso和Sto的占空比。
需要说明的是，本发明中的逆变级电路，是一种T型结构三电平电压型逆变器，将双级矩阵变换器的两电平逆变器用中性点箝位型逆变器取代，即逆变器的中点o和滤波电容CF中性点相连，此时，中性点流入逆变器的电流io由三个双向开关(Sro，Sso，Sto)控制。
具体地，输入LC滤波器包括：滤波电容CF和滤波电感LF。逆变器的中点o和滤波电容CF中性点相连。
滤波电容CF包括：
第一滤波电容CFa，第一极与直流母线负极连接。
第二滤波电容CFb，第一极与双向开关Say、Sby和Scy的第二极相连于节点y。
第三滤波电容CFc的第一极与直流母线正极连接。
滤波电容CFa、CFb和CFc的第二极与双向开关Sro、Sso和Sto的第一级相连于节点o。
需要说明的是，图1中可清楚地看到滤波电容CF包括左、中、右三个电容，其中左电容为第一滤波电容CFa、中电容为第二滤波电容CFb、右电容为第三滤波电容CFc，在图中未具体示出。
滤波电感LF包括：第一滤波电感LFa、第二滤波电容LFb和第三滤波电容LFc，分别串联在三相输入电源上的滤波电感LFa、滤波电容LFb和滤波电容LFc。
需要说明的是，输入LC滤波器的作用在于：
一、用于滤除整流级电路和逆变级电路产生的脉冲电流的谐波，同时产生三相正弦输入电流；
二、滤波电容CF能够向逆变级电路的输入端提供合适的中性点，即逆变器的中点o和滤波电容CF中性点相连，构成了一种基于T型拓扑结构的三电平矩阵变换器；
三、当任何一个开关关断时，负载的漏感Lo和三次谐波注入电路的电感Ly储存的能量可以通过电容CF释放掉，即起到吸收作用，从而抑制了开关断开的电压浪涌。
表1为本发明的整流级电路及三次谐波注入电路的开关状态表。
表1
θ<sub>sa</sub> Sector S<sub>ay</sub> S<sub>by</sub> S<sub>cy</sub> S<sub>a+</sub> S<sub>a-</sub> S<sub>b+</sub> S<sub>b-</sub> S<sub>c+</sub> S<sub>c-</sub>
0-π/3 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1
π/3-2π/3 2 1 0 0 0 0 1 0 0 1
2π/3-π 3 0 0 1 0 1 1 0 0 0
π-4π/3 4 0 1 0 0 1 0 0 1 0
4π/3-5π/3 5 1 0 0 0 0 0 1 1 0
5π/3-2π 6 0 1 1 1 0 0 1 0 0
按三相输入电压瞬时值大小关系在时间上将输入电压分为6个扇区。由于三相输入电压的对称性，以扇区1为例，三相输入电压瞬时值大小关系为Usa>Usb>Usc，即输入电压Usa的相位时，为了保证电流通路的连续性以及避免输入侧短路，整流器上桥臂开关Sa+/Da+和下桥臂开关Sc-/Dc-一直开通，b相对应的双向开关Sby一直开通向b相注入三次谐波电流，其余开关关断。
整流级电路的开关通断根据扇区不同来控制，开关Sa+和Sc-开通时，由于b相没有电流流过，即ib等于0，因此，需要开关Sby导通，让iy对b相进行补偿，保证三相输入仍为三相对称的。
以扇区1为例，如图2所示，对三次谐波电流iy的控制过程为：
当第一上桥臂和第三下桥臂导通时，Upy＝Uab,Uyn＝Ubc；此时
通过控制开关Sy+和Sy-来生成需要的三次谐波电流iy，Sy+和Sy-不能同时导通。即需要iy增大时，则使得Uy＝Uab>0，即Sy+导通；当iy减小时，则使得Uy＝-Ubc<0，即Sy-导通。其他扇区控制方法一致。
电容CF为逆变级电路提供一个中性点，实现T型三电平结构，达到减小损耗和节省空间的目的。三电平指的是通过三个开关Sr+，Sr-和Sro可以使得一相桥臂r端输出正负零三种形式的电平。例如，当在扇区1时，如图3所示，Upo＝Uao，Uon＝-Uco，此时即可根据需要并通过控制三个开关输出所需的电压。当开关Sr+和Sro开通时，设开关Sr+的占空比为d，则开关Sro占空比为1-d，此时即可使得Uro>0；当开关Sr-和Sro开通时，当开关Sr-的占空比为d时，则开关Sro占空比为1-d，此时即可使得Uro<0；当需要Uro＝0时，即开关Sro开通，开关Sr+和Sr-关断。
本实施例在MATLAB/SIMULINK环境下建立仿真模型。电能传输以从整流级电路、三次谐波注入电路到逆变级电路为例，输入线电压的幅值为220V，频率为50Hz，开关频率20kHz，滤波电感LF为300uH，滤波电CF容为6.6uF，负载的漏感Lo为3mh，三次谐波注入电路的电感Ly为1.2mH，负载电阻RL为25ohm。
图4示出了本发明实施例的仿真波形，其中，图4(a)为6扇区运行时，三相输入电压Usa，Usb，Usc、三相输入电流ia，ib，ic和三次谐波注入电流iy的波形。
图4(b)为***在进入稳态后，三次谐波注入电路的直流输出电压upn，upo，uon和输出电压urs及输出电流ir的波形。直流输出电压upn为一连续的6脉波电压，具有输入线电压包络特性。从图4(b)中可以看出，输出的电压电流均为正弦电流，并且保持良好的持续稳定特性，具有更高的输出功率质量。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种T型结构的三电平有源三次谐波注入矩阵变换器，其特征在于，包括：整流级电路、三次谐波注入电路、逆变级电路以及输入LC滤波器；
所述整流级电路的输入端通过三个滤波电感与三相输入电源连接，输出端分别与直流电压母线的正、负极连接，用于将所述三相输入电源提供的三相交流输入电压输入的交流电整流为六脉冲直流电压，并提供给三次谐波注入电路和所述逆变级电路；
所述三次谐波注入电路的第一端分别与直流电压母线的正、负极连接，第二端通过滤波电感与所述三相输入电源连接，用于对所述直流电生成三次谐波并注入所述整流级电路；
所述逆变级电路的第一端与直流电压母线的正、负极连接，第二端与负载连接，用于将所述直流电转换为交流电；
输入LC滤波器，包括滤波电感和滤波电容，所述滤波电感与所述三相输入电源连接，所述输入LC滤波器用于滤波以及提供逆变级电路中逆变级的中性点；
其中，所述整流级电路包括
第一桥臂，包括第一上桥臂开关和第一下桥臂开关；
第二桥臂，包括第二上桥臂开关和第二下桥臂开关；
第三桥臂，包括第三上桥臂开关和第三下桥臂开关；
其中，所述第一上桥臂开关、第二上桥臂开关以及第三上桥臂开关的第一极与直流母线正极连接，第二极依次与所述第一下桥臂开关、第二下桥臂开关以及第三下桥臂开关的第一极相连于第一节点、第二节点和第三节点，所述第一下桥臂开关、第二下桥臂开关以及第三下桥臂开关的第二极与直流母线负极连接；
所述三次谐波注入电路包括：
第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关、第一电感和第四桥臂；
其中，所述第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关的第一极分别与三个滤波电感相连于所述第一节点、第二节点和第三节点，所述第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关的第二极与所述第一电感的一端相连于第四节点，所述第一电感的另一端与所述第四桥臂连接；
所述第四桥臂包括：
第一有源开关和第二有源开关，所述第一有源开关的第一极与所述直流母线正极连接，所述第二有源开关的第二极与所述直流母线负极连接，所述第一有源开关的第二极与第二有源开关的第一极相连；
所述逆变级电路包括：第五桥臂、第六桥臂、第七桥臂、以及第四双向开关、第五双向开关和第六双向开关；
其中，所述第五桥臂，包括第五上桥臂开关和第五下桥臂开关；
所述第六桥臂，包括第六上桥臂开关和第六下桥臂开关；
所述第七桥臂，包括第七上桥臂开关和第七下桥臂开关；
所述第五上桥臂开关、第六上桥臂开关、第七上桥臂开关的第一极与所述直流母线正极连接，第二极分别与所述第五下桥臂开关、第六下桥臂开关、第七下桥臂开关的第一极相连于第五节点、第六节点和第七节点；所述第五下桥臂开关、第六下桥臂开关和第七下桥臂开关的第二极与直流母线负极连接；
所述第四双向开关、第五双向开关和第六双向开关的第二极分别与负载的三个漏感相连于所述第五节点、第六节点和第七节点；
所述滤波电容包括：
第一滤波电容，第一极与直流母线负极连接；
第二滤波电容，第一极与所述第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关的第二极相连于所述第四节点；
第三滤波电容的第一极与直流母线正极连接；
所述第一滤波电容、第二滤波电容和第三滤波电容的第二极与所述第四双向开关、第五双向开关和第六双向开关的第一极相连于三电平电压型逆变器的中点。
2.如权利要求1所述的T型结构的三电平有源三次谐波注入矩阵变换器，其特征在于，所述滤波电感包括第一滤波电感、第二滤波电感和第三滤波电感，所述第一滤波电感、第二滤波电感和第三滤波电感分别串联在所述三相输入电源上。
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