[发明专利]基于双级矩阵变换器的交流起动/发电系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的基于双级矩阵变换器(TSMC)的交流起动/发电系统及其控制方法，具体地说是将双级矩阵变换器引入交流起动/发电系统中，并根据其特点，构建具有起动/发电双功能的整个系统。

背景技术

近年来，随着电机技术与现代电力电子技术的迅猛发展，集成起动/发电双功能的系统广泛引起了研究人员的关注。在民用方面，采用起动/发电系统的现代汽车，能够节省空间和成本，提高汽车的动力性、经济性和舒适性，同时降低城市环境污染，减少燃油消耗；在军事方面，集成起动/发电系统可大大减小电源的体积和重量，进一步提高电源系统的可靠性，很大程度上提高了飞机、坦克等作战装置的性能和战斗能力。起动/发电系统使发电机与起动机实现了统一，革除了传统的起动机，减轻了系统重量，提高了可靠性。

在起动/发电系统中，功率变换器是一个很重要的组成部分。在目前已有的研究中，交流起动/发电系统大多采用交－直－交结构的功率变换器。但是交－直－交变换器由于中间直流环节需要储能电容，存在难以克服的缺点：1）直流储能电容使系统体积变大；2）直流储能电容是系统可靠性最为薄弱的一个环节；3）用于变速恒频发电时，直流储能电容影响了系统输出电压对转速变化的动态调节速度。另外一种应用广泛的传统交-交型变换器，尽管无需中间直流环节和直流储能电容，可方便实现四象限运行，但其最高输出频率一般不超过电源频率的1/3～1/2；此外由于采用相控整流，其功率因数较低，难以满足现代起动/发电系统的要求。在这种情况下，矩阵式变换器（MC）以其优异的性能进入了研究人员的视线。

矩阵变换器的概念自1976年提出以来取得了很大的进展，其具有正弦输入/输出电流、输入功率因数可控、能量双向流动等优点，同时MC不含储能电容、结构紧凑、体积重量小、稳定性好、使用寿命长，能够在恶劣的自然环境下坚持工作，但目前MC大多停留在理论研究和实验室样机阶段，主要是因为其自身存在一些缺限，在理论与工程实践中难以克服。双级矩阵变换器（TSMC）是基于矩阵变换器的概念发展而来的一种新型拓扑结构，它不仅继承了传统MC的所有优点，同时也克服了传统MC的许多局限：1）换流方法简单，降低了开关损耗，提高了可靠性；2）在一定约束条件下，可减少功率开关元件的数量（可减为15、12、9个），降低了系统成本与控制难度；3）可实现对整流级与逆变级的分别控制，控制策略更灵活、简单；4）箝位电路结构简单，省掉了两组三相桥式整流器，仅需一个二极管与电容串联即可实现箝位功能，进一步提高了可靠性。因此TSMC比MC更具发展潜力和应用前景。

发明内容

发明目的

本发明的目的是采用双级矩阵变换器作为功率变换装置，与交流同步电机组合构成新型的交流起动/发电系统，并针对双级矩阵变换器的特点优化系统拓扑，同时采用简单有效的控制方法，使整个系统简单、高效、安全的实现起动/发电双功能。

技术方案

本发明首先提供了一种基于双级矩阵变换器的交流起动/发电系统，其整体拓扑结构包括起动/发电机和双级矩阵变换器，其特征在于所述双级矩阵变换器包括主功率电路、输入滤波器、输出滤波器和二极管整流桥式箝位保护电路，所述主功率电路由前级、二极管箝位电路和后级顺次连接构成，发电时前级为整流级、后级为逆变级，起动时相反，输入滤波器、二极管整流桥式箝位保护电路分别和前级相连，输出滤波器和后级相连，输入滤波器和输出滤波器分别设置有一组可切换电容组，二极管整流桥式箝位保护电路设置有续流通道与能量泄放通道。

本发明还提供了上述交流起动/发电系统的控制方法，其特征在于：

当系统运行于起动状态时，接入输出滤波器的可切换电容组，断开输入滤波器的可切换电容组，此时输出滤波器为π型结构，输入滤波器仅有电感仍与系统相连；后级采用二级管不控整流，单向开关全部关断，工作于整流状态；前级采用成熟的逆变器控制策略，工作于逆变状态；

当系统运行于发电状态时，接入输入滤波器的可切换电容组，断开输出滤波器的可切换电容组，此时输入、输出滤波器均为LC型滤波器；采用普遍的双空间矢量控制策略，前级工作于整流状态，后级工作于逆变状态；

当系统运行于起动状态时，正常情况下，二极管整流桥式箝位保护电路的二极管整流桥中输入线电压幅值最大相对应的两个二极管导通形成续流通道，能量泄放通道关断；当发生过压时能量泄放通道导通。

与传统双级矩阵变换器不同，本发明为使系统安全、高效的实现起动与发电双功能，在其输入、输出滤波器以及箝位保护电路的拓扑结构上均做出了改进。