[发明专利]交错并联型双级式矩阵变换器的拓扑结构及其控制方法

说明书

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。