[发明专利]可输出交流电压和直流电压的双级式矩阵变换器拓扑结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种电能变换装置，特别涉及一种可输出交流电压和直流电压的双级式矩阵变换器拓扑结构。

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和附图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：在附图1中，负载电压幅值小于电源电压幅值的0.866倍，即附图1所示系统只能实现降压变换；在附图2中，电源电压幅值小于负载电压的0.866倍，即附图2所示系统只能实现升压变换。

在一些工业应用场合，如在分布式发电系统中，交流负载和直流负载同时存在。这要求电能变换装置既能产生交流负载电压，又能产生直流负载电压。此外，分布式电源的电压幅值波动范围一般较宽，这要求电能变换装置具有较宽的负载电压调节范围。针对这两方面问题，本发明基于双级式矩阵变换器，提出了一种既可输出交流电压又可输出直流电压的拓扑结构。在这种拓扑结构中，交流负载电压和直流负载电压可同时大于也可同时小于电源电压幅值，使得该拓扑结构具有较宽的调压范围。

发明内容

所要解决的技术问题：

本发明的目的在于提供一种可输出交流电压和直流电压且两种电压幅值均可大于又可小于电源电压幅值的基于双级式矩阵变换器拓扑结构。

技术方案：

为了实现以上功能，本发明提供了一种可输出交流电压和直流电压的双级式矩阵变换器拓扑结构，包括三相交流电源、电源侧滤波电感、电压型整流器VSC、电流型逆变器CSC、三相交流负载、交流负载侧LC滤波器、直流输出电路；三相交流电源通过电源侧滤波电感接到电压型整流器VSC的三相交流输入端，三相交流负载通过交流负载侧LC滤波器接到电流型逆变器CSC的三相交流输出端；其特征在于：所述直流输出电路连接在直流母线上，具体的，

所述直流输出电路包括第十三全控型器件V13、第十三二极管D13、直流负载R_LD、第七滤波电感L7、第四滤波电容C4；第十三全控型器件V13的集电极和第十三二极管D13的阳极接到电压型整流器VSC的直流母线正端P1，第十三全控型器件V13的发射极、第四滤波电容C4的一端、直流负载R_LD的负端接到电流型逆变器CSC直流母线正端P2，直流负载R_LD的正端与第七滤波电感L7的一端相连，第四滤波电容C4的另一端、第七滤波电感L7的另一端与第十三二极管D13的阴极相连。

进一步的，所述电压型整流器VSC包括第一到第六全控型器件V1、V2、V3、V4、V5、V6和第一到第六二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6；

第一全控型器件V1的发射极、第二全控型器件V2的集电极、第一二极管D1的阳极、第二极管D2的阴极相连并引出作为电压型整流器的U相交流输入端；第三全控型器件V3的发射极、第四全控型器件V4的集电极、第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极相连并引出作为电压型整流器的V相交流输入端；第五全控型器件V5的发射极、第六全控型器件V6的集电极、第五二极管D5的阳极、第六二极管D6的阴极相连并引出作为电压型整流器的W相交流输入端；

第一全控型器件V1的集电极、第一二极管D1的阴极、第三全控型器件V3的集电极、第三二极管D3的阴极、第五全控型器件V5的集电极、第五二极管D5的阴极相连并形成电压型整流器VSC的直流母线正端P1即第一条直流母线正端P1；