[发明专利]蓄电池充放电单相高频链矩阵变换器分离式矢量调制方法

摘要

一种单相高频链矩阵式变换器蓄电池充放电调制方法，其内容是：在进行蓄电池充电时，前级变换器的控制是首先采用SVPWM控制，进行空间矢量调制输出四路驱动波，经过检测变压器原边电流的正负后进行“与”逻辑的条件判断，形成八路驱动波分离去驱动八个可控开关管。变压器后级矩阵变换器中S_p全通，S_n全关，相当于不可控二极管进行整流，根据不同的开关状态，i_dc通过不同的不控二极管向负载和蓄电池进行充电，在进行放电时后级矩阵变换器S_p全关，S_n进行逆变时的传统调制，能量从蓄电池流向交流侧。本发明方法可以在任意时刻，通过控制开关管的通断来实现充电，进而实现能量的双向流动。

主权项

1.一种蓄电池充放电单相高频链矩阵变换器分离式矢量调制方法，该调制方法使用的单相高频链矩阵式变换器拓扑是由交流输入电压(Us)、LC输入滤波器、前级矩阵式变换器、高频变压器、后级矩阵式变换器、L型滤波器、负载电阻Rdc和蓄电池E依次连接构成；所述前级矩阵式变换器是由第一可控开关管(Sp1)、第二可控开关管(Sp2)、第三可控开关管(Sp3)、第四可控开关管(Sp4)、第五可控开关管(Sn1)、第六可控开关管(Sn2)、第七可控开关管(Sn3)和第八可控开关管(Sn4)组成；第一可控开关管(Sp1)的发射极与第五可控开关管(Sn1)的发射极连接，第六可控开关管(Sn2)的发射极与第二可控开关管(Sp2)的发射极相连，第一可控开关管(Sp1)的集电极与第六可控开关管(Sn2)的集电极连接于A节点，使第五可控开关管(Sn1)、第一可控开关管(Sp1)、第六可控开关管(Sn2)和第二可控开关管(Sp2)构成A相桥臂；第七可控开关管(Sn3)的发射极与第三可控开关管(Sp3)的发射极连接，第八可控开关管(Sn4)的发射极与第四可控开关管(Sp4)的发射极连接，第三可控开关管(Sp3)的集电极与第八可控开关管(Sn4)的集电极连接于B节点，使第七可控开关管(Sn3、)第三可控开关管(Sp3)、第八可控开关管(Sn4)和第四可控开关管(Sp4)构成B相桥臂；第五可控开关管(Sn1)的集电极与第七可控开关管(Sn3)的集电极相连接于C节点；第二可控开关管(Sp2)的集电极与第四可控开关管(Sp4)的集电极相连接于D节点；所述后级矩阵式变换器是由第九可控开关管(Snl1)、第十可控开关管(Snh1)、第十一可控开关管(Spl1)、第十二可控开关管(Sph1)、第十三可控开关管(Snh2)、第十四可控开关管(Snl2)、第十五可控开关管(Sph2)和第十六可控开关管(Spl2)组成；第九可控开关管(Snl1)的发射极与第十二可控开关管(Sph1)的发射极连接，第十三可控开关管(Snh2)的发射极与第十六可控开关管(Spl1)的发射极相连，第十二可控开关管(Sph1)的集电极与第十三可控开关管(Snh2)的集电极连接于a节点，使第九可控开关管(Snl1)、第十二可控开关管(Sph1)、第十三可控开关管(Snh2)和第十六可控开关管(Spl2)构成一相桥臂；第十可控开关管(Snh1)的发射极与第十一可控开关管(Spl1)的发射极连接，第十四可控开关管(Snl2)的发射极与第十五可控开关管(Sph2)的发射极连接，第十一可控开关管(Spl1)的集电极与第十四可控开关管(Snl2)的集电极连接于b节点，使第十可控开关管(Snh1)、第十一可控开关管(Spl1)、第十四可控开关管(Snl2)和第十五可控开关管(Sph2)构成一个桥臂；第九可控开关管(Snl1)的集电极与第十可控开关管(Snh1)的集电极相连接于c节点；第十六可控开关管(Spl2)的集电极与第十五可控开关管(Sph2)的集电极相连接于d节点；所述交流输入电压(Us)一端与所述LC输入滤波器的滤波电感(Lf)连接，所述滤波电容(Cf的)一端和所述矩阵式变换器的A节点连接，其另一端与所述矩阵式变换器的B节点和所述交流输入电压(Us)的另一端连接；所述前级矩阵式变换器的C节点与所述高频变压器原边的同名端连接，所述前级矩阵式变换器的D节点与所述高频变压器原边的异名端连接；所述高频变压器副边的同名端与所述后级矩阵式变换器的a节点相连，所述高频变压器副边的异名端与所述后级矩阵式变换器的b节点相连；所述后级矩阵式变换器的c节点与输出滤波电感(Ldc)的一端连接，输出滤波电感(Ldc)的另一端依次串联负载电阻(Rdc)和蓄电池(E)正极，所述后级矩阵式变换器的d节点与蓄电池(E)负极连接；这里用idc表示流过负载(Rdc)的电流；所述一种蓄电池充放电单相高频链矩阵变换器分离式矢量调制方法包括如下内容：充电时进行整流，后级矩阵式变换器的控制方式是第十二可控开关管(Sph1)、第十一可控开关管(Spl1、)第十六可控开关管(Spl2)和第十五可控开关管(Sph2)为全导通，第九可控开关管(Snl1)、第十可控开关管(Snh1)、第十三可控开关管(Snh2)和第十四可控开关管(Snl2)全关断，相当于后级矩阵式变换器为四个不控整流二极管——第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)；高频变压器前级矩阵式变换器中的第五可控开关管(Sn1)、第一可控开关管(Sp1)、第六可控开关管(Sn2)和第二可控开关管(Sp2)组成的桥臂和第七可控开关管(Sn3)、第三可控开关管(Sp3)、第八可控开关管(Sn4)和第四可控开关管(Sp4)组成的桥臂在SVPWM和逻辑合成的调制下交替导通，在经过五段式SVPWM后得到四个驱动信号S1、S2、S3、S4，根据高频变压器原边电流ip正负值的检测与四个驱动信号经过“与”逻辑合成，再得到八路驱动信号分别去驱动第一——第四可控开关管(Sp1～Sp4)和第五——第八可控开关管(Sn1～Sn4)；此时实现矩阵式可控开关管的分离式控制，在空间矢量调制的基础上根据高频变压器原边电流的正负判断再进行“与”逻辑后驱动八个可控开关管；(1)工作状态1[t0‑t1]，t0时刻，由于高频变压器存在漏感(Llk)的原因，高频变压器原边有一定值的反向电流ip，此时，触发第五可控开关管(Sn1)开通，关断第六可控开关管(Sn2)，电流的流通路径是由高频变压器流经第五可控开关管(Sn1)和第一可控开关管(Sp1)并联的二极管、第八可控开关管(Sn4)和第四可控开关管(Sp4)并联的二极管；此时，高频变压器原边电流ip和交流输入电压(Us)同时向输入侧滤波电容(Cf)充电，高频变压器原边电流ip在反向输入侧电压vi钳位下由反方向开始线性降低，直到为零，此时，ip小于输出直流电流idc，idc通过第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和第三二极管(D3)、第四二极管(D4)以及高频变压器副边这三条路径向负载电阻(Rdc)续流提供能量，实现自然换流，高频变压器副边电压被直通二极管钳位为零；(2)工作状态2[t1‑t2]，t1时刻ip降为零，续流结束，第一可控开关管(Sp1)和第四可控开关管(Sp4)导通，流通路径为第一可控开关管(Sp1)和第五可控开关管(Sn1)的并联二极管、第四可控开关管(Sp4)和第八可控开关管(Sn4)的并联二极管，交流输入电压(Us)和输入侧滤波电容(Cf)开始给后级高频变压器漏感(Llk)充电，ip正向线性上升，输出的直流电流idc经第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和第三二极管(D3)、第四二极管(D4)以及高频变压器副边三条路径向负载电阻(Rdc)以及蓄电池(E)进行充电；(3)工作状态3[t2‑t3]，t2时刻，前级矩阵式变换器中，第一可控开关管(Sp1)和第四可控开关管(Sp4)仍然导通，流通路径仍然为第一可控开关管(Sp1)和第五可控开关管(Sn1)的并联二极管、第四可控开关管(Sp4)和第八可控开关管(Sn4)的并联二极管；交流输入电压(Us)和输入侧滤波电容(Cf)开始通过前级矩阵式变换器、高频变压器以及第一二极管(D1)和第四二极管(D4)向负载电阻(Rdc)以及蓄电池(E)充电，ip线性上升；(4)工作状态4[t3‑t4]，前级矩阵变换器中，触发第二可控开关管(Sp2)开通，第四可控开关管(Sp4)关断，流通路径为第一可控开关管(Sp1)和第五可控开关管(Sn1)的并联二极管、第二可控开关管(Sp2)和第六可控开关管(Sn2)的并联二极管，A相桥臂直通，up被钳位为零，此时由于高频变压器漏感(Llk)的存在，高频变压器原边电流ip和idc向负载电阻(Rdc)以及蓄电池(E)提供能量，idc经第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和第三二极管(D3)、第四二极管(D4)以及高频变压器副边三条路径流通；(5)工作状态4[t4‑t5]，t4时刻变压器原边有一定值的正向电流ip，前级矩阵变换器中，触发第三可控开关管(Sp3)开通，第一可控开关管(Sp1)关断，电流的流通路径为第二可控开关管(Sp2)和第六可控开关管(Sn2)的并联二极管、第三可控开关管(Sp3)和第七可控开关管(Sn3)的并联二极管；此时，up被钳位为输入侧电压vab的负值，由于高频变压器漏感(Llk)的原因，ip和交流输入电压(Us)同时向输入侧滤波电容(Cf)充电，ip在反向输入侧电压vi钳位下由正方向开始线性降低，直到为零，idc经第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和第三二极管(D3)、第四二极管(D4)以及高频变压器副边三条路径向负载电阻(Rdc)续流提供能量，实现自然换流，高频变压器副边电压被直通的二极管钳位为零；(6)工作状态6[t5‑t6]，t5时刻ip降为零，续流结束，前级矩阵变换器中，第三可控开关管(Sp3)和第七可控开关管(Sn3)导通，电流的流通路径为第六可控开关管(Sn2)和第二可控开关管(Sp2)的并联二极管、第七可控开关管(Sn3)和第三可控开关管(Sp3)的并联二极管；交流输入电压(Us)和输入侧滤波电容(Cf)开始给高频变压器漏感充电传递能量，ip反向线性上升，idc经第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和第三二极管(D3)、第四二极管(D4)以及高频变压器副边三条路径向负载电阻(Rdc)及蓄电池(E)进行充电，高频变压器被直通的二极管钳位为零；(7)工作状态7[t6‑t7]，t6时刻，ip的值等于‑idc，ip线性下降，电压源和输入侧滤波电容(Cf)开始通过前级矩阵变换器、高频变压器以及第二二极管(D2)和第三二极管(D3)向直流滤波电感和负载电阻(Rdc)充电；(8)工作状态8[t7‑t8]，前级矩阵式变换器中，触发第五可控开关管(Sn1)开通，第七可控开关管(Sn3)关断，电流的流通路径为第五可控开关管(Sn1)和第一可控开关管(Sp1)的并联二极管、第流可控开关管(Sn2)和第二可控开关管(Sp2)的并联二极管；up被钳位为零，由于高频变压器漏感(Llk)存在，高频变压器原边电流ip和idc向负载电阻(Rdc)和蓄电池(E)提供能量，idc通过第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和第三二极管(D3)、第四二极管(D4)以及高频变压器副边三条路径流通，此时交流输入电压(Us)被直通二极管钳位为零；蓄电池(E)放电时进行逆变，后级矩阵变换器的控制方式为第十二可控开关管(Sph1)、第十一可控开关管(Spl1)、第十六可控开关管(Spl2)和第十五可控开关管(Sph2)全关断，第九可控开关管(Snl1)、第十可控开关管(Snh1)、第十三可控开关管(Snh2)和第十四可控开关管(Snl2)进行调制；前级矩阵变换器进行逆变时的传统调制方式，无需改变蓄电池极性，能量从蓄电池(E)流向交流侧。