一種T型結構的三電平有源三次諧波注入矩陣變換器的製作方法
2023-06-03 01:29:46
本發明涉及電力變換
技術領域：
，更具體地，涉及基於t型結構的三電平有源三次諧波注入的矩陣變換器。
背景技術：
：隨著功率半導體器件和微控制器技術的快速發展，電力電子技術在過去的幾十年當中取得了突飛猛進的進步。電力電子技術主要研究如何利用電力電子裝置或系統實現對電能的高效利用、控制和轉換，以滿足能源領域節能降耗和新能源開發的重大需求，是電工
技術領域：
的前沿方向和研究熱點。無論是節能降耗還是新能源開發，都離不開電力電子技術的核心-功率變換器。在所有的功率變換器結構中，又以交-交功率變換器的應用最為廣泛。目前交-交功率變換器已被大量用於交流變頻驅動、新能源發電和不間斷電源等領域。矩陣變換器作為公共電網與交流負載的接口電路被廣泛應用於各種交-交電能變換場合。儘管矩陣變換器具有諸多優點，如無源前端變換器由於具有轉換效率高、emi幹擾小、低成本、結構簡單和可靠性高等優點，在變頻調速和可再生能源發電等領域被廣泛採用，但是大多數矩陣變換器仍存在能量單向流動、輸入電流質量差，功率密度和可靠性低等缺點。現有的三次諧波注入矩陣變換器採用雙電平設計，存在主開關器件的電壓過高，同時輸出電壓的諧波過大的問題。技術實現要素：本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的矩陣變換器。根據本發明的一個方面，提供一種t型結構的三電平有源三次諧波注入矩陣變換器，包括：整流級電路、三次諧波注入電路、逆變級電路以及輸入lc濾波器；所述整流級電路的輸入端與三相輸入電源連接，輸出端分別與直流電壓母線的正、負極連接，用於將所述三相交流電源提供的三相交流輸入電壓輸入的交流電整流為六脈衝直流電壓，並提供給三次諧波注入電路和所述逆變級電路；所述三次諧波注入電路的第一端分別與直流電壓母線的正、負極連接，第二端與所述三相交流電源連接，用於對所述直流電生成三次諧波並注入所述整流級電路；所述逆變級電路的第一端與直流電壓母線的正、負極連接，第二端與負載連接，用於將所述直流電轉換為交流電；輸入lc濾波器，包括濾波電感和濾波電容，所述濾波電感與所述三相交流電源連接，所述濾波電容的兩端分別與所述三次諧波注入電路的第二端和所述逆變級電路的第一端連接，所述輸入lc濾波器用於濾波以及提供逆變級電路中逆變級的中性點。優選地，所述整流級電路包括第一橋臂，包括第一上橋臂開關和第一下橋臂開關；第二橋臂，包括第二上橋臂開關和第二下橋臂開關；第三橋臂，包括第三上橋臂開關和第三下橋臂開關；其中，所述第一上橋臂開關、第二上橋臂開關以及第三上橋臂開關的第一極與直流母線正極連接，第二極依次與所述第一下橋臂開關、第二下橋臂開關以及第三下橋臂開關的第一極相連於第一節點、第二節點和第三節點，所述第一下橋臂開關、第二下橋臂開關以及第三下橋臂開關的第二極與直流母線負極連接。優選地，所述三次諧波注入電路包括：第一雙向開關、第二雙向開關、第三雙向開關、第一電感和第四橋臂；其中，所述第一雙向開關、第二雙向開關、第三雙向開關的第一極分別與三相輸入電源相連於所述第一節點、第二節點和第三節點，所述第一雙向開關、第二雙向開關、第三雙向開關的第二極與所述第一電感的一端相連於第四節點，所述第一電感的另一端與與所述第四橋臂連接。優選地，所述第四橋臂包括：第一有源開關和第二有源開關，所述第一有源開關的第一極與所述直流母線正極連接，所述第二有源開關的第二極與所述直流母線負極連接，所述第一有源開關的第二極與第二有源開關的第一極相連。優選地，所述逆變級電路包括：第五橋臂、第六橋臂、第七橋臂、以及第四雙向開關、第五雙向開關和第六雙向開關；其中，所述第五橋臂，包括第五上橋臂開關和第五下橋臂開關；所述第六橋臂，包括第六上橋臂開關和第六下橋臂開關；所述第七橋臂，包括第七上橋臂開關和第七下橋臂開關；所述第五上橋臂開關、第六上橋臂開關、第七上橋臂開關的第一極與所述直流母線正極連接，第二極分別與所述第五下橋臂開關、第六下橋臂開關、第七下橋臂開關的第一極相連於第五節點、第六節點和第七節點；所述第五下橋臂開關、第六下橋臂開關和第七下橋臂開關的第二極與直流母線負極連接；所述第四雙向開關、第五雙向開關和第六雙向開關的第二極分別與負載的三個漏感相連於所述第五節點、第六節點和第七節點。優選地，所述濾波電容包括：第一濾波電容，第一極與直流母線負極連接；第二濾波電容，第一級與所述第一雙向開關、第二雙向開關、第三雙向開關的第二極相連於所述第四節點；第三濾波電容的第一極與直流母線正極連接；所述第一濾波電容、第二濾波電容和第三濾波電容的第二極與所述第四雙向開關、第五雙向開關和第六雙向開關的第一級相連於三電平電壓型逆變器的中點。優選地，所述濾波電感包括分別串聯在所述三相輸入電源上的第一濾波電感、第二濾波電感和第三濾波電感。本申請提出一種t型結構的三電平有源三次諧波注入矩陣變換器，能夠實現功率雙向流動功能，降低網側的諧波電流，其中三電平有源三次諧波注入矩陣變換器以結構簡單且新穎的直接ac-ac能量轉換器為基礎，採用對稱的電路結構，整流級電路和逆變級電路可獨立控制，具有能量雙向傳輸、正弦輸入輸出電流、輸入功率因數可控等優良特性。本發明既使系統具有更好的控制性能，又為系統提供更高的輸出功率質量，改善輸出波形，具有共模水平更低及系統效率更高的優點。附圖說明圖1為根據本發明實施例矩陣變換器的結構示意圖；圖2為根據本發明實施例的三次諧波注入電流控制示意圖；圖3為根據本發明實施例的t型結構逆變器控制示意圖；圖4為根據本發明實施例的仿真波形示意圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。為了克服現有技術中存在的能量單向流動、輸入電流質量差，功率密度和可靠性低等缺點，以及雙電平有源三次諧波注入矩陣變換器存在的同時輸出電壓的諧波過大的問題。，矩陣變換器存在的一種t型結構的三電平有源三次諧波注入矩陣變換器，如圖1所示，包括：整流級電路、三次諧波注入電路、逆變級電路以及輸入lc濾波器；所述整流級電路的輸入端與三相輸入電源連接，輸出端分別與直流電壓母線的正、負極連接，用於將所述三相交流電源提供的三相交流輸入電壓輸入的交流電整流為六脈衝直流電壓，並提供給三次諧波注入電路和所述逆變級電路；所述三次諧波注入電路的第一端分別與直流電壓母線的正、負極連接，第二端與所述三相交流電源連接，用於對所述直流電產生三次諧波並注入所述整流級電路；所述逆變級電路的第一端與直流電壓母線的正、負極連接，第二端與負載連接，用於將所述直流電轉換為交流電；輸入lc濾波器，包括濾波電感和濾波電容，所述濾波電感與所述三相交流電源連接，所述濾波電容的兩端分別與所述三次諧波注入電路的第二端和所述逆變級電路的第一端連接，所述輸入lc濾波器用於提供逆變級電路中逆變級的中性點。需要說明的是，本發明逆變級電路為基於t型拓撲的三電平電壓型逆變器，相比於傳統的兩電平逆變器，不僅達到輸出三電平的目的，提高了輸出開關狀態，還減少了輸出電壓的諧波含量，從而進一步減少濾波器的體積。本申請能夠實現功率雙向流動功能，降低網側的諧波電流，其中三電平有源三次諧波注入矩陣變換器以結構簡單且新穎的直接ac-ac能量轉換器為基礎，採用對稱的電路結構，整流級電路和逆變級電路可獨立控制，具有能量雙向傳輸、正弦輸入輸出電流、輸入功率因數可控等優良特性。本發明既使系統具有更好的控制性能，如擴大輸入無功功率的控制範圍、不需要同步調製，又為系統提供更高的輸出功率質量，改善輸出波形，具有共模水平更低及系統效率更高的優點。具體地，整流級電路包括：第一橋臂，包括第一上橋臂開關sa+/da+和第一下橋臂開關sa-/da-；第二橋臂，包括第二上橋臂開關sb+/db+和第二下橋臂開關sb-/db-；第三橋臂，包括第三上橋臂開關sc+/dc+和第三下橋臂開關sc-/dc-；其中，上橋臂開關sa+/da+、sb+/db+和sc+/dc+的第一極與直流母線正極連接，第二極依次與下橋臂開關sa-/da-、sb-/db-和sc-/dc的第一極相連於節點a、b和c，下橋臂開關sa-/da-、sb-/db-和sc-/dc的第二極與直流母線負極連接。此處的控制方法就是根據電壓鎖相角所在的扇區來控制整流器的開關通斷。具體地，三次諧波注入電路包括：第一雙向開關say、第二雙向開關sby、第三雙向開關scy、第一電感ly和第四橋臂；其中，雙向開關say、sby和scy的第一極分別與三相輸入電源相連於第一節點a、第二節點b和第三節點c，雙向開關say、sby和scy的第二極與電感ly的一端相連於節點y，電感ly的另一端與第四橋臂連接；第四橋臂包括第一有源開關sy+/dy+和第二有源開關sy-/dy-，第一有源開關sy+/dy+的第一極與直流母線正極連接，第二有源開關sy-/dy-的第二極與直流母線負極連接，第一有源開關sy+/dy+的第二極與第二有源開關sy-/dy-的第一極相連。通過控制有源開關sy+/dy+和sy-/dy-，三次諧波注入電路的電流為準三次諧波，並注入到三相輸入中瞬間絕對值最小的那一相，另外兩相輸入電流自動滿足正弦對稱的條件，從而實現輸入輸出三相電流正弦可控，最終達到三相pfc的目的。由基爾霍夫定律可知，與輸入側剩餘一相相連的交流電感電流由輸入側另外兩相的線電流決定，即流過交流電感的電流幅值很小，只有輸入電流幅值的一半。同時，三次諧波注入電路的第一電感為交流電感，由於電感具有濾波作用，整流級輸入端的電流波形質量可以得到改善。具體地，逆變級電路包括：第五橋臂、第六橋臂、第七橋臂、以及第四雙向開關sro、第五雙向開關sso和第六雙向開關sto；第五橋臂，包括第五上橋臂開關sr+/dr+和第五下橋臂開關sr-/dr-；第六橋臂，包括第六上橋臂開關ss+/ds+和第六下橋臂開關ss-/ds-；第七橋臂，包括第七上橋臂開關st+/dt+和第七下橋臂開關st-/dt-；上橋臂開關sr+/dr+、ss+/ds+和st+/dt+的第一極與直流母線正極連接，第二極分別與下橋臂開關sr-/dr-、ss-/ds-和st-/dt-的第一極相連於第五節點r、第六節點s和第七節點t；下橋臂開關sr-/dr-、ss-/ds-和st-/dt-的第二極與直流母線負極連接。同一橋臂的開關不能同時導通，通過開關的交替導通，直流能量將轉換成交流能量輸出到負載電路。雙向開關sro、sso和sto的第二極分別與負載的三個漏感相連於節點r、s和t。io＝ir*dro+is*dso+it*dto其中，dro、dso和dto分別是雙向開關sro、sso和sto的佔空比。需要說明的是，本發明中的逆變級電路，是一種t型結構三電平電壓型逆變器，將雙級矩陣變換器的兩電平逆變器用中性點箝位型逆變器取代，即逆變器的中點o和濾波電容cf中性點相連，此時，中性點流入逆變器的電流io由三個雙向開關(sro，sso，sto)控制。具體地，輸入lc濾波器包括：濾波電容cf和濾波電感lf。逆變器的中點o和濾波電容cf中性點相連。濾波電容cf包括：第一濾波電容cfa，第一極與直流母線負極連接。第二濾波電容cfb，第一極與雙向開關say、sby和scy的第二極相連於節點y。第三濾波電容cfc的第一極與直流母線正極連接。濾波電容cfa、cfb和cfc的第二極與雙向開關sro、sso和sto的第一級相連於節點o。需要說明的是，圖1中可清楚地看到濾波電容cf包括左、中、右三個電容，其中左電容為第一濾波電容cfa、中電容為第二濾波電容cfb、右電容為第三濾波電容cfc，在圖中未具體示出。濾波電感lf包括：第一濾波電感lfa、第二濾波電容lfb和第三濾波電容lfc，分別串聯在三相輸入電源上的濾波電感lfa、濾波電容lfb和濾波電容lfc。需要說明的是，輸入lc濾波器的作用在於：一、用於濾除整流級電路和逆變級電路產生的脈衝電流的諧波，同時產生三相正弦輸入電流；二、濾波電容cf能夠向逆變級電路的輸入端提供合適的中性點，即逆變器的中點o和濾波電容cf中性點相連，構成了一種基於t型拓撲結構的三電平矩陣變換器；三、當任何一個開關關斷時，負載的漏感lo和三次諧波注入電路的電感ly儲存的能量可以通過電容cf釋放掉，即起到吸收作用，從而抑制了開關斷開的電壓浪湧。表1為本發明的整流級電路及三次諧波注入電路的開關狀態表。表1θsasectorsaysbyscysa+sa-sb+sb-sc+sc-0-π/31010100001π/3-2π/321000010012π/3-π3001011000π-4π/340100100104π/3-5π/351000001105π/3-2π6011100100按三相輸入電壓瞬時值大小關係在時間上將輸入電壓分為6個扇區。由於三相輸入電壓的對稱性，以扇區1為例，三相輸入電壓瞬時值大小關係為usa>usb>usc，即輸入電壓usa的相位時，為了保證電流通路的連續性以及避免輸入側短路，整流器上橋臂開關sa+/da+和下橋臂開關sc-/dc-一直開通，b相對應的雙向開關sby一直開通向b相注入三次諧波電流，其餘開關關斷。整流級電路的開關通斷根據扇區不同來控制，開關sa+和sc-開通時，由於b相沒有電流流過，即ib等於0，因此，需要開關sby導通，讓iy對b相進行補償，保證三相輸入仍為三相對稱的。以扇區1為例，如圖2所示，對三次諧波電流iy的控制過程為：當第一上橋臂和第三下橋臂導通時，upy＝uab,uyn＝ubc；此時通過控制開關sy+和sy-來生成需要的三次諧波電流iy，sy+和sy-不能同時導通。即需要iy增大時，則使得uy＝uab>0，即sy+導通；當iy減小時，則使得uy＝-ubc0；當開關sr-和sro開通時，當開關sr-的佔空比為d時，則開關sro佔空比為1-d，此時即可使得uro<0；當需要uro＝0時，即開關sro開通，開關sr+和sr-關斷。本實施例在matlab/simulink環境下建立仿真模型。電能傳輸以從整流級電路、三次諧波注入電路到逆變級電路為例，輸入線電壓的幅值為220v，頻率為50hz，開關頻率20khz，濾波電感lf為300uh，濾波電cf容為6.6uf，負載的漏感lo為3mh，三次諧波注入電路的電感ly為1.2mh，負載電阻rl為25ohm。圖4示出了本發明實施例的仿真波形，其中，圖4(a)為6扇區運行時，三相輸入電壓usa，usb，usc、三相輸入電流ia，ib，ic和三次諧波注入電流iy的波形。圖4(b)為系統在進入穩態後，三次諧波注入電路的直流輸出電壓upn，upo，uon和輸出電壓urs及輸出電流ir的波形。直流輸出電壓upn為一連續的6脈波電壓，具有輸入線電壓包絡特性。從圖4(b)中可以看出，輸出的電壓電流均為正弦電流，並且保持良好的持續穩定特性，具有更高的輸出功率質量。最後，本申請的方法僅為較佳的實施方案，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁12