专利名称：基于双级矩阵变换器的交流起动/发电系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及ー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，井根据其特点，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カ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，減少燃油消耗；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，进ー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，功率变换器是ー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一直一交结构的功率变换器。但是交一直一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。另外ー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ー些缺限，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ー种新型拓扑结构，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，可減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，仅需ー个ニ极管与电容串联即可实现箝位功能，进ー步提高了可靠性。因此TSMC比MC更具发展潜カ和应用前景。
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、输出滤波器和ニ极管整流桥式箝位保护电路，所述主功率电路由前级、ニ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、ニ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ー组可切換电容组，ニ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換电容组，断开输入滤波器的可切换电容组，此时输出滤波器为n型结构，输入滤波器仅有电感仍与系统相连；后级采用ニ 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，エ 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換电容组，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，ニ极管整流桥式箝位保护电路的ニ极管整流桥中输入线电压幅值最大相对应的两个ニ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。本发明的有益效果
I)本发明的交流起动/发电系统中双级矩阵变换器的输入、输出侧滤波器各设置ー组可切換电容组，系统起动运行时与发电运行时分别切换两个电容组，使滤波器配置同时满足系统不同エ况的要求。2)系统运行于起动状态时，ニ极管整流桥式箝位保护电路能够有效地提供续流通道和能量泄放通道，保证了系统运行的安全性和可靠性。3)系统具有体积小、重量轻、可靠性高、发电机利用率高、系统控制灵活等优点，具有重要的现实意义。
图I本发明基于双级矩阵变换器的交流起动/发电系统原理框图2本发明基于双级矩阵变换器的交流起动/发电系统拓扑结构；
图3本发明起动/发电系统起动运行时拓扑；
图4本发明起动/发电系统发电运行时拓扑。
具体实施例方式本发明公开ー种基于双级矩阵变换器的新型交流起动/发电系统，其系统原理框图如图I所示,原动机与起动/发电机I (采用电励磁或者混合励磁同步电机)相连构成起动/发电一体化机组，起动/发电机I经图2中所示的LC型输入滤波器3连接于双级矩阵变换器主功率电路2的前级，新型的ニ极管整流桥式箝位保护电路8与双级矩阵变换器主功率电路2的前级相连，双级矩阵变换器主功率电路2的后级与图2中所示的型输出滤波器4相连，起动/发电切换控制装置通过检测机组转速确定运行状态、控制系统控制器エ 况以及使系统连接于电源或负载，系统控制器根据不同策略直接控制双级矩阵变换器正常工作。具体的运行原理可以分为两部分系统起动运行时，起动/发电切换控制装置切換至起动运行状态，系统控制器控制双级矩阵变换器将输入交流电变换为变频交流电，控制起动/发电机工作于电动状态，带动发动机转子旋转到一定转速后，发动机开始喷油点火进入自行工作状态；当发动机进入自行工作状态后，起动/发电切换控制装置切换至发电运行状态，起动/发电机转入发电工作阶段，系统控制器控制双级矩阵变换器将发电机所发出的电能变换为恒压恒频交流电输出，供负载使用。上述系统中，双级矩阵变换器作为关键性技术其拓扑结构如图2所示，双级矩阵变换器包括主功率电路2、输入滤波器3、输出滤波器4和ニ极管整流桥式箝位保护电路8， 主功率电路由前级、ニ极管箝位电路5和后级顺次连接构成，前级为整流级，后级为逆变级，具体实现方法如下
I.主功率电路2拓扑为直流环节无储能元件的三相AC-DC-AC两级结构。其前级采用 6个双向开关构成，其中双向开关由两个带有反并联快恢复ニ极管的IGBT连接而成；后级采用6个单向开关构成，与普通逆变器的结构相同。为获得理想的输入电流和输出电压波形，系统中需加入滤波环节以滤除高频谐波。主功率电路2的前级连接有LC结构的输入滤波器3，其中电容采用继电器与电容相连构成的可切换电容组(图2中6)，可切换电容组 G与前级的三相桥臂直接相连；主功率电路2的后级连接有型输出滤波器4，其中与后级三相桥臂直接相连的ー组电容采用继电器与电容相连构成的可切换电容组G (图2中7)。当系统运行于起动状态时，接入电容组ら、断开电容组C；，如图3所示，后级作为整流级工作于整流状态，将电压源提供的电能经过ニ级管不控整流变换为直流电提供给前级，前级作为逆变级工作于逆变状态，将直流电逆变为频率变化的交流电驱动起动/发电机起动。此时输出滤波器为型结构，输入滤波器仅有电感仍与系统相连。因此TSMC的输入侧(后级)可看成是电压源性质，输出侧(前级)可认为属于电流源性质，TSMC的控制应满足输入侧不短路、输出侧不开路的原则，其中后级采用ニ级管不控整流，单向开关全部关断，前级可采用成熟的逆变器的控制策略，整个系统的起动控制策略简单、易实现。当系统发电运行时，接入电容组C；、断开电容组ら，如图4所示，前级作为整流级エ 作于整流状态，后级作为逆变级工作于逆变状态，将电机发出的电能变为恒压恒频交流电输出，此时输入与输出滤波器均为LC型滤波器。因此TSMC的输入侧(前级)为电压源性质， 输出侧(后级)为电流源性质，TSMC的控制仍应满足输入侧不短路、输出侧不开路的原则，可采用目前普遍应用的双空间矢量控制策略。2.当系统运行于发电状态时，后级相当于与电流源连接，由于后级采用普通逆变电路，存在ニ极管续流通道，因此仅需一个ニ极管与一个电容串联构成的ニ极管箝位电路即可实现箝位功能。但当系统运行于起动状态时，前级即双向开关这ー级相当于与电流源连接，由于双向开关自身不存在天然续流通道，如果负载电动机突然断路或双向开关换流失败，使得能量无法释放，很容易导致双向开关被击穿，因此需在双向开关侧増加一组新的箝位保护电路。本发明采用ニ极管整流桥式箝位保护电路，其结构如图2中8所示，由ニ极管整流桥、箝位电容、泄放电阻和ー个IGBT组成，其ニ级管整流桥三相输入端与前级三相桥臂直接相连，泄放电阻和IGBT串联后与ニ极管整流桥的输出端并联形成了能量泄放通道，箝位电容同时并联在ニ极管整流桥的输出端。正常情况下，ニ极管整流桥中输入线电压幅值最大相对应的两个ニ极管导通，形成续流通道，外部控制器控制IGBT关断，IGBT所在的能量泄放通道相应关断；当发生过压时外部控制器控制IGBT导通，IGBT所在的能量泄放通道相应导通，能量将消耗在IGBT的PN结和串联的泄放电阻上，由此可保障系统的安全可靠运行。
权利要求
1.一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、输出滤波器和ニ极管整流桥式箝位保护电路，所述主功率电路由前级、ニ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、ニ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ー组可切換电容组，ニ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。
2.根据权利要求I所述的基于双级矩阵变换器的交流起动/发电系统，其特征在于所述ニ极管整流桥式箝位保护电路由ニ极管整流桥、箝位电容、泄放电阻和ー个IGBT组成， 其ニ级管整流桥三相输入端与前级三相桥臂直接相连，泄放电阻和IGBT串联后与箝位电容并联在ニ极管整流桥的输出端。
3.根据权利要求I所述的基于双级矩阵变换器的交流起动/发电系统，其特征在于所述输入滤波器采用LC型结构，其可切換电容组与所述前级的三相桥臂直接相连，所述输出滤波器采用n型结构，其可切換电容组与所述后级的三相桥臂直接相连。
4.权利要求I所述基于双级矩阵变换器的交流起动/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換电容组，断开输入滤波器的可切换电容组，此时输出滤波器为n型结构，输入滤波器仅有电感仍与系统相连；后级采用ニ 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，エ 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換电容组，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，ニ极管整流桥式箝位保护电路的ニ极管整流桥中输入线电压幅值最大相对应的两个ニ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。
全文摘要
本发明公开了一种基于双级矩阵变换器的交流起动/发电系统及其控制方法，其中起动/发电机采用电励磁或者混合励磁同步电机，功率变换装置采用双级矩阵变换器。为使系统满足兼顾起动/发电双功能的要求，本发明针对双级矩阵变换器的特点，在输入、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，同时采用简单有效的控制方法保证了系统运行的安全性和稳定性，该新型系统结构紧凑、可靠性高、发电机利用率高、控制灵活，具有较高的应用价值。
文档编号H02M7/797GK102611349SQ201210067858
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月15日 优先权日2012年3月15日
发明者刘晓宇, 史明明, 周波, 秦显慧, 魏佳丹 申请人:南京航空航天大学