一种具有直流输出功能的间接式矩阵变换器及其控制方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种间接式矩阵变换器，特别是一种具有直流输出功能的间接式矩阵变换器及其控制方法。

背景技术：

矩阵变换器(mc)摒弃储能电容，具有结构紧凑、能量双向流动、使用寿命长等优点，特别适用于一些工作环境恶劣的场合，例如航空和军用领域等。mc可以分为两类：直接式矩阵变换器(dmc)和间接式矩阵变换器(imc)。imc是基于dmc的概念发展而来的一种新型拓扑。相比dmc，imc有钳位电路简单、换流安全可靠等优点。因此，imc近年来获得学者的广泛关注，具有良好的应用前景。

在飞机供电系统、分布式发电系统等场合，同时存在着大量的交流负载和直流负载。考虑到间接式矩阵变换器只能输出交流电压，因此若将间接式矩阵变换器应用于这些场合，则还需额外的单级式或两级式ac/dc变换器给直流负载供电，供电示意图如图2所示。这会导致供电系统控制复杂化以及系统体积与重量的增加。因此，若能提出一种具有直流输出功能的imc，就可以实现交/直流集中供电，有利于供电系统的控制和管理以及供电系统结构的简化。综上所述，研究一种具有直流输出功能的imc拓扑结构，并辅以合理的控制策略，具有重要的研究意义和应用价值。

目前，专利《具有直流励磁调节和电压频率变换的双级式矩阵变换器》(申请号：200910030725.4申请日：2009-04-10)提出一种具有直流励磁调节和电压频率变换器的双级式矩阵变换器。该专利应用场合为交流电机励磁，且未考虑直流变换器与双级式矩阵变换器之间的协调控制。专利《一种具有直流稳压输出功能的双级式三相四桥臂矩阵变换器》(申请号：201210023900.9申请日：2012-02-03)则提出一种具有直流稳压输出功能的双级式三相四桥臂矩阵变换器，所提电路拓扑实现了间接式矩阵变换器交流电压和直流电压一体化输出。但该专利存在两处不足：

1.交流侧与直流侧虽在输出上是独立的，但双管正激电路与双级式三相四桥臂矩阵变换器共用一个桥臂，因此交流侧与直流侧在控制上是耦合的，这增加了电路控制的难度；

2.该专利没有针对所提电路提出具体、详细的控制策略。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种具有直流输出功能的间接式矩阵变换器及其控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种具有直流输出功能的间接式矩阵变换器，包含依次相连的三相输入滤波电路、整流级电路、双管正激电路、逆变级电路和三相输出滤波电路；

所述双管正激电路包含第一至第四二极管、第一至第二igbt、电容、电感和变压器；

所述第一二极管的阴极分别和整流级电路的正极输出端、逆变级电路的正极输入端、第一igbt的集电极相连，阳极分别和第二igbt的集电极、变压器原边的一端相连；

所述第一igbt的发射极分别和变压器原边的另一端、第二二极管的阴极相连；

所述第二二极管的阳极分别和整流级电路的负极输出端、逆变级电路的负极输入端、第二igbt的发射极相连；

所述变压器副边的一端和所述第三二极管的阳极相连，另一端分别和所述第四二极管的阳极、电容的一端相连；

所述第三二极管的阴极分别和第四二极管的阴极、电感的一端相连；

所述电感的另一端和所述电容的另一端相连，且所述电容的两端用于输出直流。

本发明还公开了一种基于该具有直流输出功能的间接式矩阵变换器的控制方法，每个调制周期内第一igbt和第二igbt开通与关断的时刻由以下步骤得到：

第一步：计算当前调制周期内间接式矩阵变换器整流级电路中各个电流矢量的占空比：

式中，σ1和σ2是有效电流矢量的占空比，σ0是零矢量占空比，α是输入电流矢量的相角，mc为整流级电路的调制系数；

第二步：占空比为σ1的电流矢量作用时，第一igbt和第二igbt在tp1时刻开通，并在tn1时刻关断，tp1与tn1如下式所示：

式中d是当前调制周期第一igbt和第二igbt的占空比；

第三步：占空比为σ2的电流矢量作用时，第一igbt和第二igbt在tp2时刻开通，并在tn2时刻关断，tp2与tn2如下式所示：

作为本发明一种具有直流输出功能的间接式矩阵变换器的控制方法进一步的优化方案，所述双管正激电路的输出电压uo和d之间满足如下的关系：

式中，n1和n2分别为变压器原边与副边的匝数，是输入功率因数，vim是输入相电压幅值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.所提拓扑结构继承了间接式矩阵变换器摒弃储能元件、正弦的输入输出、电路结构紧凑等优点。

2.双管正激电路采取合理可行的控制方法，可确保间接式矩阵变换器整流级依然能实现零电流开关。

3.实现了imc交/直流一体化输出，且交流输出侧与直流输出侧在电路结构和控制方法上完全独立，互不影响。

4.直流输出电压稳定，且可通过调整双管正激电路占空比简单、方便地调节直流输出电压的幅值。

附图说明

图1是本发明中具有直流输出功能的间接式矩阵变换器的结构示意图；

图2是现有技术的供电示意图；

图3(a)、图3(b)分别是本发明中电流矢量、电压矢量的分布图；

图4是本发明中整流级电路与逆变级电路协调控制示意图；

图5是本发明中整流级电路与双管正激电路协调控制示意图；

图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)分别是仿真结果中三相输入电流、三相输出电压、直流母线电压和直流输出电压分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种具有直流输出功能的间接式矩阵变换器，包含依次相连的三相输入滤波电路、整流级电路、双管正激电路、逆变级电路和三相输出滤波电路；

所述双管正激电路包含第一至第四二极管、第一至第二igbt、电容、电感和变压器；

所述第一二极管的阴极分别和整流级电路的正极输出端、逆变级电路的正极输入端、第一igbt的集电极相连，阳极分别和第二igbt的集电极、变压器原边的一端相连；

所述第一igbt的发射极分别和变压器原边的另一端、第二二极管的阴极相连；

所述第二二极管的阳极分别和整流级电路的负极输出端、逆变级电路的负极输入端、第二igbt的发射极相连；

所述变压器副边的一端和所述第三二极管的阳极相连，另一端分别和所述第四二极管的阳极、电容的一端相连；

所述第三二极管的阴极分别和第四二极管的阴极、电感的一端相连；

所述电感的另一端和所述电容的另一端相连，且所述电容的两端用于输出直流。

图1中，sgp即第一igbt，sgn为第二igbt。

间接式矩阵变换器采取常规的空间矢量调制算法，双管正激电路的控制则与间接式矩阵变换器整流级的控制策略合理配合，以获得稳定的直流输出电压。

间接式矩阵变换器采用空间矢量调制策略，定义三相输入电压如下：

式中vim是输入相电压幅值，ωi为输入电压角频率。输入线电压与输入相电压满足的关系如下：

式中vline是不同输入相电压所对应的输入线电压。

空间矢量的分布如图3所示。图3(a)是电流矢量分布图，图3(b)是电压矢量分布图。根据矢量合成定理，对于输入电流矢量iref，各个电流矢量的占空比如下：

式中σ1和σ2是有效电流矢量的占空比，σ0是零矢量占空比，α是输入电流矢量的相角，mc为整流级电路的调制系数。

根据有效矢量所对应的输入线电压，就可以确定一个调制周期内的直流母线upn：

upn＝σ1vline1+σ2vline2

根据矩阵变换器的原理可得：

式中是输入功率因数，被设定为1。上式表面upn在任意一个调制周期内都是一个恒定的值。

对于输出电压矢量uref，各个矢量的占空比如下：

式中δ1和δ2是有效电压矢量的占空比，δ0是零矢量占空比，β是输出电压矢量的相角，mv为逆变级调制系数。图4给出了imc整流级与逆变级之间协调控制示意图。

为了获得稳定的直流电压，双管正激电路的控制需与imc整流级的控制过程紧密配合。图5是协调控制示意图，d是双管正电路sgp和sgn的占空比。为了确保变压器t有效磁复位，d应小于0.5。整流级第一个有效矢量工作时，sgp与sgn在tp1时刻开通，并在tn1时刻关断。tp1与tn1如下式所示：

整流级第二个有效矢量工作时，sgp与sgn在tp2时刻开通，并在tn2时刻关断。tp2与tn2如下式所示：

双管正激输出电压与直流母线的关系为：

式中uo为直流输出电压，n1和n2分别为变压器t原边与副边匝数。将式(5)带入式(9)中就可以得到uo在一个调制周期内的平均值：

式中等于1。上式表明，uo是一个恒定的值。此外，当输入电压幅值与整流级电路的调制系数给定后，uo线性正比于d。因此，可通过改变d的值方便、快捷地调节uo。

仿真结果如图6所示。图6(a)表明三相输入电流正弦对称，thd含量为1.35％，谐波含量少。图6(b)是三相输出电压，由图可知交流侧输出电压正弦，波形质量好。图6(c)是直流母线电压波形，图6(d)是双管正激电路输出侧电压波形uo。由图6(d)可知，uo平稳，波动小。以上仿真结果证明所提拓扑及控制方法能够实现imc交直流电压一体化输出。此外，采用本发明所提控制方法可在双管正激电路输出侧获得稳定的直流电压。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。