一种变压器隔离型三模块AC-AC矩阵变换器及其调制方法与流程

本发明涉及电力电子功率变换器调制控制技术领域，尤其是一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器及其调制方法。

背景技术：

变换器是一种把某一幅值、频率交流电能转换成不同幅值、不同频率电能的拓扑装置。矩阵式变换器被称为“万能变换器”，理论上可直接实现输入输出相数相同或不同。其中输入三相电压输出三相电压的矩阵式变换器较为常用，一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器所用拓扑也被称为三相-三相矩阵式变换器，可直接实现某一幅值频率的三相输入到另一幅值频率三相输出的功能，理论上可以输出任意频率的波形。

传统的三相矩阵变换器的负载之间存在耦合关系，负载不能独立。在大电压输出场合下，开关管的端电压较高，威胁设备安全。且ac-ac矩阵式变换器开关数目多，且双向开关管采用背靠背连接的方式，因此大多数调制策略实现困难且换流策略复杂，导致输入三相电压输出三相电压的变换形式不易实现。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器及其调制方法，使得控制更加简单灵活，实现输入三相电压到输出三相电压的变换形式，减小矩阵变换器控制难度，降低开关管的开关频率，提高对负载的适应能力，便于能量双向流动。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器，其电路拓扑包括输入电源、输入滤波器、双向开关组、三相负载，所述输入电源采用三相电源，负载采用星型三相负载的连接形式，变压器为三相四绕组变压器，输入滤波器为三组三相l型滤波器，双向开关子模块为三相ac/单相ac矩阵变换电路；

输入电源为三相电网电压ua、ub、uc，三相电网电压ua、ub、uc采用星型连接形式三相电网电压ua、ub、uc与三相四绕组变压器原边相连接；

变压器为四绕组变压器由原边tp与副边tsa、tsb、tsc组成，原、副边均采用三角型连接，四绕组变压器的副边tsa、tsb、tsc分别与三组三相l型滤波器输入端相连接；

所述输入滤波器包括由电感la.a、lb.a、lc.a组成子模块a的三相滤波器，由电感la.b、lb.b、lc.b组成子模块b的三相滤波器，电由感la.c、lb.c、lc.c组成子模块c的三相滤波器；

副边tsa输出端分别与电感la.a、lb.a、lc.a相连接，副边tsb输出端分别与电感la.b、lb.b、lc.b相连接，副边tsc输出端分别与电感la.c、lb.c、lc.c相连接；

双向开关子模块采用三相ac/单相ac矩阵变换拓扑，子模块a是由背靠背连接的sap1.a和san4.a、背靠背连接的sap3.a和san6.a、背靠背连接的sap5.a和san2.a、背靠背连接的sap4.a和san1.a、背靠背连接的sap6.a和san3.a、背靠背连接的sap2.a和san5.a6对双向开关构成；子模块b是由背靠背连接的sap1.b和san4.b、背靠背连接的sap3.b和san6.b、背靠背连接的sap5.b和san2.b、背靠背连接的sap4.b和san1.b、背靠背连接的sap6.b和san3.b、背靠背连接的sap2.b和san5.b6对双向开关构成；子模块c是由背靠背连接的sap1.c和san4.c、背靠背连接的sap3.c和san6.c、背靠背连接的sap5.c和san2.c、背靠背连接的sap4.c和san1.c、背靠背连接的sap6.c和san3.c、背靠背连接的sap2.c和san5.c6对双向开关管构成；

单向开关管san4.a、sap4.a的漏极连接在一起、单向开关管san6.a、sap6.a的漏极连接在一起、单向开关管san2.a、sap2.a的漏极连接在一起，上述漏极连接点分别与子模块a的三相l型滤波器的输出端连接；单向开关管san4.b、sap4.b的漏极连接在一起、单向开关管san6.b、sap6.b的漏极连接在一起、单向开关管san2.b、sap2.b的漏极连接在一起，上述漏极连接点分别与子模块b三相l型滤波器的输出端连接；单向开关管san4.c、sap4.c的漏极连接在一起、单向开关管san6.c、sap6.c的漏极连接在一起、单向开关管san2.c、sap2.c的漏极连接在一起，上述漏极连接点分别与子模块c三相l型滤波器的输出端连接；

单向开关管san1.a、san3.a、san5.a、san1.b、san3.b、san5.b、san1.c、san3.c、san5.c漏极连接在一起作为中性线；单向开关管sap1.a、sap3.a、sap5.a漏极连接在一起、单向开关管sap1.b、sap3.b、sap5.b漏极连接在一起、单向开关管sap1.c、sap3.c、sap5.c漏极连接在一起，上述漏极连接点分别和星型连接的三相负载r1、r2、r3连接。

一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器的调制方法，通过svm调制方法获得6路基础调制信号，通过三组正弦信号和0比较获得3对电压极性选择信号，对6路基础调制信号和3对电压极性选择信号进行组合逻辑运算，得到各子模块开关管的驱动信号。

本发明技术方案的进一步改进在于：一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器的调制方法的步骤包括：步骤1，通过电压型6扇区划分的svm调制方法获得的svm1～svm6的6路开关管驱动信号，将此6路信号作为基础调制信号；

步骤2，将彼此有120°相位差的三路正弦信号分别与0做比较，得到有120°相位差的占空比为0.5的3对极性选择信号h、l；

步骤3，对基础调制信号svm1～svm6和极性选择信号h、l进行组合逻辑运算，最终获得18个双向开关管的驱动信号。

本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤1中参考输入三相电压相邻的两个自然换相点将输入三相电压空间划分为6个s型电压区域；在两相静止坐标系中，8个空间基本电压矢量将电压空间划分为6扇区，每个扇区中的电压矢量由该扇区两个基本有效矢量和零矢量合成；6扇区电压型svm调制通过扇区划分、扇区判断、矢量作用时间计算、矢量合成顺序选择最终得到6路svm信号。

本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤2中，将彼此有120°相位差的三路正弦信号分别与0做比较，正弦信号大于0时，正极性选择信号h为逻辑“1”，负极性选择信号l为逻辑“0”；正弦信号小于0时，正极性选择信号h为逻辑“0”，负极性选择信号为逻辑“1”，得到彼此有120°相位差的占空比为0.5的3对极性选择信号h、l。

本发明技术方案的进一步改进在于：将步骤2得到彼此有120°相位差的占空比为0.5的3对极性选择信号h、l与步骤1中得到6路svm信号组合逻辑运算，将6路svm信号分别和三个负极性选择信号l进行“或”组合逻辑运算分别得到各子模块正组驱动信号，包括sap1.a、sap3.a、sap5.a、sap4.a、sap6.a、sap2.a、sap1.b、sap3.b、sap5.b、sap4.b、sap6.b、sap2.b、sap1.c、sap3.c、sap5.c、sap4.c、sap6.c、sap2.c，将6路svm信号分别和三个正极性选择信号h进行“或”组合逻辑运算得到各子模块负组驱动信号，包括san4.a、san6.a、san2.a、san1.a、san3.a、san5.a、san4.b、san6.b、san2.b、san1.b、san3.b、san5.b、san4.c、san6.c、san2.c、san1.c、san3.c、san5.c。

本发明技术方案的进一步改进在于：通过极性选择逻辑运算，双向开关管逻辑分解为单向可控的开关管，各子模块每一组逻辑分解为输出正电压、输出负电压两组普通三相全桥电路。逻辑分解各子模块拓扑结构，得到由单向开关管sap1.a、sap3.a、sap5.a、sap4.a、sap6.a、sap2.a构成的a组正组三相全桥电路；得到由单向开关管sap1.b、sap3.b、sap5.b、sap4.b、sap6.b、sap2.b构成的b组正组三相全桥电路；得到由单向开关管sap1.c、sap3.c、sap5.c、sap4.c、sap6.c、sap2.c构成的c组正组三相全桥电路；得到由单向开关管san4.a、san6.a、san2.a、san1.a、san3.a、san5.a构成的a组负组三相全桥电路；得到由单向开关管san4.b、san6.b、san2.b、san1.b、san3.b、san5.b构成的b组负组三相全桥电路；得到由单向开关管san4.c、san6.c、san2.c、san1.c、san3.c、san5.c构成的c组负组三相全桥电路；每一组均含有输入电源为三相电网电压ua、ub、uc，四绕组变压器的三个副边，输入三相l型滤波器以及三相星型负载r1、r2、r3。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述的一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器各组的正组三相全桥电路工作时，负组三相全桥的开关管全部开通，3对互补信号中的正极性选择信号h为高电平，负极性选择信号l为低电平；一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器各组的负组三相全桥电路工作时，正组三相全桥的开关管全部开通，3对互补信号中的正极性选择信号h为低电平，负极性选择信号l为高电平。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明使变压器隔离型三模块组合式ac-ac矩阵变换器开关管的控制更加简单灵活，减小开关管的电压应力，适用大电压输出场合，便于实现输入三相电压到输出三相电压的变换形式，减小了矩阵变换器控制难度，降低了开关管的开关频率，提高了对负载的适应能力，实现高压大功率输出，便于能量双向流动。

变压器为四绕组变压器由原边tp与副边tsa、tsb、tsc组成，原、副边均采用三角型连接，变压器起到隔离和多重化减少谐波的作用。

一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器的各组的正组三相全桥电路工作时，负组三相全桥的开关管全部开通，即3对互补信号中的正极性选择信号h为高电平，负极性选择信号l为低电平；一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器各组的负组三相全桥电路工作时，正组三相全桥的开关管全部开通，即3对互补信号中的正极性选择信号h为低电平，负极性选择信号l为高电平。在6路svm信号、彼此有120°相位差的3路正极性选择信号h、彼此有120°相位差的3路负极性选择信号l的共同作用下，各组协同工作，从而一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器实现输入三相输出三相能量变换。

附图说明

图1为本发明一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器的电路拓扑图，分为a、b、c三组；

图2为本发明方法的系统控制原理框图；

图3为一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器电压型svm调制方法s分区图；

图4为一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器的电压型6扇区svm调制方法基本矢量和零矢量的分布图；

图5是一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器a、b、c三组的虚拟分解原理图；

图6是彼此120°相位差三对极性选择信号h、l的生成原理图；

图7是一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器电压型svm组合逻辑调制方法逻辑处理电路图；

图8是一种18双向开关型ac-ac矩阵式变换器电压型svm组合逻辑调制方法驱动信号原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1至图8所示，一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器，该拓扑由输入三相电源电源、四绕组变压器、输入滤波器、三相ac/单相ac矩阵变换电路子模块、三相星型负载依次连接构成。

输入电源为三相电网电压ua、ub、uc；变压器为四绕组变压器由原边tp与副边tsa、tsb、tsc组成；输入滤波器采用a、b、c三组三相l型滤波器；双向开关组由18对双向开关管组成；负载采用星型三相负载的连接形式。

三相电网电压ua、ub、uc采用星型连接形式，三相电网电压ua、ub、uc与三相四绕组变压器原边连接。

变压器为四绕组变压器由原边tp与副边tsa、tsb、tsc组成，原、副边均采用三角型连接，变压器起到隔离和多重化减少谐波的作用。四绕组变压器的副边tsa、tsb、tsc分别与三组三相l型滤波器输入端连接。

电感la.a、lb.a、lc.a组成子模块a的三相滤波器，电感la.b、lb.b、lc.b组成子模块b的三相滤波器，电感la.c、lb.c、lc.c组成子模块c的三相滤波器。

副边tsa输出端分别与电感la.a、lb.a、lc.a连接，副边tsb输出端分别与电感la.b、lb.b、lc.b连接，副边tsc输出端分别与电感la.c、lb.c、lc.c连接；

双向开关子模块采用三相ac/单相ac矩阵变换电路。子模块a是由背靠背连接的sap1.a和san4.a、背靠背连接的sap3.a和san6.a、背靠背连接的sap5.a和san2.a、背靠背连接的sap4.a和san1.a、背靠背连接的sap6.a和san3.a、背靠背连接的sap2.a和san5.a6对双向开关构成；子模块b是由背靠背连接的sap1.b和san4.b、背靠背连接的sap3.b和san6.b、背靠背连接的sap5.b和san2.b、背靠背连接的sap4.b和san1.b、背靠背连接的sap6.b和san3.b、背靠背连接的sap2.b和san5.b6对双向开关构成；子模块c是由背靠背连接的sap1.c和san4.c、背靠背连接的sap3.c和san6.c、背靠背连接的sap5.c和san2.c、背靠背连接的sap4.c和san1.c、背靠背连接的sap6.c和san3.c、背靠背连接的sap2.c和san5.c6对双向开关管构成。

单向开关管san4.a、sap4.a的漏极连接在一起、单向开关管san6.a、sap6.a的漏极连接在一起、单向开关管san2.a、sap2.a的漏极连接在一起分别与子模块a的三相l型滤波器的输出端连接；单向开关管san4.b、sap4.b的漏极连接在一起、单向开关管san6.b、sap6.b的漏极连接在一起、单向开关管san2.b、sap2.b的漏极连接在一起分别与子模块b三相l型滤波器的输出端连接；单向开关管san4.c、sap4.c的漏极连接在一起、单向开关管san6.c、sap6.c的漏极连接在一起、单向开关管san2.c、sap2.c的漏极连接在一起分别与子模块c三相l型滤波器的输出端连接。

单向开关管san1.a、san3.a、san5.a、san1.b、san3.b、san5.b、san1.c、san3.c、san5.c漏极连接在一起作为中性线；单向开关管sap1.a、sap3.a、sap5.a漏极连接在一起、单向开关管sap1.b、sap3.b、sap5.b漏极连接在一起、单向开关管sap1.c、sap3.c、sap5.c漏极连接在一起分别和星型连接的三相负载r1、r2、r3连接。

调制方法的控制原理如图2所示。图2中，第1部分为6扇区电压型svm调制得到的6路svm信号。6扇区电压型svm调制通过扇区的划分、扇区判断、矢量作用时间的选择、矢量合成顺序选择等来获得6扇区电压型svm调制信号，由彼此相差120°相位的三路正弦信号和0比较得到的3对极性选择信号h、l；第2部分为组合逻辑调制，取6路svm信号和l进行“或”组合逻辑运算，取6路svm信号和h进行“或”组合逻辑运算。第3部分为6路svm基础调制信号进行组合逻辑运算处理得到的各子模块开关管的驱动信号。

图3是参考电压信号每周期中的相邻两个自然换相点划分的6个电压s型空间区域，即6扇区电压矢量划分。

图4是两相静止坐标系中电压型6扇区、6个基本电压空间矢量、2个零矢量的分布图。每个扇区中的电压矢量由该区域的两个有效矢量和零矢量合成。

图5是一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器a、b、c三组的虚拟分解原理。根据极性选择逻辑运算，得到各子模块三相ac/单相ac矩阵式变换电路逻辑分解的电路拓扑，每一组由正组三相全桥电路和负组三相全桥电路构成，各组逻辑分解原理相同。

对于本发明所述的电压型svm组合逻辑调制方法，包含虚拟分解和组合逻辑运算两部分。其一，逻辑分解工作是针对电路特征和物理连接的分析，分解双向可控开关管为单向可控开关管，故子模块电路结构可逻辑分解多个三相全桥电路。其二，组合逻辑运算工作则侧重于逻辑变换和控制实现，其核心控制思路为：6扇区划分svm基础调制信号与3对正、负极性选择信号h、l进行组合逻辑运算，正组三相全桥工作时，正组三相全桥的可控单向开关管处于调制状态，负组三相全桥的可控单向开关管处于开通状态；负组三相全桥工作时，负组三相全桥的可控单向开关管处于调制状态，正组三相全桥的可控单向开关管处于开通状态。

图6是彼此有120°相位差3对极性选择信号h、l生成原理图，相位为0的正弦信号和0比较得到h1、l1；相位为-120°的正弦信号和0比较得到h2、l2；相位为120°的正弦信号和0比较得到h3、l3。当正弦信号大于0时，h＝“1”，l＝“0”；当正弦信号小于0时，h＝“0”，l＝“1”。因此可生成有3对正负极性选择信号h、l。

图7是一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器电压型svm组合逻辑调制方法逻辑处理电路图，6路svm信号分别与3个负极性选择信号l、3个正极性选择信号h进行图7的“或”组合逻辑运算处理，得到各子模块的驱动信号。l1、h1分别和6路svm信号进行“或”组合逻辑运算得到子模块a开关管的驱动信号；l2、h2分别和6路svm信号进行“或”组合逻辑运算得到子模块b开关管的驱动信号；l3、h3分别和6路svm信号进行“或”组合逻辑运算得到子模块c开关管的驱动信号。

以c组为例，图8是该组的驱动信号合成原理。svm1～svm6是6路svm信号，分别和正极性选择信号h1、负极性选择信号l1进行“与”逻辑运算。其他两组原理相同，仅仅极性选择信号不同。如图8所示，在一个极性选择周期中，t0～t1段单向开关管sap4.c、sap6.c、sap2.c关断，开关管sap1.c、sap3.c、sap5.c、san4.c、san6.c、san2.c、san1.c、san3.c、san5.c开通；t1～t2段单向开关管sap3.c、sap5.c、sap4.c关断，开关管sap1.c、sap6.c、sap2.c、san4.c、san6.c、san2.c、san1.c、san3.c、san5.c开通；t2～t3段单向开关管san4.c、san3.c、san5.c关断，开关管san6.c、san2.c、san1.c、sap1.c、sap3.c、sap5.c、sap4.c、sap6.c、sap2.c开通；t3～t4段单向开关管san1.c、san3.c、san5.c关断，开关管sap1.c、sap3.c、sap5.c、sap4.c、sap6.c、sap2.c、san4.c、san6.c、san2.c、开通；t4～t5段单向开关管san4.c、san6.c、san2.c关断，开关管san1.c、san3.c、san5.c、sap1.c、sap3.c、sap5.c、sap4.c、sap6.c开通；t5～t6段单向开关管san4.c、san6.c、san5.c关断，开关管sap1.c、sap3.c、sap5.c、sap4.c、sap6.c、sap2.c、san2.c、san1.c、san3.c开通；t6～t7段单向开关管san4.c、san3.c、san5.c关断，开关管san6.c、san2.c、san1.c、sap1.c、sap3.c、sap5.c、sap4.c、sap6.c、sap2.c开通；t7～t8段单向开关管sap3.c、sap5.c、sap4.c关断，开关管sap1.c、sap6.c、sap2.c、san4.c、san6.c、san2.c、san1.c、san3.c、san5.c开通；t8～t9段单向开关管sap1.c、sap3.c、sap5.c关断，开关管sap4.c、sap6.c、sap2.c、san4.c、san6.c、san2.c、san1.c、san3.c、san5.c开通。

一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器的各组的正组三相半桥电路工作时，负组三相全桥的开关管全部开通，即3对互补信号中的正极性选择信号h为高电平，负极性选择信号l为低电平；一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器各组的负组三相全桥电路工作时，正组三相全桥的开关管全部开通，即3对互补信号中的正极性选择信号h为低电平，负极性选择信号l为高电平。由于极性选择信号h、l存在相位差，各组的正、负三相全桥和另外其他两组的正、负三相全桥组可协同工作。在6路svm信号、彼此有120°相位差的3路h信号、彼此有120°相位差的3路l信号的共同作用下，一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器实现输入三相输出三相能量变换。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。