[發明專利]二極管鉗位型三電平高壓矩陣變換器及其調制方法

無效

• 申請號: 201210032208.2
• 申請日: 2012-02-14
• 公開（公告）號: CN102594160A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 孫堯;粟梅;李幸;王輝;楊建;彭濤;于晶榮
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H02M5/458
• 分類號: H02M5/458;H02P27/06;H02J3/38
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 黃美成

技術領域

本發明涉及一種二極管鉗位型三電平高壓矩陣變換器及其調制方法，屬于電力電子技術設備領域，適用于高壓、大功率應用場合。

背景技術

在世界能源危機的背景下，政府主管部門已經把利用變頻器的交流電機調速系統節能列為貫徹國家能源發展方針的重大措施。而傳統PWM變頻器輸入端為三相不可控整流橋，中間需要直流儲能的電解電容，有輸入端功率因數低、諧波污染嚴重和能量不能回饋等缺點。近幾年來，隨著傳統PWM變頻器的快速普及，它對周邊設備所造成的負面影響也日益暴露。因此，人們開始尋求開發環保節能的新型變頻裝置。而矩陣變換器就是這樣一種綠色變頻器。相對于傳統PWM變頻器，矩陣變換器省去了中間直流儲能環節，功率因數可控，輸入電流正弦(即可徹底消除諧波的危害，能夠最大限度的減少電能傳輸中的線路損耗)，能量可以雙向流動，當有再生發電時，矩陣變換器不需要制動電阻或特殊的變換器，可以將電能直接反饋到電網中，從而起到有效節能的作用。

目前，絕大部分矩陣變換器的相關研究主要圍繞傳統拓撲結構開展，由于器件的物理限制和拓撲結構自身的特點，傳統矩陣變換器難以直接適用于中高壓大功率應用場合。而我國在電力、冶金、石油、化工、煤炭、造紙等諸多領域廣泛使用了高壓大功率電機系統，出于節能、電能質量以及生產質量方面的考慮，我們對高壓變頻器產品存在巨大需求，矩陣變換器作為下一代變頻產品的突出代表，有著諸多優越特性，自然不能在中高壓應用領域缺席。

對于高壓變頻器而言，若采用傳統的二電平逆變器拓撲結構，需要復雜的IGBT串聯技術，而且存在以下幾個問題：①因高頻導致很高的和浪涌電壓，有可能引起電機轉子繞組絕緣擊穿；②高頻開關產生很高的器件電壓應力和很大的開關損耗，使效率降低；③高頻開關對附近的通信或其他電子設備產生寬頻帶的電磁干擾。多電平逆變器技術可克服上述缺點，因此多電平結構成為實現高電壓大容量變頻器的有效途徑。從工業應用的角度來看，多電平逆變器主要有三種類型的拓撲結構：二極管箝位結構、H橋級聯結構和懸浮電容結構。其中，二極管箝位結構和H橋級聯結構被工業界使用最為廣泛。而目前在矩陣變換器領域，適合高壓場合的矩陣變換器拓撲主要有J.Change發明的多模矩陣變換器；S.Yong發明的電容鉗位多電平矩陣變換器，但由于其含儲能電容，和常規矩陣變換器的概念有著較大出入。其中，多模矩陣變換器是一種級聯多電平矩陣變換器，它已經在風力發電和電機調速領域獲得成功應用，日本安川電機公司也推出了基于該拓撲結構的中壓矩陣變換器工業產品。但該拓撲需要大量的功率半導體器件和大量工頻變壓器，換流控制復雜，容錯能力差。基于上述原因，本發明提出一種新的中高壓矩陣變換器拓撲。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種二極管鉗位型三電平高壓矩陣變換器及其調制方法，該二極管鉗位型三電平高壓矩陣變換器及其調制方法具有輸出電壓連續可調、輸入輸出電能質量性能優良、無需儲能元件、可實現能量雙向流動、結構緊湊、容錯性強，成本相對較低等優點。

發明的技術解決方案如下：

一種二極管鉗位型三電平高壓矩陣變換器，包括三相三繞組變壓器、高壓整流器、三相二極管鉗位型三電平逆變器和控制器；

三相三繞組變壓器的每一相具有一套初級繞組和兩套完全相同的次級繞組；高壓整流器由兩個相同的三相矩陣式雙向整流器模塊串聯而成，并形成三個輸出端子：P，O和N；該三個輸出端子分別與三相二極管鉗位型三電平逆變器的直流母線正極、中性點以及直流母線負極相連；

三相二極管鉗位型三電平逆變器交流側的三個輸出端為二極管鉗位型三電平高壓矩陣變換器的輸出端；

所述的高壓整流器和三相二極管鉗位型三電平逆變器均受控于控制器。

每個三相矩陣式雙向整流器模塊均由6個雙向開關構成，每一個雙向開關由兩個IGBT共發射極反向串聯而成，且每個雙向開關共用同一路觸發脈沖。