[發明專利]基于雙級矩陣變換器的交流起動/發電系統及其控制方法

無效

• 申請號: 201210067858.0
• 申請日: 2012-03-15
• 公開（公告）號: CN102611349A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 劉曉宇;周波;史明明;秦顯慧;魏佳丹
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02M7/797
• 分類號: H02M7/797
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 艾中蘭

技術領域

本發明涉及一種新型的基于雙級矩陣變換器(TSMC)的交流起動/發電系統及其控制方法，具體地說是將雙級矩陣變換器引入交流起動/發電系統中，并根據其特點，構建具有起動/發電雙功能的整個系統。

背景技術

近年來，隨著電機技術與現代電力電子技術的迅猛發展，集成起動/發電雙功能的系統廣泛引起了研究人員的關注。在民用方面，采用起動/發電系統的現代汽車，能夠節省空間和成本，提高汽車的動力性、經濟性和舒適性，同時降低城市環境污染，減少燃油消耗；在軍事方面，集成起動/發電系統可大大減小電源的體積和重量，進一步提高電源系統的可靠性，很大程度上提高了飛機、坦克等作戰裝置的性能和戰斗能力。起動/發電系統使發電機與起動機實現了統一，革除了傳統的起動機，減輕了系統重量，提高了可靠性。

在起動/發電系統中，功率變換器是一個很重要的組成部分。在目前已有的研究中，交流起動/發電系統大多采用交－直－交結構的功率變換器。但是交－直－交變換器由于中間直流環節需要儲能電容，存在難以克服的缺點：1）直流儲能電容使系統體積變大；2）直流儲能電容是系統可靠性最為薄弱的一個環節；3）用于變速恒頻發電時，直流儲能電容影響了系統輸出電壓對轉速變化的動態調節速度。另外一種應用廣泛的傳統交-交型變換器，盡管無需中間直流環節和直流儲能電容，可方便實現四象限運行，但其最高輸出頻率一般不超過電源頻率的1/3～1/2；此外由于采用相控整流，其功率因數較低，難以滿足現代起動/發電系統的要求。在這種情況下，矩陣式變換器（MC）以其優異的性能進入了研究人員的視線。

矩陣變換器的概念自1976年提出以來取得了很大的進展，其具有正弦輸入/輸出電流、輸入功率因數可控、能量雙向流動等優點，同時MC不含儲能電容、結構緊湊、體積重量小、穩定性好、使用壽命長，能夠在惡劣的自然環境下堅持工作，但目前MC大多停留在理論研究和實驗室樣機階段，主要是因為其自身存在一些缺限，在理論與工程實踐中難以克服。雙級矩陣變換器（TSMC）是基于矩陣變換器的概念發展而來的一種新型拓撲結構，它不僅繼承了傳統MC的所有優點，同時也克服了傳統MC的許多局限：1）換流方法簡單，降低了開關損耗，提高了可靠性；2）在一定約束條件下，可減少功率開關元件的數量（可減為15、12、9個），降低了系統成本與控制難度；3）可實現對整流級與逆變級的分別控制，控制策略更靈活、簡單；4）箝位電路結構簡單，省掉了兩組三相橋式整流器，僅需一個二極管與電容串聯即可實現箝位功能，進一步提高了可靠性。因此TSMC比MC更具發展潛力和應用前景。

發明內容

發明目的

本發明的目的是采用雙級矩陣變換器作為功率變換裝置，與交流同步電機組合構成新型的交流起動/發電系統，并針對雙級矩陣變換器的特點優化系統拓撲，同時采用簡單有效的控制方法，使整個系統簡單、高效、安全的實現起動/發電雙功能。

技術方案

本發明首先提供了一種基于雙級矩陣變換器的交流起動/發電系統，其整體拓撲結構包括起動/發電機和雙級矩陣變換器，其特征在于所述雙級矩陣變換器包括主功率電路、輸入濾波器、輸出濾波器和二極管整流橋式箝位保護電路，所述主功率電路由前級、二極管箝位電路和后級順次連接構成，發電時前級為整流級、后級為逆變級，起動時相反，輸入濾波器、二極管整流橋式箝位保護電路分別和前級相連，輸出濾波器和后級相連，輸入濾波器和輸出濾波器分別設置有一組可切換電容組，二極管整流橋式箝位保護電路設置有續流通道與能量泄放通道。

本發明還提供了上述交流起動/發電系統的控制方法，其特征在于：

當系統運行于起動狀態時，接入輸出濾波器的可切換電容組，斷開輸入濾波器的可切換電容組，此時輸出濾波器為π型結構，輸入濾波器僅有電感仍與系統相連；后級采用二級管不控整流，單向開關全部關斷，工作于整流狀態；前級采用成熟的逆變器控制策略，工作于逆變狀態；

當系統運行于發電狀態時，接入輸入濾波器的可切換電容組，斷開輸出濾波器的可切換電容組，此時輸入、輸出濾波器均為LC型濾波器；采用普遍的雙空間矢量控制策略，前級工作于整流狀態，后級工作于逆變狀態；

當系統運行于起動狀態時，正常情況下，二極管整流橋式箝位保護電路的二極管整流橋中輸入線電壓幅值最大相對應的兩個二極管導通形成續流通道，能量泄放通道關斷；當發生過壓時能量泄放通道導通。

與傳統雙級矩陣變換器不同，本發明為使系統安全、高效的實現起動與發電雙功能，在其輸入、輸出濾波器以及箝位保護電路的拓撲結構上均做出了改進。