[發明專利]適用于高功率密度場合的多電平矩陣變換器及其箝位電容電壓控制方法

有效

• 申請號: 201810698489.2
• 申請日: 2018-06-29
• 公開（公告）號: CN108768182B
• 公開（公告）日: 2019-11-19
• 發明（設計）人: 邱麟;黃曉艷;吳立建;方攸同
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02M5/293
• 分類號: H02M5/293
• 代理公司: 33224 杭州天勤知識產權代理有限公司
• 代理人: 王琛<國際申請>=<國際公布>=<進入國

本發明公開了一種適用于高功率密度場合的多電平矩陣變換器及其箝位電容電壓控制方法，能夠適用于對功率密度、可靠性要求高的直接交?交變換場合。該變換器拓撲結構能實現輸出多電平，單器件耐壓低于傳統兩電平拓撲，輸出端諧波可以有效降低，電壓階梯也會更??；不同級箝位電路電壓的比例分別為1:2:3:…N?1。與現有技術相比，本發明所有器件應力一致，每個雙向開關承擔最大耐壓一致，模塊性強，便于器件選型與維護，有效降低后期成本；此外，本發明使得電容可平衡區域增加，電容電壓可控范圍大大增大，在低調制區域(電壓利用率低)時能夠對電容進行完全控制，并且電容平衡計算復雜度降低。

技術領域

本發明屬于電力電子技術領域，具體涉及一種適用于高功率密度場合的多 電平矩陣變換器及其箝位電容電壓控制方法。

背景技術

為了提高能源的利用效率，實現低碳經濟，高電壓、大容量、高可靠性的 電力電子變換器在新能源發電、新能源汽車、高電壓等級電力系統、全電艦艇 驅動、電力機車牽引以及航空航天等領域被大量采用。新能源發電、電動汽車、 新型儲能裝置以及其它符合低碳經濟、可持續發展思路的方向逐漸成為研究的 熱點，高功率密度、高可靠性的新型電力電子變換器拓撲結構以及與其對應的 調制、控制策略作為包括電氣化鐵路、電動汽車等綠色交通領域與新能源領域 的關鍵性技術問題，其研究有著重要的意義。

關于傳統AC-DC-AC型拓撲的研究與開發已取得了長足的進展，多種較為 成熟的產品在市場上出現并占在整個變換器系統領域占主導地位，但是隨著工 業電氣自動化的不斷進步，以及節能和環保要求的不斷提高，該拓撲仍有許多 方面存在不足：

(1)AC-DC-AC型拓撲的變換器均含有大容量直流儲能環節，其巨大的體積 和重量減少了變換器的功率密度，造成了變換器在安裝、維護和使用過程中的 不便。當儲能器件選用大容量電解電容時，由于電解液特性不穩定，極易受受 環境因素(溫度、濕度)影響，電解電容的高故障率嚴重影響了變換器的使用壽命； 如選用薄膜電容作為儲能器件，則系統整體的成本則會大幅上升。

(2)在機車牽引、電梯等既需要頻繁在電動、制動過程間進行切換的工業應 用場合，一些AC-DC-AC型拓撲的變換器在制動過程中，由于缺少能量回饋的 通道，需要通過制動電阻來消耗能量，造成了能源的浪費，與低碳經濟理念不 符；更加嚴重的是，在化工廠、燃料廠等特殊工業應用場合，大功率的制動電 阻可能引起火災，是生產過程的重大安全隱患。

(3)一些AC-DC-AC型變換器拓撲的整流側使用二極管全橋，這不僅對電 網產生了大量的諧波污染，還使得輸入側功率因數難以控制，提高了無功功率 控制的難度。

考慮到上述問題，矩陣式變換器作為一種典型的無直流儲能環節的四象限、 高性能直接AC-AC變換器拓撲被推上了歷史舞臺，矩陣變換器共由9個雙向開 關構成，每個輸出相(U、V、W)均通過雙向開關直接與三相輸入(A、B、C)相連 接，輸入端為電壓源特性，輸出端為電流源特性；矩陣變換器具有高功率密度、 能量雙向流動、輸入側可實現單位功率因數等優點。

隨著現代化工業體系對功率等級、電壓等級的要求越來越高，電力電子器 件的發展速度難以滿足實際應用中對器件耐壓、功率等級的要求。采用器件串 并聯雖然可以直接實現高電壓大功率變換，但由于不能保證器件參數的一致性， 多個串并聯器件較難在同一時間開通或關斷，瞬態會存在器件的均壓、均流等 問題，大量器件串、并聯時系統可靠性較難滿足使用需求。除此之外，兩電平 變換器原有的電磁干擾、電壓變化率、輸出諧波以及共模電壓等問題會在高壓 應用場合下被大幅放大，進而嚴重影響系統性能。目前有很多學者研究器件串 聯的暫態過程，增加了輔助的主動均流、均壓電路，但尚無廣泛的工業化應用。