[发明专利]二极管钳位型三电平高压矩阵变换器及其调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二极管钳位型三电平高压矩阵变换器及其调制方法，属于电力电子技术设备领域，适用于高压、大功率应用场合。

背景技术

在世界能源危机的背景下，政府主管部门已经把利用变频器的交流电机调速系统节能列为贯彻国家能源发展方针的重大措施。而传统PWM变频器输入端为三相不可控整流桥，中间需要直流储能的电解电容，有输入端功率因数低、谐波污染严重和能量不能回馈等缺点。近几年来，随着传统PWM变频器的快速普及，它对周边设备所造成的负面影响也日益暴露。因此，人们开始寻求开发环保节能的新型变频装置。而矩阵变换器就是这样一种绿色变频器。相对于传统PWM变频器，矩阵变换器省去了中间直流储能环节，功率因数可控，输入电流正弦(即可彻底消除谐波的危害，能够最大限度的减少电能传输中的线路损耗)，能量可以双向流动，当有再生发电时，矩阵变换器不需要制动电阻或特殊的变换器，可以将电能直接反馈到电网中，从而起到有效节能的作用。

目前，绝大部分矩阵变换器的相关研究主要围绕传统拓扑结构开展，由于器件的物理限制和拓扑结构自身的特点，传统矩阵变换器难以直接适用于中高压大功率应用场合。而我国在电力、冶金、石油、化工、煤炭、造纸等诸多领域广泛使用了高压大功率电机系统，出于节能、电能质量以及生产质量方面的考虑，我们对高压变频器产品存在巨大需求，矩阵变换器作为下一代变频产品的突出代表，有着诸多优越特性，自然不能在中高压应用领域缺席。

对于高压变频器而言，若采用传统的二电平逆变器拓扑结构，需要复杂的IGBT串联技术，而且存在以下几个问题：①因高频导致很高的和浪涌电压，有可能引起电机转子绕组绝缘击穿；②高频开关产生很高的器件电压应力和很大的开关损耗，使效率降低；③高频开关对附近的通信或其他电子设备产生宽频带的电磁干扰。多电平逆变器技术可克服上述缺点，因此多电平结构成为实现高电压大容量变频器的有效途径。从工业应用的角度来看，多电平逆变器主要有三种类型的拓扑结构：二极管箝位结构、H桥级联结构和悬浮电容结构。其中，二极管箝位结构和H桥级联结构被工业界使用最为广泛。而目前在矩阵变换器领域，适合高压场合的矩阵变换器拓扑主要有J.Change发明的多模矩阵变换器；S.Yong发明的电容钳位多电平矩阵变换器，但由于其含储能电容，和常规矩阵变换器的概念有着较大出入。其中，多模矩阵变换器是一种级联多电平矩阵变换器，它已经在风力发电和电机调速领域获得成功应用，日本安川电机公司也推出了基于该拓扑结构的中压矩阵变换器工业产品。但该拓扑需要大量的功率半导体器件和大量工频变压器，换流控制复杂，容错能力差。基于上述原因，本发明提出一种新的中高压矩阵变换器拓扑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种二极管钳位型三电平高压矩阵变换器及其调制方法，该二极管钳位型三电平高压矩阵变换器及其调制方法具有输出电压连续可调、输入输出电能质量性能优良、无需储能元件、可实现能量双向流动、结构紧凑、容错性强，成本相对较低等优点。

发明的技术解决方案如下：

一种二极管钳位型三电平高压矩阵变换器，包括三相三绕组变压器、高压整流器、三相二极管钳位型三电平逆变器和控制器；

三相三绕组变压器的每一相具有一套初级绕组和两套完全相同的次级绕组；高压整流器由两个相同的三相矩阵式双向整流器模块串联而成，并形成三个输出端子：P，O和N；该三个输出端子分别与三相二极管钳位型三电平逆变器的直流母线正极、中性点以及直流母线负极相连；

三相二极管钳位型三电平逆变器交流侧的三个输出端为二极管钳位型三电平高压矩阵变换器的输出端；

所述的高压整流器和三相二极管钳位型三电平逆变器均受控于控制器。

每个三相矩阵式双向整流器模块均由6个双向开关构成，每一个双向开关由两个IGBT共发射极反向串联而成，且每个双向开关共用同一路触发脉冲。