可輸出交流電壓和直流電壓的雙級式矩陣變換器拓撲結構的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電能變換裝置，特別涉及一種可輸出交流電壓和直流電壓的雙級 式矩陣變換器拓撲結構。
【背景技術】
[0002] 矩陣式變換器是一種新型的AC-AC變換器，具有體積小、重量輕和工作壽命 長的特點，被當作目前大量應用的雙PWM變換器的替代拓撲之一，在國內外被廣泛研 宄。雙級式矩陣變換器是矩陣變換器的一種子類，包括電流型變換器（CurrentSource Converter,CSC)和電壓型變換器（VoltageSourceConverter,VSC)兩個部分，兩個部分通 過直流中間直流母線相連，但無直流儲能元件。相較于傳統矩陣變換器，雙級式矩陣變換器 具有箝位電路簡單、換流控制策略容易實現等優點，在一定條件下可減少開關數量，獲得了 研宄人員的廣泛關注。
[0003] 基于雙級式矩陣變換器的常規交流電能轉換系統主要有兩種結構，如附圖1和附 圖2所示。在附圖1中，三相交流電源通過LC濾波器接到CSC的三相交流輸入端，三相交 流負載通過濾波電感接到VSC的三相交流輸出端。在附圖2中，三相交流電源通過濾波電 感接到VSC的三相交流輸入端，三相交流負載通過LC濾波器接到CSC的三相交流輸出端。 雙級式矩陣變換器具有如下電壓傳輸關系：VSC的交流端電壓幅值小于CSC的交流端電壓 幅值的0.866倍。若忽略濾波電感壓降，則可得到如下結論：在附圖1中，負載電壓幅值小 于電源電壓幅值的〇. 866倍，即附圖1所示系統只能實現降壓變換；在附圖2中，電源電壓 幅值小于負載電壓的〇. 866倍，即附圖2所示系統只能實現升壓變換。
[0004] 在一些工業應用場合，如在分布式發電系統中，交流負載和直流負載同時存在。這 要求電能變換裝置既能產生交流負載電壓，又能產生直流負載電壓。此外，分布式電源的電 壓幅值波動范圍一般較寬，這要求電能變換裝置具有較寬的負載電壓調節范圍。針對這兩 方面問題，本發明基于雙級式矩陣變換器，提出了一種既可輸出交流電壓又可輸出直流電 壓的拓撲結構。在這種拓撲結構中，交流負載電壓和直流負載電壓可同時大于也可同時小 于電源電壓幅值，使得該拓撲結構具有較寬的調壓范圍。
【發明內容】
[0005] 所要解決的技術問題：
[0006] 本發明的目的在于提供一種可輸出交流電壓和直流電壓且兩種電壓幅值均可大 于又可小于電源電壓幅值的基于雙級式矩陣變換器拓撲結構。
[0007] 技術方案：
[0008] 為了實現以上功能，本發明提供了一種可輸出交流電壓和直流電壓的雙級式矩陣 變換器拓撲結構，包括三相交流電源、電源側濾波電感、電壓型整流器VSC、電流型逆變器 CSC、三相交流負載、交流負載側LC濾波器、直流輸出電路；三相交流電源通過電源側濾波 電感接到電壓型整流器VSC的三相交流輸入端，三相交流負載通過交流負載側LC濾波器接 到電流型逆變器CSC的三相交流輸出端；其特征在于：所述直流輸出電路連接在直流母線 上，具體的，
[0009] 所述直流輸出電路包括第十三全控型器件V13、第十三二極管D13、直流負載Rm、 第七濾波電感L7、第四濾波電容C4 ;第十三全控型器件V13的集電極和第十三二極管D13 的陽極接到電壓型整流器VSC的直流母線正端P1，第十三全控型器件V13的發射極、第四濾 波電容C4的一端、直流負載心的負端接到電流型逆變器CSC直流母線正端P2,直流負載 1^的正端與第七濾波電感L7的一端相連，第四濾波電容C4的另一端、第七濾波電感L7的 另一端與第十三二極管D13的陰極相連。
[0010] 進一步的，所述電壓型整流器VSC包括第一到第六全控型器件VI、V2、V3、V4、V5、 V6 和第一到第六二極管Dl、D2、D3、D4、D5、D6 ;
[0011] 第一全控型器件VI的發射極、第二全控型器件V2的集電極、第一二極管D1的陽 極、第二極管D2的陰極相連并引出作為電壓型整流器的U相交流輸入端；第三全控型器件 V3的發射極、第四全控型器件V4的集電極、第三二極管D3的陽極、第四二極管D4的陰極相 連并引出作為電壓型整流器的V相交流輸入端；第五全控型器件V5的發射極、第六全控型 器件V6的集電極、第五二極管D5的陽極、第六二極管D6的陰極相連并引出作為電壓型整 流器的W相交流輸入端；
[0012] 第一全控型器件VI的集電極、第一二極管D1的陰極、第三全控型器件V3的集電 極、第三二極管D3的陰極、第五全控型器件V5的集電極、第五二極管D5的陰極相連并形成 電壓型整流器VSC的直流母線正端P1即第一條直流母線正端P1 ;
[0013] 第二全控型器件V2的發射極、第二二極管D2的陽極、第四全控型器件V4的發射 極、第四二極管D4的陽極、第六全控型器件V6的發射極相連并形成直流母線負端N。
[0014] 進一步的，所述電流型逆變器CSC包括第七到第十二全控型器件V7、V8、V9、V10、 ￥11、￥12和第七到第十二二極管07、08、09、010、011、012;
[0015] 第七全控型器件V7的集電極和第七二極管D7的陰極相連，第七全控型器件V7的 發射極和第八二極管D8的陽極相連并引出作為A相交流輸出端，第八二極管D8的陰極和 第八全控型器件V8的集電極相連；
[0016] 第九全控型器件V9的集電極和第九二極管D9的陰極相連，第九全控型器件V9的 發射極和第十二極管D10的陽極相連并引出作為B相交流輸出端，第十二極管D10的陰極 和第十全控型器件V10的集電極相連；
[0017] 第十一全控型器件VII的集電極和第十一二極管D11的陰極相連，第十一全控型 器件VII的發射極和第十二二極管D12的陽極相連并引出作為C相交流輸出端，第十二二 極管D12的陰極和第十二全控型器件V12的集電極相連；
[0018] 第七二極管D7的陽極、第九二極管D9的陽極、第十一二極管D11的陽極相連并形 成電流型逆變器CSC直流母線正端P2即第二條直流母線正端P2,第六二極管D6的陽極、第 八全控型器件V8的發射極、第十全控型器件V10的發射極、第十二全控型器件V12的發射 極均接到直流母線負端N。
[0019] 更進一步的，所述三相交流電源包括U相交流電源Usu、V相交流電源Usv和W相交 流電源Usw;
[0020] 電源側濾波電感包括第一到第三濾波電感Ll、L2、L3,U相交流電源Usu、V相交流 電源usv、W相交流電源Usw的一端相連并形成電源中性點N1 ;U相交流電源Usu的另一端接 到第一濾波電感L1的一端，第一濾波電感L1的另一端接到電壓型整流器的U相交流輸入 端；V相交流電源Usv的另一端接到第二濾波電感L2的一端，第二濾波電感L2的另一端接 到電壓型整流器的V相交流輸入端；W相交流電源Usw的另一端接到第三濾波電感L3的一 端，第三濾波電感L3的另一端接到電壓型整流器的W相交流輸入端。
[0021] 更進一步的，所述三相交流負載包括A相交流負載RU、B相交流負載和C相交 流負載Ru交流負載側LC濾波器包括第四到第六濾波電感L4、L5、L6和第一到第三濾波電 容C1、C2、C3 ;
[0022] A相交流負載Ru、B相交流負載RwC相交流負載Rp第一濾波電容Cl、第二濾波 電容C2、第三濾波電容C3的一端相連并形成負載中性點N2,A相交流負載Ru的另一端接 到第四濾波電感L4的一端，第四濾波電感L4的另一端接到電流型逆變器的A相交流輸出 端，第一濾波電容C1的另一端接到電流型逆變器的