具有升压能力的交直流多端口三电平变换器及其调制方法
文献发布时间：2023-06-19 16:04:54
技术领域
本发明涉及电力电子变换装置技术领域，具体地说，是一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器及其调制方法。
背景技术
近年来关于多端口变换器的研究日益广泛，在只有直流电源供电的情况下，需要利用多端口变换器实现同时供给交流负载和直流负载，九开关变换器虽然能够实现这样的功能，但是它只能输出两电平交流。为解决多端口两电平变换器应用于高压大容量场合的输出电流波形质量差和逆变运行时输出的交流电压低的问题，本发明提出了一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器及其调制方法，降低了对直流电源电压幅值的要求，可以通过升压单元来调整交流输出电压幅值的大小，提高了交直流多端口三电平变换器的性能，同时也扩展了其应用场合。迄今未见有关具有升压能力的交直流多端口三电平变换器及其调制方法的文献报道和实际应用。
发明内容
本发明的目的是：为解决多端口两电平变换器应用于高压大容量场合的输出电流波形质量差和逆变运行时输出的交流电压低的问题，改善供电质量，提出一种体积小、成本低、结构合理的具有升压能力的交直流多端口三电平变换器；并提供科学合理、适用性强、效果佳的调制方法。
实现本发明目的之一采用的技术方案是，一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器，其特征在于：它包括直流输入侧的2个电容C
所述每相桥臂的绝缘栅双极晶体管S
所述直流输入侧的2个电容C
所述绝缘栅双极晶体管S
所述直流升压单元的3个二极管D
所述三相阻感负载Z
所述低通滤波器的电容C
实现本发明目的之二采用的技术方案是，一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器的调制方法，其特征在于，它包括以下内容：
1)设置具有升压能力的交直流多端口三电平变换器的工作模式
①模式1为直流升压单元有效工作状态
当直流升压单元与绝缘栅双极晶体管S
②模式2为交流输出有效工作状态
根据交流输出端x
③模式3为直流输出有效工作状态
根据直流输出端口电压为U
2)交流输出和直流输出采用分时调制
所述具有升压能力的交直流多端口三电平变换器，交流输出采用三电平空间矢量调制策略，直流输出采用直流斩波，在一个开关周期内对两种输出分时段调制，定义k为时间分配因子，将一个开关周期分为前1-k周期和后k周期；
①在开关周期的前1-k周期内，保持3个直流输出端口的电压v
交流输出的调制采用三电平空间矢量策略，每个交流输出端的连接情况有3种，三相交流输出端共有27种连接情况，定义为27个空间矢量，将空间矢量图分成6个大扇区，每个大扇区再分成4个小扇区，假设三相输出参考相电压合成的参考电压矢量为V
公式中的V
②在开关周期的后k周期内，保持三相交流输出端x
设直流输出参考电压为V
T
③交流输出电压矢量的作用时间分配采用7段式方法，即将合成交流输出参考电压矢量的3个作用时间分成7段，然后将7段作用时间呈中心对称分布，每一段作用时间与电压矢量一一对应；直流输出作用时间分配采用两段式；最后根据交流输出和直流输出的对应工作状态确定15个绝缘栅双极晶体管的开关状态，输出电压幅值、频率均可控的三相交流电和3个幅值均可调的直流电。
本发明的一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器的体积小、成本低、结构合理；其调制方法能够将直流电源升压后再进行逆变，得到一组频率、幅值皆可调的三相三电平交流电，逆变环节具有升压能力，同时还能将直流电源变换为3组幅值灵活可控的直流电，降低了对直流电源电压幅值的要求，其调制方法科学合理，适用性强、效果佳，输出电压谐波含量小，提高了交直流多端口三电平变换器的应用性能调。
附图说明
图1为本发明的一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器的电路原理图；
图2为模式1的工作状态1的原理图；
图3为模式1的工作状态2的原理图；
图4为模式1的工作状态3的原理图；
图5为模式1的工作状态4的原理图；
图6为模式1的工作状态5的原理图；
图7为模式1的工作状态6的原理图；
图8为模式1的工作状态7的原理图；
图9为模式1的工作状态8的原理图；
图10为模式2的工作状态1的原理图；
图11为模式2的工作状态2的原理图；
图12为模式2的工作状态3的原理图；
图13为模式3的工作状态1的原理图；
图14为模式3的工作状态2的原理图；
图15为三电平空间矢量图；
图16为参考电压矢量V
图17为矢量作用时间分配图；
图18为直流输入侧电容C
图19为直流输入侧电容C
图20为交流输出端输出的三相电流波形图；
图21为U相直流输出端口电压v
图22为V相直流输出端口电压v
图23为W相直流输出端口电压v
图24为交流输出端输出负载线电压v
图25为交流输出端输出负载线电压v
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器包括：直流输入侧的2个电容C
1)设置具有升压能力的交直流多端口三电平变换器的工作模式3种工作模式，模式1为直流升压单元有效工作状态，模式2为交流输出有效工作状态，模式3为直流输出有效工作状态。下面对3种工作模式进行具体说明。
①模式1：直流升压单元有效工作状态
具有升压能力的交直流多端口三电平变换器工作于模式1，当直流升压单元与绝缘栅双极晶体管S
模式1的工作状态1：U、V、W相的绝缘栅双极晶体管S
模式1的工作状态2：U、V相的绝缘栅双极晶体管S
模式1的工作状态3：U、W相的绝缘栅双极晶体管S
模式1的工作状态4：V、W相的绝缘栅双极晶体管S
模式1的工作状态5：W相的绝缘栅双极晶体管S
模式1的工作状态6：V相的绝缘栅双极晶体管S
模式1的工作状态7：U相的绝缘栅双极晶体管S
模式1的工作状态8：U、V、W相的绝缘栅双极晶体管S
②模式2：交流输出有效工作状态
具有升压能力的交直流多端口三电平变换器工作于模式2，根据交流输出端x
模式2的工作状态1：绝缘栅双极晶体管S
模式2的工作状态2：绝缘栅双极晶体管S
模式2的工作状态3：绝缘栅双极晶体管S
③模式3：直流输出有效工作状态
具有升压能力的交直流多端口三电平变换器工作于模式3，根据直流输出端口电压大小分为工作状态1和工作状态2，下面对各工作状态的原理进行详细说明。
模式3的工作状态1：电流经电感L
模式3的工作状态2：电流经直流输入侧电容C
2)交流输出和直流输出采用分时调制
所述具有升压能力的交直流多端口三电平变换器，交流输出采用三电平空间矢量调制策略，直流输出采用直流斩波，为避免交流输出与直流输出相互影响，在一个开关周期内对两种输出分时段调制，定义k为时间分配因子，将一个开关周期分为前(1-k)周期和后k周期，具体的调制方法说明如下。
①在开关周期的前(1-k)周期内，保持3个直流输出端口的电压v
设三相输出参考相电压合成的参考电压矢量为V
公式(1)中的V
②在开关周期的后k周期内，保持三相交流输出端x
T
③交流输出电压矢量的作用时间分配采用7段式方法，即将合成交流输出参考电压矢量的3个作用时间分成7段，然后将7段作用时间呈中心对称分布，每一段作用时间与电压矢量一一对应；直流输出采用两段式；一个周期的作用时间分配如图17所示。最后根据交流输出和直流输出的对应工作状态确定15个绝缘栅双极晶体管的开关状态。
当交流输出工作于有效状态时，直流升压单元工作于电感充电状态，直流输出端口电压为零，这时的交直流多端口三电平变换器相当于一个利用三电平空间矢量调制的逆变器，输出三相电压幅值和频率可控；当直流输出端口电压为U
为了验证所述具有升压能力的交直流多端口三电平变换器的可行性和双输出分时调制方法的有效性，通过MATLAB/Simulink进行仿真验证。仿真参数如下：开关频率为10kHz；直流升压单元的电源V
仿真结果如图18～25所示，图18为直流输入侧电容C
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式是示意性的，而非限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨的情况下，还能够做出其它形式，这些均属于本发明的保护之内。