CN101199108B - 用于将dc电压转换为三相ac输出的方法和变换器 - Google Patents

用于将dc电压转换为三相ac输出的方法和变换器 Download PDF

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Abstract

用于将由DC源(9)提供的DC输入电压转换为三相AC输出的方法和变换器(2、27)，该DC源(9)特别是太阳能电池阵列。对每个相(R、S、T)，DC输入电压被转换为具有特定波形的DC输出电压(DCR、DCS、DCT)。三个DC输出电压的波形是相同的，相互间时移了120°，并使得它们在被减去它们中的任意两个后，能获得正弦波形。每个DC输出电压的波形可以包括AC输出周期的1/3或120°且振幅为0的第一部分以及随后的AC输出周期的2/3或240°的第二部分，在第二部分期间DC输出电压具有非0的振幅。

Description

用于将DC电压转换为三相AC输出的方法和变换器
技术领域
本发明涉及用于将DC电压转换为三相AC输出的方法和变换器，如权利要求1和权利要求5的前序部分分别所述。本发明特别涉及对由能量源提供的DC电压的转换，该转换在AC输出频率的周期时间内提供恒定功率。本发明更特别涉及对太阳能电池阵列提供的DC电压的转换。
背景技术
在IEEE功率电子专家会议(the IEEE Power ElectronicSpecialist Conference，PESC)的会议录2002第1483-1488页的一篇由T.Shimitzu等完成的文章中，公开了所述类型的方法和变换器。
如果具有输出频率的AC输出电压被提供给电阻负载，AC电流会流过该负载，该负载具有与AC电压相同的波形和相。因此，如果波形是正弦的，输出功率将以两倍于所述输出功率的正弦波形波动。DC源由脉动功率负载，尽管理所当然它能提供恒功率。结果，如果DC源是这样一种类型，其将来自它的周围环境的能量转换为电能，诸如太阳能电池阵列，那么来自该环境的可用能量的很大部分将不会被利用，而包含这样的能量源的系统的总体效率会很低。为了解决该问题，公知可以在转换器的输入侧缓冲能量，以补偿源所负载的能量。然而，这种解决方案需要采用大的电解电容器作为缓冲。这些电容器昂贵、体积大，且只有有限的寿命，该寿命与太阳能电池的期望寿命例如25年相比是很短的。为了解决这个问题，所述文章公开了使用DC功率平滑电路，该电路被连接用于接收DC输入电压，以减小由脉动输出功率引起的纹波。该平滑电路包含电容器，其被充电至两倍于DC输入源的电压。结果，所述电容器会小于通常采用的电解电容器。除了采用电解电容器的缺点外，脉动输入/输出功率差的问题也还没有得到解决。
所述文章公开的现有技术变换器包括通常公知的回扫转换器，其是基于通常公知的降压-升压转换器。回扫转换器能量由变压器中的磁场缓冲(用单个电感器中的降压-升压转换器取代所述变压器)。能量在能量输入间隔期间从DC源被提供到变压器的初级线圈，并在能量输出间隔期间从变压器的次级线圈取出，能量输出间隔与能量输入间隔交替。这可以高频率运行，如200kHz。脉冲宽度调制(PWM)被用于使DC输出电压形变，以适应具有如50Hz低频率的AC输出电压的半周期。采用现有技术的变换器，次级线圈是对称的，使得它的外部端子与和开关串联的对应二极管相连，并与负载的第一端相连，并且次级线圈的中心抽头与负载的第二端相连。在DC转换器的输出侧的开关被控制用于在AC输出电压周期的随后半周期中连接具有相反极性的DC输出电压。
现有技术变换器的缺点在于它仍需要采用电解电容器，且它采用切换的平滑缓冲。
现有技术变换器的另一个缺点在于它需要变压器，该变压器在它的输出侧具有对称次级线圈、二个二极管以及二个开关。因此，该变换器相对较贵。
现有技术变换器还有一个缺点在于它需要被使用三次，以提供三相AC输出电压。因此，它需要相当大量的硬件。
还需要采用附加的硬件以同步三个AC输出电压，并进行相移使它们相互之间具有120°的相差。所述文章没有公开将单相变换器应用于多相配置。因而，它没有公开需要同步和相移以及用于它们的合适的硬件。
发明内容
本发明的目的在于解决如上所述的现有技术的缺点。
本发明的以上目的可以通过根据本发明的方法获得。本发明提出一种用于将来自DC源的DC输入电压转换为具有AC输出波形、AC输出频率和AC输出周期的AC输出电压的方法，该方法包括：将所述DC输入电压转换为具有特定DC输出波形的DC输出电压；并且将具有相反极性、相同但进行了时移的DC输出电压波形相结合，以提供相对参考电压的AC输出电压，其特征在于：所述DC输入电压被转换为三个DC输出电压(DCR、DCS、DCT)，其中每一个对应一个相(R、S、T)，并具有相同的但进行了时移的波形，每个DC输出电压提供给对应的电感器以提供该AC输出电压，并且所述DC输出电压的波形是这样的波形，即当减去任何两个所述的DC输出电压时获得具有所述AC输出频率的正弦波形。因此，由于每个DC/DC转换器中的能量流，不需要短暂存储由DC源产生的能量。也不需要采用单独的DC功率平滑电路以及它对每个相的控制。该方法只可用于提供三相AC输出。三相的同步是本发明的内在属性。
本发明的以上目的也可以通过根据本发明的变换器获得。本发明提出一种用于将来自DC源的DC输入电压转换为具有AC输出波形、AC输出频率和AC输出周期的AC输出电压的变换器，其包括：DC/DC转换器，用于将DC输入电压转换为具有特定DC输出波形的DC输出电压；以及结合电路，用于将具有相反极性、相同但进行时移的DC输出电压波形相结合，以提供相对参考电压的AC输出电压，其特征在于：所述变换器包括具有DC输出(21R、21S、21T)的三个DC/DC转换器，用于将所述DC输入电压转换为三个对应的DC输出电压(DCR、DCS、DCT)，它们具有相同但进行了时移的波形；其特征还在于：对应三个相(R、S、T)中的每一个，每个所述的DC输出(21R、21S、21T)通过电感器(24R、24S、24T)与相应的AC输出(8R、8S、8T)相耦合，并且所述变换器进一步配备有控制装置，用于通过以这样一种方式控制所述DC/DC转换器以便控制DC输出电压的形状：减去任何两个所述的DC输出电压，产生具有所述AC输出频率的正弦波形。因此，从部件数目和部件尺寸的角度看，该变换器可通过少量的硬件实现。它会减小制造、安装以及维护变换器的成本。
本发明还提出一种配备有太阳能电池阵列以及如上所述的变换器的太阳能系统。
附图说明
通过以下的实例说明并结合附图，本发明将更为显而易见，其中：
图1是根据本发明的变换器的第一实施例的示意图；
图2是根据本发明的变换器的第二实施例的示意图；
图3到图5中的每一个是三个DC输出电压的一个输出以及对应输出功率的时间图；
图6到图8中的每一个是三对DC输出电压间三个差动电压的一个输出的时间图；
图9到图11中的每一个是三个AC输出电流的一个输出的时间图；以及
图12是图3到图5中所示的输出功率曲线以及它们的和的时间图。
具体实施方式
图1中，附图标记2指根据本发明的变换器的第一实施例。如以下所进一步具体说明，变换器2将DC(直流)输入电压转换为三相AC(交流)输出电压系统。在该说明书中，相位由字母R、S和T表示。具有相同意思但不同相位的附图标记由相应的相字母实现。如果包含附图标记的表述类似地适用于所有相位，则出于简化的缘故，所述字母R、S和T在此会被省略。只是作为示例，假定变换器被设计用于提供具有在每相位与中立参考间230Vrms、频率为50Hz以及间隔或周期时间为20ms的AC输出电压。
变换器2具有两个输入端4和6以及三个输出端8R、8S和8T。输入端4和6被示为与DC电压源9相连。具体而言，DC电压源9是太阳能电池阵列，其能在AC输出周期期间提供实质上恒定的输入功率。输出端8R、8S和8T被示为与三相电源或电网10相连，其对每个相分别包括AC电压源12R、12S和12T。通常的中立参考点由接地符号13表示。
变换器2对每个相R、S和T包括相应的DC/DC转换器。对于如图1所示的第一实施例，每个DC/DC转换器是降压-升压型(buck-boost)的，其包括电感器14、第一开关16、第二开关18以及电容器20。电感器14和第一开关16与DC输入端4和6串联相连。第二开关18和电容器20串联。该串联连接与电感器14并联。开关16和18可以是MOSFET。第二开关18(它的漏极)和电容器20的连接节点与DC/DC转换器的DC输出21连接。已知，对如上所述一个相的电路，但由二极管22(如幻线所示)取代第二开关18，且二极管的正极与电感器14相连，为降压-升压DC/DC转换器。采用该转换器，第一开关16通过控制电路(未显示)以高频(如200kHz)被交替打开与切断。在第一开关16的导通态期间，电流流过电感器14。在该时间段，能量被作为磁场能存贮在电感器14中。在切断第一开关16(使它不导通)后，并当采用所述二极管22取代第二开关18时，通过电感器14的电流将继续流动，但现在流过不同的电路，其包括所述电感器14、电容器20、与DC输出21相连且与电容器20并联的可能外部负载以及所述二极管22。因此，在第一开关16切断期间，电容器20将被来自电感器14的电流充电。通过电感器14的电流会逐渐减小。对电容器20充电引起电容器20上的DC输出电压幅度增加。所述幅度可以通过控制控制信号的工作周期来控制，由此，第一开关16由控制信号打开和切断。因此，可控制DC输出电压以具有作为时间函数的特定波形，该特定波形具有的幅度比由DC源9提供的DC输入电压更低(减)或更高(加)。
如下文中显而易见的，采用优选的操作，DC/DC转换器的输出功率在两个AC输出电压的1/12时间段中是负的。为了允许这种DC/DC转换器中的双向功率流，必须采用双向开关18取代单向二极管22。MOSFET开关18具有内在的二极管，MOSFET的源极和体材料作为二极管的阳极，而它的漏极作为二极管的阴极。对每个相R、S和T，控制开关16和18使得不在相同时间导通。
变换器2进一步包括：电容器23，其与第一开关16并联；电感器24，其与DC输出21以及AC输出8相连；以及电容器26，其与AC输出8连接；以及公共中立节点，该公共中立节点由接地符号13表示。电容器23与其它部件一起用作高频共振电路，通过该高频共振电路可以减小开关16的开关损耗。电感器24与其它部件一起被用于使AC输出8的AC输出电压的波形成形。电容器26对AC输出电压滤波。如果电容器26被省略，变换器仍能正常工作。
图2示出根据本发明的变换器的第二实施例27，其与图1中所示的第一实施例的不同在于，电感器14由变压器28替代，该变压器28包括初级线圈29和次级线圈30。初级线圈29以图1中电感器14的方式连接。次级线圈30与第二开关18和电容器20相连，使得电容器与第二开关18以及次级线圈30的串联电路并联，而不与DC输入端4相连。因此，包括所述初级线圈29的初级部分没有与包括次级线圈30的次级部分相连的电连接。这被用于DC输入源9与电源10的安全电隔离。
变换器2和27的开关16和18被脉冲宽度控制(PWM)，用于在DC输出21R、21S和21T分别产生电容器20R、20S和20T上的DC输出电压DCR、DCS和DCT，并分别具有如图3、4和5中实线所示的波形。每个所述波形具有相同的形状，包括在AC输出周期的1/3或120°这段时间振幅为0的第一部分，以及与第一部分交替，在AC输出周期的2/3或240°这段时间振幅不为0的第二部分。波形的第二部分的形状符合覆盖正弦波形120°的初始部分与其后跟随的覆盖正弦波形60°-180°的部分的连接。对于相应的三个相R、S和T的三个波形被相移使彼此具有120°的相差。当相互间减去具有如图3、4和5中所示波形的两个DC输出电压后，正弦波形结果将会如图6、7和8所示。如果AC输出8R、8S和8T与外部设备特别是电源10相连，AC电流将会流过对应的电感器24R、24S和24T，其将会对AC输出波形产生与所述相互间减去DC输出电压相同的效果。因此，三个电流IR、IS和IT将具有正弦波形，并被相移使彼此具有120°的相差，如图9、10和11所示。如果变换器2、27的输出与负载电阻相连，AC输出8R、8S和8T处的AC输出电压将分别具有与对应的AC电流IR、IS和IT相同的形状和相位。
变换器2和27对应每个相的输出功率与DC输出电压相等，该DC输出电压由通过对应该相的电感器24的电流倍增。对于输出功率PR、PS和PT的结果波形分别在图3、4和5中如虚线所示。当对输出功率PR、PS和PT的所述波形求和时，表示变换器2、27的平均输出功率PAV的平直线如图12所示。结果，DC电压源9实质上以恒定输出功率与负载相连，该恒定输出功率实际上与电压源9可以提供的输入功率相同。因此，根据本发明的变换器2、27在DC源9为诸如太阳能电池阵列的发电器的情形中具有非常高的能效，而不需要大体积的电解电容器，用于在脉冲输出功率的很长时间中储存来自DC源的能量。由于没有所述电解电容器，根据本发明的变换器2、27的制造成本将会降低，它的尺寸将会减小，它的寿命将会增加，而不需要维护更换电解电容器。
在振幅为0的DC输出波形的所述第一部分中，第一开关被设置为未导通。在这段时间中，第二开关18被设置为并保持导通。结果，在这段时间中不会发生开关损耗，这将增加变换器2、27的效率。
要注意到，在由权利要求确定的本发明的范围内，可以进行一些修改。例如，图3、4和5中的DC输出波形只是优选实例。取决于AC输出波形的形状(纯正弦波或非纯正弦波)，可以采用其它的DC输出波形。为了获得恒定输出功率PAV，只需要差动电压(DCR-DCS；DCS-DCT；DCT-DCR)是正弦的。此外，降压-升压型(buck-boost)DC/DC转换器与回扫型DC/DC转换器也只是示例，并可以被不同类型的DC/DC转换器所替代。

Claims (12)

1.一种用于将来自DC源(9)的DC输入电压转换为具有AC输出波形、AC输出频率和AC输出周期的AC输出电压的方法，该方法包括：将所述DC输入电压转换为具有特定DC输出波形的DC输出电压；并且将具有相反极性、相同但进行了时移的DC输出电压波形相结合，以提供相对参考电压的AC输出电压，其特征在于：
所述DC输入电压被转换为三个DC输出电压(DCR、DCS、DCT)，其中每一个对应一个相(R、S、T)，并具有相同的但进行了时移的波形，每个DC输出电压提供给对应的电感器(24)以提供该AC输出电压，并且所述DC输出电压的波形是这样的波形，即当减去任何两个所述的DC输出电压时获得具有所述AC输出频率的正弦波形。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：
DC输出电压(DCR、DCS、DCT)的每个波形包括具有AC输出周期的120°持续时间、振幅为零的第一部分，以及具有AC输出周期的240°持续时间、振幅不为零的第二部分，其中波形的第二部分的形状符合覆盖正弦波形120°的初始部分与其后跟随的覆盖正弦波形60°-180°的部分的连接。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：
所述DC输入电压的每个DC/DC转换由对应的降压-升压转换器实施。
4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：
所述DC输入电压的每个DC/DC转换由对应的回扫转换器实施。
5.用于将来自DC源(9)的DC输入电压转换为具有AC输出波形、AC输出频率和AC输出周期的AC输出电压的变换器(2，27)，其包括：DC/DC转换器，用于将DC输入电压转换为具有特定DC输出波形的DC输出电压；以及结合电路，用于将具有相反极性、相同但进行时移的DC输出电压波形相结合，以提供相对参考电压的AC输出电压，其特征在于：
所述变换器包括具有DC输出(21R、21S、21T)的三个DC/DC转换器，用于将所述DC输入电压转换为三个对应的DC输出电压(DCR、DCS、DCT)，它们具有相同但进行了时移的波形，
对应三个相(R、S、T)中的每一个，每个所述的DC输出(21R、21S、21T)通过电感器(24R、24S、24T)与相应的AC输出(8R、8S、8T)相耦合，并且所述变换器进一步配备有控制装置，用于通过以这样一种方式控制所述DC/DC转换器以便控制DC输出电压的形状：减去任何两个所述的DC输出电压，产生具有所述AC输出频率的正弦波形。
6.根据权利要求5的变换器，其特征在于：
每个DC/DC转换器被控制用于使得其DC输出电压的波形包括具有AC输出周期的120°持续时间、振幅为零的第一部分，以及具有AC输出周期的240°持续时间、振幅不为零的第二部分，其中波形的第二部分的形状符合覆盖正弦波形120°的初始部分与其后跟随的覆盖正弦波形60°-180°的部分的连接。
7.根据权利要求6的变换器，其特征在于：
每个DC/DC转换器包括与所述DC/DC转换器的输出(21)相连接的开关(18)，并且控制所述开关(18)使其在它的DC输出电压的波形的所述第一部分期间导通。
8.根据权利要求5或6的变换器，其特征在于：
每个DC/DC转换器为降压-升压转换器。
9.根据权利要求8的变换器，其特征在于：
与每个DC/DC转换器的输入侧的开关(16)并联地连接有电容器(23)。
10.根据权利要求5或6的变换器，其特征在于：
每个DC/DC转换器为回扫转换器。
11.根据权利要求10的变换器，其特征在于：
与每个DC/DC转换器的输入侧的开关(16)并联地连接有电容器(23)。
12.配备有太阳能电池阵列以及根据权利要求5到11中任一项的变换器的太阳能系统。
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