CN101951165B - 直流链路的单相交流变换器 - Google Patents

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Abstract

一种属于电力系统技术领域的直流链路的单相交流变换器，包括：交流斩波电路，降压滤波电路，波形变换电路和逆变滤波电路，其中：交流斩波电路将高压工频交流电压转换成高频脉冲交流电压并输出至降压滤波电路，降压滤波电路将高频脉冲高压交流电压转换并滤波为低压直流电压并输出至波形变换电路，波形变换电路通过改善网侧交流电压及电流波形后输出至逆变滤波电路，逆变滤波电路将低压直流电压逆变并滤波成工频交流正弦波电压。本发明实现电力系统中的电压变换和能量传递，具有体积小、重量轻、空载损耗小、不需要绝缘油等优点。

Description

直流链路的单相交流变换器
技术领域
本发明涉及的是一种电力系统技术领域的装置，具体是一种直流链路的单相交流变换器。
背景技术
随着电力电子技术迅速发展，电力电子电能变换技术在改善交直流驱动性能、提高各类电源性能和节约能源等方面起到了积极和重要的作用。但是，电力电子电能变换技术的应用却成为电网和用电设备的主要谐波源。因此，电力电子变压器成为相关领域的研究热点。电力电子变压器采用电力电子变流技术和高频变压器，具有提高供电可靠性、改善电能质量，并且体积小、重量轻、环保效果好等一系列优点。
经过对电力电子变压器现有技术的检索发现，华中科技大学.“电力电子变压器”.申请号：02139030.4，公开日：2003.03.12；以及WANG JUN等，“智能电网技术””.IEEE Trans.onIndustry Electronics Magzine(工业电子杂志).2009年6月.中公开了一种主要由初、次级功率变换器以及联系二者之间的高频变压器组成的电力电子变压器。电力电子变压器的特点为：它可以实现对变压器原副边电压幅值和相位的灵活控制，从而满足未来电力系统很多新的要求，属于智能电网的重要组成部分。电力电子变压器采用电力电子变流技术和高频变压器，具有提高供电可靠性、改善电能质量并且体积小、重量轻、环保效果好等一系列优点。但是经过分析，上述文献所涉及的技术上存在一些不足，如电路结构十分复杂，控制难度非常高，网侧功率因数控制十分复杂，除了技术之外的各项指标均难以提升。
经过文献检索和查新，电力电子变压器的概念比较新颖，属于电力电子变换器的前沿，提出的时间虽然不长，但是日益受到关注，经过专家分析和判断，结合智能电网、电力环保、节能降耗等发展主题，电力电子变压器的发展前景非常明显。基于文献检索和查新结果，目前为止，电力电子变压器的发展仍然处于起始阶段，电路拓扑和控制算法仍然处于已有基本变换器拓扑组合和控制算法沿用阶段，表现为拓扑复杂和控制繁琐，功能缺陷，具有成本高、体积大和可靠性低等不足。为此需要提出新的电路拓扑和控制算法，使电力电子变压器具有控制简单和单位输入功率因数等优点。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种直流链路的单相交流变换器，通过基于一定控制算法的单相-单相矩阵变换器和高频变压器，将输入工频交流变换为高频全波电压并耦合到二次侧后，经滤波电路和波形变换电路，得到低值的直流电压，再通过单相逆变器还原成工频交流输出，供低压电网用户使用。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：交流斩波电路，降压滤波电路，波形变换电路和逆变滤波电路，其中：交流斩波电路将高压工频交流电压转换成高频脉冲交流电压并输出至降压滤波电路，降压滤波电路将高频脉冲高压交流电压转换并滤波为低压直流电压并输出至波形变换电路，波形变换电路通过改善输入端交流电压及电流波形后输出至逆变滤波电路，逆变滤波电路将低压直流电压逆变并滤波成工频交流正弦波电压。
所述的交流斩波电路包括：第一滤波电路和与之相连的用于交流斩波的单相矩阵变换器，其中：单相矩阵变换器包括四个桥接的单相变换单元，每个单相变换单元由两个逆向串联的SiCIGBT(绝缘栅双极型晶体管)和与之对应反向并联的功率二极管组成；第一滤波电路包括与交流斩波电路输入端相串联的第一电感和与交流斩波电路输入端相并联的第一电容，该交流斩波电路基于单相-单相矩阵变换器概念，是一种灵活的交流斩波电路，只要其输出端等效负载为阻性，其输入端的等效负载就为阻性，即可做到单位输入功率因数，而且可以做到降压变换，这是其他变换器无法比拟的。可以采用单相-单相矩阵变换器的思想，也可以采用交流斩波调压概念。
所述的降压滤波电路包括：依次串联的高频变压器和第二滤波电路，其中：高频变压器的初级绕组与交流斩波电路的输出端相连，次级绕组与第二滤波电路的输入端相连；第二滤波电路包括与次级绕组相串联连的第二电感和与次级绕组相并联的电容。
所述的波形变换电路包括：第九绝缘栅双极型晶体管和第三电感以及与绝缘栅双极型晶体管相并联的第九功率二极管，该波形变换电路基于升压型DC-DC变换器概念，采用双闭环控制、单周期控制等调制算法，可以做到其输入端的等效负载就为阻性，从而确保交流斩波电路的输入端等效负载为阻性。升压型DC-DC变换器还可以设计成多级交错运行或并联运行，提升功率等级。
所述的逆变滤波电路包括：电解电容、单相逆变器和与之相连接的第三滤波电路，其中：电解电容并联于波形变换电路的输出端；单相逆变器由4个逆导型开关桥接组成；第三滤波电路包括相互串联的第四和第五电感以及一端连接第四与第五电感公共点的第四电容，第五电感和第四电容的输出端为所述变换器的输出端。
本发明用基于SiC IGBT的电力电子变压器代替传统配电变压器，采用电力电子变换技术对能量进行转换与控制。具有构思新颖、系统体积小、网侧功率因数改善、环保效果好等优点。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2a为单相矩阵变换器M1的示意图。
图2b为单相逆变器I1的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：交流斩波电路1、降压滤波电路2、波形变换电路3和逆变滤波电路4，其中：交流斩波电路1将高压工频交流电压转换成高频脉冲交流电压并输出至降压滤波电路2，降压滤波电路2将高频脉冲高压交流电压转换并滤波为低压直流电压并输出至波形变换电路3，波形变换电路3通过改善网侧交流电压及电流波形后输出至逆变滤波电路4，逆变滤波电路4将低压直流电压逆变并滤波成工频交流正弦波电压。
所述的交流斩波电路1包括：第一滤波电路L1和C1和与之相连的用于交流斩波的单相矩阵变换器M1，其中：单相矩阵变换器M1包括四个桥接的单相变换单元U1、U2、U3与U4，每个单相变换单元由两个逆向串联的SiC IGBT绝缘栅双极型晶体管和与之对应并联的功率二极管组成U1：S1、D1、S2与D2，U2：S3、D3、S4与D4，U3：S5、D5、S6与D6，U4：S7、D7、S8与D8；第一滤波电路L1和C1包括与交流斩波电路输入端相串联的第一电感L1和与交流斩波电路输入端相并联的第一电容C1。
所述的降压滤波电路2包括：依次串联的高频变压器T1和第二滤波电路L2和C2，其中：高频变压器T1的初级绕组与交流斩波电路1的输出端相连，次级绕组与第二滤波电路L2和C2的输入端相连；第二滤波电路L2和C2包括与次级绕组相串联连的第二电感L2和与次级绕组相并联的电容C2。
所述的波形变换电路3包括：第九绝缘栅双极型晶体管S9和第三电感L3以及与绝缘栅双极型晶体管相并联的第九功率二极管D9；
所述的逆变滤波电路4包括：电解电容E1、单相逆变器I1和与之相连接的第三滤波电路L4、L5和C3，其中：电解电容E1并联于波形变换电路3的输出端；单相逆变器I1由4个逆导型开关S10、S11、S12、S13桥接组成；第三滤波电路L4、L5和C3包括相互串联的第四电感L4和第五电感L5以及与第四电感L4、第五电感L5公共点相连接的第三电容C3，第五电感L5和第三电容C3的输出端为所述变换器的输出端。
本实施例中所述的单相矩阵变换器M1、高频变压器T1、单相整流器B1和单相逆变器I1组成了电力电子变压器，其作用是通过提高AC-AC变换器的工作频率，来实现相比常规变压器体积减少、重量变轻的目标，从而大大减少无源器件的尺寸和重量。
本实例中：单相交流输入电压为10kV，单相矩阵变换器M1、单相整流器B1和高频变压器T1将10kV变换为400VDC，单相逆变器I1为传统的低压电压源逆变器，将400VDC变换为50Hz、220V的交流电，或其他形式，其输入端并联电压等级为400V的电解电容。
本实施例中采用交流斩波电路和波形变换电路后，可以使得电力电子变换器的网侧工作在单位功率因数下，消除谐波电流对电网的污染，同时使得逆变电路之前线路上各点的无功电流含量降至零点，有利于简化电路设计、降低成本、增加效率和提高可靠性。同时由于交流斩波电路和波形变换电路结构简单，控制算法成熟，实现起来非常容易，便于产品化和推广应用。本例电力电子变换器还可以推广到三相高压交流电压输入的应用场合。

Claims (3)

1.一种直流链路的单相交流变换器，其特征在于，交流斩波电路，降压滤波电路，波形变换电路和逆变滤波电路，其中：交流斩波电路将高压工频交流电压转换成高频脉冲交流电压并输出至降压滤波电路，降压滤波电路将高频脉冲高压交流电压转换并滤波为低压并输出至波形变换电路，波形变换电路通过改善网侧交流电压及电流波形后输出至逆变滤波电路，逆变滤波电路将低压直流电压逆变并滤波成工频交流正弦波电压；
所述的波形变换电路包括：第九绝缘栅双极型晶体管和第三电感以及第九功率二极管，其中第三电感的一端与降压滤波电路中第二电感和第二电容的公共端相连，其另一端与第九功率二极管的阳极相连后与第九绝缘栅双极型晶体管的集电极相连，第九功率二极管的阴极与逆变滤波电路中第一电解电容的正极相连，第九绝缘栅双极型晶体管的发射极与降压滤波电路中第二电容的另一端以及逆变滤波电路中第一电解电容的负极相连；
所述的交流斩波电路包括：第一滤波电路和与之相连的用于交流斩波的单相矩阵变换器，其中：单相矩阵变换器包括四个桥接的单相变换单元，每个单相变换单元由两个逆向串联的绝缘栅双极型晶体管和与之对应反向并联的功率二极管组成；第一滤波电路包括与交流斩波电路输入端相串联的第一电感和与交流斩波电路输入端相并联的第一电容。
2.根据权利要求1所述的直流链路的单相交流变换器，其特征是，所述的降压滤波电路包括：依次串联的高频变压器和第二滤波电路，其中：高频变压器的初级绕组与交流斩波电路的输出端相连，次级绕组与第二滤波电路的输入端相连；第二滤波电路包括与次级绕组相串联的第二电感和与次级绕组相并联的电容。
3.根据权利要求1所述的直流链路的单相交流变换器，其特征是，所述的逆变滤波电路包括：电解电容、单相逆变器和与之相连接的第三滤波电路，其中：电解电容并联于波形变换电路的输出端；单相逆变器由4个逆导型开关桥接组成；第三滤波电路包括相互串联的第四和第五电感以及第三电容，第五电感和第三电容的输出端为所述变换器的输出端。
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