CN104578835A - 基于非对称多电平合成技术的ac/dc变换器实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法属于电气技术相关的AC／DC变换及控制技术，目的是研发一种低谐波、高质量、适合各种容量应用需求的AC／DC变换器，其特征是将传统12脉波AC／DC变换器的电流对称分配给两个三相变流桥进行变换的方式，用非对称的分配给两个三相变流桥的新方法来替代，按特定变换规律将直流电流分配给两个三相变流桥，使变换器三相交流进线电流为正弦波，进而采用等增量台阶形三角波电流波形近似替代理想变换，具有低谐波、晶闸管可控化、功率因数可超前滞后连续调节、系统综合效率高、适合各种容量应用需求的特点，可用于各种容量的直流电源和各种用途的有源前端变流器。

Description

基于非对称多电平合成技术的AC/DC变换器实现方法

技术领域

本发明属于电气技术相关的AC／DC变换及控制技术。 

背景技术

在大容量AC／DC变换器的实际应用中，目前多采用负载换相变换器，其缺点是仅具有功功率双向控制能力、功率因数差、谐波含量高。因此，还需配备相应的功率因数补偿和滤波装置，造成了整个系统繁杂庞大，造价颇高。 

中小容量AC／DC变换器通常采用二极管整流、晶闸管整流，这类变换器的缺点是电源进线电流含有大量谐波，波形失真，会对电网造成污染。目前改善这种状况的方法是采用多重化技术和采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)、门极换向晶闸管(IGCT)等全控型器件及脉宽调制(PWM)控制技术，对谐波进行抑制，但这些方法的拓扑结构复杂、开关器件价格昂贵、控制系统繁杂，制约了其应用范围。 

由于AC／DC变换器应用范围甚广，所以它又是重要的谐波污染源之一，随着它的广泛应用，谐波污染的问题也变得日益严重，解决谐波污染的问题就成为我们面临的一个重要课题。 

解决AC／DC变换器的谐波污染可从两个途径获得，一个是附加滤波装置和无功补偿装置，另一个途径是研发低谐波和高功率因数的AC＼DC变换装置。显然前者是被动的补救方式，后者是积极的主动方法，本发明即是后一个途径的具体体现。 

关于AC／DC变换器的谐波抑制，当整流器件为不可控器件或半控型器件时，通常采用移相变压器增加整流脉波的方法来降低谐波的影响。根据谐波畸变率 THD的理论分析，当三相整流桥整流器件为二极管时，12脉波时，其THD值为≥8.38％；18脉波时为≥3.06％；24脉波时为≥1.49％。当三相整流桥整流器件为普通晶闸管时，12脉波时，其THD值为≥8.61％；18脉波时为≥3.54％。根据理论分析结果，考虑到负载变化情况，两种整流器件在12脉波和18脉波的THD均不完全符合国家标准GB／T14549的要求，只有在24脉波及以上时才能完全满足国标要求。 

当三相整流桥整流器件采用全控型器件时，通常采用PWM脉宽调制控制方法与采用移相变压器增加整流脉波相结合的方法，并辅以谐波消除控制方法，以获得好的谐波抑制的效果。当采取12脉波整流时，移相变压器可以消除5、7、17、19次谐波，PWM的谐波消除方法可消除11和13次谐波，其它高次谐波可通过整流桥输入端滤波电容器加以抑制或消除，故可以将谐波抑制在国标要求的范围内。 

对上述谐波抑制方案进行技术经济分析，采用不可控器件或半控型器件方案时，只有在24脉波及以上时才能完全满足国标要求，其缺点是脉波数的增加，一方面要增加整流器件及控制单元，增加许多投资及增加了装置的体积，另一方面脉波数的增加使移相变压器的结构变得复杂而大大增加了成本。采用全控型器件方案时，由于全控型器件价格昂贵及控制系统复杂，特别是整流器输入端储能元件存在体积大、会引起谐波震荡，需增加阻尼控制等问题，使实际应用受到限制。 

综上所述，目前获得低谐波、高质量、适合各种容量应用需求的AC／DC变换器的途径是增加脉波数或采取复杂的控制手段或辅以其它装置来实现的，结果是付出了许多的经济代价，此外由于其中含有某些被动的补救方式，所以还有可能存在对整个系统产生不良影响的隐患。能否找到一种简单、经济、积极 有效的方法来实现低谐波、高质量、适合各种容量应用需求的AC／DC变换器这是AC／DC变换器领域面临的一个重要课题，到目前为止还未见到创新性的研究结果。 

AC／DC变换器应用范围相当广泛，遍及供配电、工业、民用等领域，容量从数W到数GW，对其进行深入研究和开发意义重大，对促进国民经济的发展具有重要的现实意义和长远的影响。 

发明内容

本发明研究的对象是12脉波AC／DC变换器，这是AC／DC变换器的典型结构，其移相变压器的一次侧为Y绕组，二次侧为Y和Δ两个绕组，分别与Y绕组三相变流桥和Δ绕组三相变流桥连接，Y绕组和Δ绕组的电流经移相变压器组合，在移相变压器的原边合成系统的三相交流电流。这样结构的AC／DC变换器其移相变压器绕组结构简单，出线容易，而且绕组利用率高，适合各种容量应用需求的场合，工程应用上也适合移相变压器组柜安装或单独隔离安装。 

本发明的目的是深入研究AC／DC变换器的变换机理、拓扑结构及控制技术，在综合现有技术的基础上，研发一种低谐波、高质量、适合各种容量应用需求的AC／DC变换器。 

本发明的要点是在变换器的谐波抑制、有功无功的四象限运行以及晶闸管应用方面取得了突破性的进展。 

本发明基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法的特征是采用一次侧为Y形绕组[2]，二次侧分别为Y形和Δ形两个绕组[3]和[4]的移相变压器，移相变压器二次侧分别连接两个完全相同的晶闸管三相变流桥[5]和[6]，形成12脉波AC／DC变换器，采用对两个三相变流桥进行非对称电流的控制策略，分别按(1)式和(2)式的特定变换规律控制产生互不对称的，且相位也不相 同的Y绕组[3]电流和Δ绕组[4]电流，使两绕组交流合成电流，即移相变压器一次侧Y形绕组[2]的电流为正弦波电流，按(1)式和(2)式的特定变换规律控制两个三相变流桥的电流波形采用等增量台阶形三角波电流波形近似，并通过多电平直流电流控制及合成单元[7]实现，[34]是采用等增量台阶形三角波电流波形的多电平合成的Y三相变流桥输出电流波形，[35]是Δ三相变流桥输出的电流波形，但在相位上与Y三相变流桥相差30°，[36]是Y三相变流桥输出和Δ三相变流桥输出合成的直流侧电流波形，[32]是按(1)式变换规律控制得到的变压器二次侧Y绕组电流波形，[33]是按(2)式变换规律控制得到的变压器二次侧Δ绕组电流波形，[31]是变压器一次侧得到的合成电流波形，为接近正弦波波形。 

$I_{\mathrm{BY}}\left(\mathrm{\ωt}\right)=I_{\mathrm{dc}}\{\frac{1}{2}+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{7+4\sqrt{3}}{36{(2k-1)}^2-1}\cos [6(2k-1)\mathrm{\ωt}]+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{144k}^2-1}\cos \left(12\mathrm{k\ωt}\right)\}---\left(1\right)$

$I_{\mathrm{B\Δ}}\left(\mathrm{\ωt}\right)=I_{\mathrm{dc}}\{\frac{1}{2}-\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{7+4\sqrt{3}}{36{(2k-1)}^2-1}\cos [6(2k-1)\mathrm{\ωt}]+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{144k}^2-1}\cos \left(12\mathrm{k\ωt}\right)\}---\left(2\right)$

式中： 

I_BY：Y桥直流电流 

I_BΔ：Δ桥直流电流 

I_dc：直流负载侧电流 

k=1，2，… 

附图说明

附图1是基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法的拓扑结构图，图1中1是三相交流进线电源，通常为标准电压等级的电源，特殊情况下也可以是非标准电压的电源；2是12脉波移相变压器一次侧绕组，Y形接法；3是12脉波移相变压器二次侧Y形绕组；4是12脉波移相变压器二次侧Δ形绕组， 与Y形绕组相差30°，线电压相同；5是Y绕组晶闸管三相变流桥；6是Δ绕组晶闸管三相变流桥；7是多电平直流电流控制及合成单元，作用是将Y三相变流桥和Δ三相变流桥的直流电流以多电平的方式进行控制及合成；8是直流侧负载。 

附图2是基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法在理想变换下的波形图，图2中21是三相交流进线电源侧A相I_A电流波形，B相I_B电流波形和C相I_C电流波形与A相I_A电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；22是12脉波移相变压器二次侧Y形绕组A相Ia_Y电流波形，B相I_bY电流波形和C相I_CY电流波形与A相Ia_Y电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；23是12脉波移相变压器二次侧Δ形绕组A相Ia_Δ电流波形，B相I_bΔ电流波形和C相I_CΔ电流波形与A相Ia_Δ电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；24是Y绕组三相变流桥输出电流I_BY波形，为三角波电流；25是Δ绕组三相变流桥输出电流I_BΔ波形，亦为三角波电流，但在相位上与Y三相变流桥相差30°；26是Y三相变流桥输出和Δ三相变流桥输出合成的直流侧电流I_dC波形。 

附图3是基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法在采用等增量台阶形三角波时的波形图，图3中31是三相交流进线电源侧A相I_A电流波形，B相I_B电流波形和C相I_C电流波形与A相I_A电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；32是12脉波移相变压器二次侧Y形绕组A相Ia_Y电流波形，B相I_bY电流波形和C相I_CY电流波形与A相Ia_Y电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；33是12脉波移相变压器二次侧Δ形绕组A相Ia_Δ电流波形，B相I_bΔ电流波形和C相I_CΔ电流波形与A相Ia_Δ电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；34是Y绕组三相变流桥输出电流I_BY 波形；35是Δ绕组三相变流桥输出电流I_BΔ波形；36是直流负载侧电流I_dC波形。 

具体实施方式

传统12脉波AC／DC变换器是对两个三相变流桥进行对称的变换，即两个三相变流桥进线电流的波形基本对称和相同，仅在相位上有所不同，合成的三相交流进线电流的总谐波畸变率THD>8％，这样的变换质量显然不能满足国标谐波入网标准。如何分配电流给两个三相变流桥，才可以实现三相交流进线电流为正弦波的高质量变换 

对称的分配给12脉波AC／DC变换器的两个三相变流桥的电流含有6k±1(k=1，2，…)次谐波，其中两个三相变流桥6(2k-1)±1(k=1，2，…)次谐波大小相等，相位相反，6(2k)±1(k=1，2，…)次谐波大小相等，相位相同。因此，两个三相变流桥的交流电流合成后，6(2k-1)±1(k=1，2，…)次谐波互相抵消，而两个三相变流桥6(2k)±1(k=1，2，…)次谐波的和为12脉波AC／DC变换器交流电流的谐波分量。 

如果不是对称的分配电流给两个三相变流桥，而是按特定变换规律将电流分配给两个三相变流桥，使两个三相变流桥合成的交流电流不包含6(2k)±1(k=1，2，…)次谐波，以获得12脉波AC／DC变换器三相交流进线电流为正弦波。 

本发明是按(1)式和(2)式的特定变化规律将直流电流分配给两个三相变流桥，并且I_BY(ωt)[24]和I_ＢΔ(ωt)[25]与Y三相变流桥、Δ三相变流桥的交流侧电流同步，则Y三相变流桥与Δ三相变流桥的交流侧电流[22]和[23]呈互为非对称的波形，且波形和相位也均不相同，但两个三相变流桥的合成交流电流[21]，即三相进线电源侧的电流为不含谐波的正弦波电流。 

施加给两个三相变流桥的交直流电流波形具有下述特点： 

每隔60°，三相变流桥内晶闸管换相时，电流为零。 

di／dt为有限值，电流连续无突变。 

两个三相变流桥输出电流合成为含脉动纹波的直流电流。 

两个三相变流桥交流侧电流为互为非对称的、波形和相位均不相同的交流电流。 

两个三相变流桥交流侧合成电流，即移相变压器一次侧绕组电流为正弦波电流。 

应该指出，上述是理想变换下的电流波形，实际应用中是将[24]的I_BY和[25]的I_BΔ两个三角波电流用等增量台阶形三角波电流近似方法实现的。 

施加给两个三相变流桥的等增量台阶形三角波电流波形采用下述原理通过多电平直流电流控制及合成单元[7]来完成： 

(1)将直流电流均等分配为m个支路，每个支路连接到两个可控开关，两个可控开关互补动作，构成互补开关对，分别连接到Y三相变流桥和Δ三相变流桥。 

(2)每隔30°／m切换一个互补开关对，使流入Y三相变流桥的电流增加一个支路量，同时也使流入Δ三相变流桥的电流减少一个支路量，经过m个30°／m区间，当所有支路电流都流入Y三相变流桥后，再使流入Y三相变流桥的电流每隔30°／m减少一个支路量，同时也使流入Δ三相变流桥的电流增加一个支路量，直到流入Y三相变流桥的电流减少到零。重复以上过程，就可以将直流电流按等增量台阶形三角波的规律分配给Y三相变流桥和Δ三相变流桥。 

采用上述原理的非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法具有下述特性： 

低谐波高变换质量，三相交流进线电流谐波含量随电平级数m增多而减小，12脉波AC／DC变换器三相交流进线电流THD与电平级数m的关系示于表 1。 

表1.THD与电平级数m的关系表 

m	2	3	4	5	6	7	8	9
									THD	7.77％	5.25％	3.99％	3.28％	2.77％	2.45％	2.20％	2.02％

根据表1，由于用等增量台阶形三角波近似替代三角波，所以其谐波含量与等增量台阶形三角波的电平级数相关，级数越多，谐波含量越低，当m≥6时，即电平级数≥7时，变换器的谐波值被限制在<3％的范围内； 

晶闸管全控化，按等增量台阶形三角波电流施加给Y三相变流桥和Δ三相变流桥，导致了Y三相变流桥和Δ三相变流桥内开关器件的电流按设定的等增量台阶形三角波电流规律变化，当构成Y三相变流桥和Δ三相变流桥的开关器件为晶闸管时，施加等增量台阶形三角波电流开始时给晶闸管门极触发信号，晶闸管开通，在等增量台阶形三角波电流下降为零期间，晶闸管电流为零被强迫关断。即晶闸管开通受门极控制，电流为零关断控制由等增量台阶形三角波电流提供，在这种条件下，晶闸管的功能与全控型开关器件相同，由于触发角移相范围扩展到-180°～180°，所以功率因数可超前、滞后连续调节，可实现功率因数为“1”的控制，实现有功、无功的四象限运行，适合各种容量应用的需求； 

在流入Y三相变流桥的电流为零的区间内，令Y三相变流桥的晶闸管换相，在流入Δ三相变流桥的电流为零的区间，令Δ三相变流桥的晶闸管换相，Y三相变流桥和Δ三相变流桥的晶闸管在电流为零的条件下换相，获得了零电流软开关功能，无开关损耗，且晶闸管工作频率50Hz，开关频率低，损耗低，因而综合效率高。 

与现有技术相比，用基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法构建的新型AC／DC变换器自身解决了谐波问题，具有绿色、无电网污染的特点，采用这种新型AC／DC变换器，可以不必另为电网系统配置无功补偿和滤波装置。 此外，这种新型AC／DC变换器还具有功率因数可超前滞后连续调节、系统综合效率高、适合各种容量应用需求的特点，特别是实现了晶闸管的全控化，可以发挥晶闸管耐压高、电流容量范围大、器件性能稳定、系统实现简单、价格低廉等优点来构建高性价比的通用型AC／DC变换器，特别适合在大功率场合应用。 

用基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法构建的新型AC／DC变换器可应用于各种容量的直流电源和各种用途的有源前端变流器，具有通用型的特点，因而应用前景非常广阔。 

基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法也适用于DC／AC变换器。用基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法构建的AC／DC变换器或DC／AC变换器的主开关器件也适用于全控型开关器件。 

Claims (5)

1.本发明基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法的特征是采用一次侧为Y形绕组[2]，二次侧分别为Y形和Δ形两个绕组[3]和[4]的移相变压器，移相变压器二次侧分别连接两个完全相同的晶闸管三相变流桥[5]和[6]，形成12脉波AC／DC变换器，采用对两个三相变流桥进行非对称电流的控制策略，分别按(1)式和(2)式的特定变换规律控制产生互不对称的，且相位也不相同的Y绕组[3]电流和Δ绕组[4]电流，使两绕组交流合成电流，即移相变压器一次侧Y形绕组[2]的电流为正弦波电流，按(1)式和(2)式的特定变换规律控制两个三相变流桥的电流波形采用等增量台阶形三角波电流波形近似，并通过多电平直流电流控制及合成单元[7]实现，[34]是采用等增量台阶形三角波电流波形的多电平合成的Y三相变流桥输出电流波形，[35]是Δ三相变流桥输出的电流波形，但在相位上与Y三相变流桥相差30°，[36]是Y三相变流桥输出和Δ三相变流桥输出合成的直流侧电流波形，[32]是按(1)式变换规律控制得到的变压器二次侧Y绕组电流波形，[33]是按(2)式变换规律控制得到的变压器二次侧Δ绕组电流波形，[31]是变压器一次侧得到的合成电流波形，为接近正弦波波形。

$I_{\mathrm{BY}}\left(\mathrm{\&omega;t}\right)=I_{\mathrm{dc}}\{\frac{1}{2}+\underset{k=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{7+4\sqrt{3}}{36{(2k-1)}^2-1}\cos [6(2k-1)\mathrm{\&omega;t}]+\underset{k=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{{144k}^2-1}\cos \left(12\mathrm{k\&omega;t}\right)\}---\left(1\right)$

$I_{\mathrm{B\&Delta;}}\left(\mathrm{\&omega;t}\right)=I_{\mathrm{dc}}\{\frac{1}{2}-\underset{k=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{7+4\sqrt{3}}{36{(2k-1)}^2-1}\cos [6(2k-1)\mathrm{\&omega;t}]+\underset{k=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{{144k}^2-1}\cos \left(12\mathrm{k\&omega;t}\right)\}---\left(2\right)$

式中：

I_BY：Y桥直流电流

I_BΔ：Δ桥直流电流

I_dc：直流负载侧电流

k=1，2，…

2.按照权利要求1所述的多电平直流电流控制及合成单元[7]具有下述功能：

(1)将直流电流均等分配为m个支路，每个支路连接到两个可控开关，两个可控开关互补动作，构成互补开关对，分别连接到Y三相变流桥和Δ三相变流桥；

(2)每隔30°／m切换一个互补开关对，使流入Y三相变流桥的电流增加一个支路量，同时也使流入Δ三相变流桥的电流减少一个支路量，经过m个30°／m区间，当所有支路电流都流入Y三相变流桥后，再使流入Y三相变流桥的电流每隔30°／m减少一个支路量，同时也使流入Δ三相变流桥的电流增加一个支路量，直到流入Y三相变流桥的电流减少到零，重复以上过程，就可以将直流电流按等增量台阶形三角波的规律分配给Y三相变流桥和Δ三相变流桥。

3.按照权利要求1所述的基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法具有下述特性：

低谐波高变换质量，三相交流进线电流谐波含量随电平级数m增多而减小，12脉波AC／DC变换器三相交流进线电流THD与电平级数m的关系示于表1；

表1.THD与电平级数m的关系表

m 2 3 4 5 6 7 8 9 THD 7.77％ 5.25％ 3.99％ 3.28％ 2.77％ 2.45％ 2.20％ 2.02％

根据表1，由于用等增量台阶形三角波近似替代三角波，所以其谐波含量与等增量台阶形三角波的电平级数相关，级数越多，谐波含量越低，当m≥6时，即电平级数≥7时，变换器的谐波值被限制在<3％的范围内；

晶闸管全控化，按等增量台阶形三角波电流施加给Y三相变流桥和Δ三相变流桥，导致了Y三相变流桥和Δ三相变流桥内开关器件的电流按设定的等增量台阶形三角波电流规律变化，当构成Y三相变流桥和Δ三相变流桥的开关器件为晶闸管时，施加等增量台阶形三角波电流开始时给晶闸管门极触发信号，晶闸管开通，在等增量台阶形三角波电流下降为零期间，晶闸管电流为零被强迫关断，即晶闸管开通受门极控制，电流为零关断控制由等增量台阶形三角波电流提供，在这种条件下，晶闸管的功能与全控型开关器件相同，由于触发角移相范围扩展到-180°～180°，所以功率因数可超前、滞后连续调节，可实现功率因数为“1”的控制，实现有功、无功的四象限运行，适合各种容量应用的需求；

在流入Y三相变流桥的电流为零的区间内，令Y三相变流桥的晶闸管换相，在流入Δ三相变流桥的电流为零的区间，令Δ三相变流桥的晶闸管换相，Y三相变流桥和Δ三相变流桥的晶闸管在电流为零的条件下换相，获得了零电流软开关功能，无开关损耗，且晶闸管工作频率50Hz，开关频率低，损耗低，因而综合效率高。

4.按照权利要求1所述的基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法也适用于DC／AC变换器。

5.按照权利要求1所述的基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法构建的AC／DC变换器或DC／AC变换器的主开关器件也适用于全控型开关器件。