CN104767394A - 一种单相半桥多电平交-直-交变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相半桥多电平交-直-交变换器，其两个隔离变压器(1a)、(1b)的次绕组T12、T22分别和交-直-交变换器的两端相连；交-直-交变换器2的桥臂(2a)、桥臂(2b)采用二极管箝位多电平半桥结构，其中两电平结构不需要箝位二极管；直流侧(2c)采用n-1个大小相等的电容均压(两电平结构电容数为2)，且其中性点O与两个隔离变压器的次边绕组T12、T22的末端M、N相连；控制电路3分别采集隔离变压器(1a)、(1b)原边α、β的电压、负载电流、交-直-交变换器2两端电流进行控制。该种装置使同相供电系统拥有更大的供电容量，更高的供电等级和相对更高的开关频率，以及在性能上有更大的优势，并且相对于全桥结构能够节省资源降低成本。

Description

一种单相半桥多电平交-直-交变换器

技术领域

本发明涉及一种单相半桥交-直-交变换装置，尤其涉及轨道交通电气化同相供电系统中的变换器。

背景技术

随着GTO、IGBT等新型全控器件的先后出现，以及以DSP为代表的控制芯片的迅速普及，多电平变换器的研究和应用有了迅猛的发展。多电平变换器的思想从提出至今，出现了很多拓扑结构，但归纳起来主要有三种：二极管箝位型，飞跨电容型，以及具有独立电源的级联型变换器，他们具有共同的优点：(1)电平数越高，输出电压谐波含量越低；(2)器件开关频率低，开关损耗小；(3)器件应力小，无需动态均压。多电平变换器作为一种新型的高压大功率变换器，在得到高质量输出波形的同时还克服了两电平电路的诸多缺点。

多电平交-直-交变换器是在多电平整流器和多电平逆变器的基础上提出的一种具有能量双向流动的交交变换器，其结构就是将两个结构相同的多电平变换器以背靠背形式结合在一起而组成的。多电平交-直-交变换器以其传输特性良好、功率因数高、网侧电流谐波小、能量双向流动等特点，在机电领域中得到广泛应用。目前在传统的轨道交通电气化同相供电系统中应用的交-直-交变换器，一般采用的是单相H桥两电平变换器结构。它的两个交流桥臂均是两电平全桥结构，中间的直流侧采用一个电容均压，以实现双向交-直-交变换，其结构如图1所示。在同相供电系统中，单相H桥两电平变换器不仅可以实现最大限度避免电分相，还可以实现三相平衡，补偿无功、谐波等功能。

在现有的单相全桥两电平交-直-交变换器在结构上继续研究，应用多电平技术对它的结构进行改进，本发明提出了单相半桥多电平交-直-交变换器的结构。单相半桥多电平交-直-交变换器不仅能实现同相供电，还能在性能上有更大的优势，并能够节省资源降低成本。

发明内容

本发明的目的就是提供一种单相半桥多电平交-直-交变换器，使其应用在同相供电系统中拥有更大的供电容量、更高的供电等级、相对更高的开关频率，以及在性能上有更大的优势，并且相对于全桥结构能够节省资源降低成本。

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：

一种单相半桥多电平交-直-交变换器，包括两个隔离变压器(1a和1b)、交-直-交变换器2和其控制电路3，其中：

a、两个隔离变压器1a、1b的次绕组T12、T22分别和交-直-交变换器(2)的两端相连；

b、交-直-交变换器2的桥臂2a、桥臂2b采用二极管箝位多电平半桥结构；

c、直流侧2c采用n-1个大小相等的电容均压，且其中性点O与两个隔离变压器的次边绕组T12、T22的末端M、N相连；

d、控制电路3分别采集隔离变压器1a、1b原边α、β的电压、负载电流、交-直-交变换器2两端电流进行控制。

两电平时：所述交-直-交变换器2的桥臂2a、桥臂2b采用无二极管的两电平半桥结构；所述直流侧2c采用二个大小相等的电容均压。

本发明单相半桥两电平交-直-交变换器的工作原理是：当开关序列为10时，上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断，加在上电容两端电压为V，交流侧电压和直流侧上端电位相同为V；当开关序列为01时，上桥臂开关管关断，下桥臂开关管导通，加在下电容两端电压为V，交流侧电压和直流侧下端电位相同为-V；通过这样的开关序列调制，直流侧电压为2V，交流侧电压按照V、-V两电平变化。

单相半桥三电平交-直-交变换器的工作原理：当开关序列为1100时，上桥臂两个开关管都导通，下桥臂两个开关管都关断，加在上电容两端电压为V，交流侧电压和直流侧上端电位相同为V；当开关序列为0110时，上桥臂上开关管关断，下开关管导通，交流侧电压与直流侧中点电位相同为0；当开关序列为0011时，上桥臂两个开关管都关断，下桥臂两个开关管都导通，加在下电容两端电压为V，流侧电压和直流侧下端电位相同为-V；通过这样的开关序列调制，直流侧电压为2V，交流侧电压按照V、0、-V三个电平变化。

其他多电平结构工作原理以此类推。

在同相供电系统中，三相供电电压经过平衡变压器后变为α、β两相，此时α相电压和β相电压相等，并且相位相差90°，α相和β相分别接在交-直-交变换器两端。为了达到同相供电的目的，控制电路对交-直-交变换器进行控制使变压器次绕组两边电流相等，其控制框图如图2所示。

负载电流i_load由有功电流i_p、无功电流i_q和谐波电流组成，控制电路先对负载电流i_load进行有功、无功和谐波分离：负载电流i_load和sinωt相乘，经过低通滤波器滤波后再乘以sinωt，即可得到一半的有功电流分量；负载电流i_load和cosωt相乘，经过低通滤波器滤波后再乘以cosωt，即可得到一半的无功电流分量；总的负载电流i_load减去分离出的有功和无功分量即可得到谐波分量。控制电路将有功电流的一半、无功电流以及谐波电流作为α相的给定电流，使α相输入一半的有功电流，并达到无功和谐波补偿。控制电路将直流侧电压和参考电压的误差经PI控制器调节，经低通滤波器后乘以sinωt，即可得到直流侧有功指令电流。将一半的有功电流分量和直流侧有功指令电流作为β相的给定电流，使β相输入一半的有功电流，并控制直流侧电压稳定。

经过控制电路的控制后，交-直-交变换器将负载有功电流的一半由β相传递给α相，α相在提供负载有功电流的同时，还发出无功和谐波电流供给负载，以补偿无功和谐波，从而实现变压器两相电流相等，无功为0。

直流侧各电容电压达到平衡是交-直-交变换器能实现正常工作的前提，本发明采用软件控制的方式实现电容电压均衡，进一步简化电路的结构。均压策略采用预测电流控制，其控制框图如图3所示。经过一个PWM开关周期T，使实际网侧电流i_N(t+T)与指令电流i_N ^*(t)相等。在此基础上将输出调制波通过低通滤波器或积分环节提出直流分量反馈到电压给定端，使电容电压偏移量成为电压给定的一部分，包含于控制回路中。从而控制直流侧电压均衡。

与现有的技术相比，本发明的优势有：使同相供电系统拥有更大的供电容量，更高的供电等级和相对更高的开关频率，以及在性能上有更大的优势，并且相对于全桥结构能够节省资源降低成本。

附图说明

图1是现有技术单相H桥两电平交-直-交变换器电路原理图；

图2是本发明电流检测框图；

图3是本发明控制电路均压策略控制框图；

图4是单相半桥两电平交-直-交变换器电路原理图；

图5是单相半桥三电平交-直-交变换器电路原理图；

图6是单相半桥N电平交-直-交变换器电路原理图。

具体实施方式

图4、图5、图6示出，本发明的一种具体实施方式为：一种同相供电系统中单相半桥多电平交-直-交变换器结构，包括隔离变压器(1a和1b)，交-直-交变换器2和其控制电路3，其中：

a、两个隔离变压器(1a和1b)的次绕组T12、T22分别和交-直-交变换器的两端相连；

b、交-直-交变换器2的桥臂2a、桥臂2b均采用二极管箝位多电平半桥结构，其中两电平结构不需要箝位二极管；

c、直流侧2c采用n-1个大小相等的电容均压(两电平结构电容数为2)，且其中性点O与两个隔离变压器的次边绕组T12、T22的末端M、N相连；

d、控制电路3分别采集隔离变压器1a、1b原边α、β的电压、负载电流、交-直-交变换器2两端电流进行控制。

Claims (2)

1.一种单相半桥多电平交-直-交变换器，包括隔离变压器(1a)、(1b),交-直-交变换器(2)和其控制电路(3)，其中：

a、两个隔离变压器(1a)、(1b)的次绕组T12、T22分别和交-直-交变换器(2)的两端相连；

b、交-直-交变换器(2)的桥臂(2a)、桥臂(2b)采用二极管箝位多电平半桥结构；

c、直流侧(2c)采用n-1个大小相等的电容均压，其中n为多电平的电平数，且其中性点O与两个隔离变压器的次边绕组T12、T22的末端M、N相连；

d、控制电路(3)分别采集隔离变压器(1a)、(1b)原边α、β的电压、负载电流、交-直-交变换器(2)两端电流进行控制。

2.根据权利要求1所述之单相半桥多电平交-直-交变换器，其特征在于，两电平时：所述交-直-交变换器(2)的桥臂(2a)、桥臂(2b)采用无二极管的两电平半桥结构；所述直流侧(2c)采用二个大小相等的电容均压。