CN107666250B - 单级相位和幅值可控交流变换器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单级相位和幅值可控交流变换器及其工作方法，其包括依次连接的三相输入变压模块、单相Buck交流单元电路模块、三相滤波器、以及三相输出变压模块，所述三相输入变压模块外接三相交流输入电压，所述三相输出变压模块外接三相交流输出电压，所述单相Buck交流单元电路模块包括三个电路结构一致的A相Buck交流单元电路、B相Buck交流单元电路和C相Buck交流单元电路。本发明能够分别连续地调节输出电压的相位和幅值，且为单级结构，极大地降低了设备的故障率，延长设备的生命周期，以及降低维修费用，能够方便地接入高压电网，从而可对高压电网中的电能进行传输控制。

Description

单级相位和幅值可控交流变换器及其工作方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术，特别涉及一种单级相位和幅值可控交流变换器及其工作方法。
背景技术
交流变换技术是将一种交流电能转换为另一种交流电能的技术。
AC-DC-AC交流变换器为两级电路结构，一般可同时具有升降压幅值调节和相位调节能力，但其中间直流母线电容一般容易导致变换器设备故障率高、生命周期短以及维修费用高。
在同频变换和不需要电气隔离的应用场合，相比于其它AC-AC交流变换技术，在体积重量、音频噪声、电路结构、控制策略、变换效率、网侧功率因数、网侧电流谐波含量、输出电压波形质量、动态性能及可靠性等方面，Buck型、Boost型和Buck-Boost型AC-AC交流变换器具有相对的综合优势。但Buck型、Boost型以及衍生出来的Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta等AC-AC交流变换器只能升降压，即只能调节幅值，而不具有相位调节能力。
为了使AC-AC交流变换器既能升降压调节幅值，又可调节相位，苏州大学张友军在Buck-Boost级联型AC-AC交流变换器的基础上提出在前级占空比中加入2倍频交流分量(“相位和幅值可控电压调节器”，《中国电机工程学报》，2010，Vol.30，No.36，pp.86～92)，让前级控制相位，后级控制幅值，但是其控制策略略显复杂，且为两级电路结构，开关管数目过多，尤其是在三相电路中(“三相相位和幅值可控电压调节器”，《中国电机工程学报》，2012，Vol.32，No.36，pp.44～52)，开关损耗不可忽视，进而影响效率问题。
因此，设计一种新型结构的单级相位和幅值可控交流变换器及其工作方法，使其更具有产业上的应用价值，且该电路是单级结构，能够方便接入高压电网，显然具有积极的现实意义。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种单级相位和幅值可控交流变换器及其工作方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种单级相位和幅值可控交流变换器，其包括依次连接的三相输入变压模块、单相Buck交流单元电路模块、三相滤波器、以及三相输出变压模块，
所述三相输入变压模块外接三相交流输入电压，所述三相输出变压模块外接三相交流输出电压，
所述单相Buck交流单元电路模块包括三个电路结构一致的A相Buck交流单元电路、B相Buck交流单元电路和C相Buck交流单元电路。
优选地，所述三相输入变压模块为三相输入变压器或三相输入变压器组。
优选地，所述三相输入变压器或三相输入变压器组的一次侧为YN连接或△连接，二次侧为YN连接；
所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的A相输出端连接到A相Buck交流单元电路的输入端，所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的B相输出端连接到B相Buck交流单元电路的输入端,所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的C相输出端连接到C相Buck交流单元电路的输入端。
优选地，所述三相输出变压模块为三相输出变压器或三相输出变压器组。
优选地，所述三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧为△连接，二次侧为△连接或Y连接、或YN连接。
优选地，所述A相Buck交流单元电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管的发射极和第二开关管的发射极相连，所述第三开关管的发射极和第四开关管的发射极相连，所述第二开关管的集电极和第三开关管的集电极相连，所述第一开关管的集电极连接到三相输入变压模块的A相输出端，所述第四开关管的集电极连接到三相输入变压模块的二次侧的公共端，所述第二开关管的集电极和第三开关管的集电极连接到三相滤波器的A相输入端，即，与所述三相滤波器的第一输出滤波电感相连；
所述B相Buck交流单元电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，所述第五开关管的发射极和第六开关管的发射极相连，所述第七开关管的发射极和第八开关管的发射极相连，所述第六开关管的集电极和第七开关管的集电极相连，所述第五开关管的集电极连接到三相输入变压模块的B相输出端，所述第八开关管的集电极连接到三相输入变压模块的二次侧的公共端，所述第六开关管的集电极和第七开关管的集电极连接到三相滤波器的B相输入端，即，与所述三相滤波器的第二输出滤波电感相连；
所述C相Buck交流单元电路包括第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管，所述第九开关管的发射极和第十开关管的发射极相连，所述第十一开关管的发射极和第十二开关管的发射极相连，所述第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极相连，所述第九开关管的集电极连接到三相输入变压模块的C相输出端，所述第十二开关管的集电极连接到三相输入变压模块的二次侧的公共端，所述第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极连接到三相滤波器的C相输入端，即，与所述三相滤波器的第三输出滤波电感相连。
优选地，所述三相滤波器包括第一输出滤波电感、第一输出滤波电容、第二输出滤波电感、第二输出滤波电容、第三输出滤波电感和第三输出滤波电容，
所述第一输出滤波电容、第二输出滤波电容和第三输出滤波电容为△连接。
一种单级相位和幅值可控交流变换器的工作方法，通过调整三相输入变压模块的匝比、三相输出变压模块的匝比和占空比来确定三相交流输出电压的幅值，
通过调整三相输入变压模块的联结组号、三相输出变压模块的联结组号和占空比确定三相交流输出电压的相位。
本发明的工作原理为：当A相Buck交流单元电路的输入电压为正时，第一开关管、第三开关管高频互补导通，第二开关管、第四开关管恒导通，而当A相Buck交流单元电路的输入电压为负时，第一开关管、第三开关管恒导通，第二开关管、第四开关管高频互补导通；当B相Buck交流单元电路的输入电压为正时，第五开关管、第七开关管高频互补导通，第六开关管、第八开关管恒导通，而当B相Buck交流单元电路的输入电压为负时，第五开关管、第七开关管恒导通，第六开关管、第八开关管高频互补导通；当C相Buck交流单元电路的输入电压为正时，第九开关管、第十一开关管高频互补导通，第十开关管、第十二开关管恒导通，而当C相Buck交流单元电路的输入电压为负时，第九开关管、第十一开关管恒导通，第十开关管、第十二开关管高频互补导通。
A相、B相、C相三个单相Buck交流单元电路的占空比中包含直流分量和2倍频交流分量；每个单相Buck交流单元电路的输出电压中均包含高频电压分量、基波电压分量和三次谐波电压分量；其中三次谐波电压分量相互抵消，而三相滤波器滤除高频电压分量，在三相输出变压器或三相输出变压器组输出端得到三相交流基波输出电压；相对于三相交流输入电压，三相交流输出电压的幅值由三相输入变压器或三相输入变压器组的匝比、三相输出变压器或三相输出变压器组的匝比和占空比确定，而三相交流输出电压的相位则由三相输入变压器或三相输入变压器组的联结组号、三相输出变压器或三相输出变压器组的联结组号和占空比确定。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明可分别地对输出电压的幅值和相位进行连续调节，且其结构只有一级，从而使得电路拓扑结构简单、控制策略容易实现，并提高了变换器的效率和可靠性，由于不含有高故障率的中间直流母线储能元件(电容)，极大地降低了设备的故障率，延长设备的生命周期，以及降低维修费用；
2.本发明采用三相输入变压器或三相输入变压器组和三相输出变压器或三相输出变压器组，使得单级相位和幅值可控交流变换器能够方便地接入高压电网，从而可对高压电网中的电能进行传输控制；
3.本发明对应不同的三相输入变压器或三相输入变压器组的联结组号和三相输出变压器或三相输出变压器组的联结组号，可获得不同的输出电压相位调节区间。
附图说明
图1是本发明实施例一的单级相位和幅值可控交流变换器拓扑图。
图2是本发明实施例一的在一个基波电压周期内，A相各开关管驱动信号图。
其中：1、三相交流输入电压；2、三相输入变压模块；3、单相Buck交流单元电路模块；4、三相滤波器；5、三相输出变压模块；6、三相交流输出电压；7、A相Buck交流单元电路；8、B相Buck交流单元电路；9、C相Buck交流单元电路。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
参见图1所示，一种单级相位和幅值可控交流变换器，其包括依次连接的三相输入变压模块2、单相Buck交流单元电路模块3、三相滤波器4、以及三相输出变压模块5，
所述三相输入变压模块外接三相交流输入电压1，所述三相输出变压模块外接三相交流输出电压6，
所述单相Buck交流单元电路模块包括三个电路结构一致的A相Buck交流单元电路7、B相Buck交流单元电路8和C相Buck交流单元电路9。
本实施例中，所述三相输入变压模块为三相输入变压器或三相输入变压器组Ti。
所述三相输入变压器或三相输入变压器组Ti的一次侧为YN连接或△连接，二次侧为YN连接，其将一次侧三相交流电隔离变压后，在二次侧供A相、B相、C相三个Buck交流单元处理；
具体为，所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的A相输出端连接到A相Buck交流单元电路的输入端，所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的B相输出端连接到B相Buck交流单元电路的输入端,所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的C相输出端连接到C相Buck交流单元电路的输入端。
所述三相输出变压模块为三相输出变压器或三相输出变压器组To。
所述三相输出变压器或三相输出变压器组To的一次侧为△连接，二次侧为△连接或Y连接、或YN连接，其将经三相滤波器滤波之后的三相交流电隔离变压输出。
所述A相Buck交流单元电路包括第一开关管S1a_a、第二开关管S1b_a、第三开关管S2a_a和第四开关管S2b_a，所述第一开关管S1a_a的发射极和第二开关管S1b_a的发射极相连，所述第三开关管S2a_a的发射极和第四开关管S2b_a的发射极相连，所述第二开关管S1b_a的集电极和第三开关管S2a_a的集电极相连，所述第一开关管S1a_a的集电极连接到三相输入变压模块的A相输出端，所述第四开关管S2b_a的集电极连接到三相输入变压模块的二次侧的公共端，所述第二开关管S1b_a的集电极和第三开关管S2a_a的集电极连接到三相滤波器的A相输入端，即，与所述三相滤波器的第一输出滤波电感Lfa相连；
所述B相Buck交流单元电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管(图1中用框图表示)，所述第五开关管的发射极和第六开关管的发射极相连，所述第七开关管的发射极和第八开关管的发射极相连，所述第六开关管的集电极和第七开关管的集电极相连，所述第五开关管的集电极连接到三相输入变压模块的B相输出端，所述第八开关管的集电极连接到三相输入变压器的二次侧的公共端，所述第六开关管的集电极和第七开关管的集电极连接到三相滤波器的B相输入端，即，与所述三相滤波器的第二输出滤波电感Lfb相连；
所述C相Buck交流单元电路包括第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管(图1中用框图表示)，所述第九开关管的发射极和第十开关管的发射极相连，所述第十一开关管的发射极和第十二开关管的发射极相连，所述第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极相连，所述第九开关管的集电极连接到三相输入变压模块的C相输出端，所述第十二开关管的集电极连接到三相输入变压模块的二次侧的公共端，所述第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极连接到三相滤波器的C相输入端，即，与所述三相滤波器的第三输出滤波电感Lfc相连。
本实施例中所用开关管均为IGBT开关管，然而本发明并不仅限于使用IGBT开关管，还可以用MOSFET开关管等进行替换，以MOSFET开关管为例，此时，MOSFET开关管的源极对应IGBT开关管的发射极，MOSFET开关管的漏极对应IGBT开关管的集电极。
所述三相滤波器用于滤除单相Buck交流单元电路模块中因开关管高频通断产生的高频谐波分量，经三相输出变压器或三相输出变压器组To输出三相交流输出电压，所述三相滤波器包括第一输出滤波电感Lfa、第一输出滤波电容Cf1、第二输出滤波电感Lfb、第二输出滤波电容Cf2、第三输出滤波电感Lfc和第三输出滤波电容Cf3。
所述第一输出滤波电容Cf1、第二输出滤波电容Cf2和第三输出滤波电容Cf3为△连接，即输出滤波电容和三相输出变压器或三相输出变压器组To原边采用△接法相连，这是因为每一相Buck交流单元电路的输出电压中含有三次谐波电压，而三角形接法可利用三相对称性将其相互抵消，得到正弦的输出线电压。
一种单级相位和幅值可控交流变换器的工作方法，通过调整三相输入变压模块的匝比、三相输出变压模块的匝比和占空比来确定三相交流输出电压的幅值，
通过调整三相输入变压模块的联结组号、三相输出变压模块的联结组号和占空比确定三相交流输出电压的相位。
参见图2所示，以A相Buck交流单元电路为例，给出了一个基波电压周期内A相各开关管驱动信号时序。当A相Buck交流单元电路的输入电压uia1为正时，第一开关管S1a_a、第三开关管S2a_a高频互补导通，第二开关管S1b_a、第四开关管S2b_a恒导通，而当A相Buck交流单元电路的输入电压uia1为负时，第一开关管S1a_a、第三开关管S2a_a恒导通，第二开关管S1b_a、第四开关管S2b_a高频互补导通。类似的，当B相Buck交流单元电路的输入电压uib1为正时，第五开关管、第七开关管高频互补导通，第六开关管、第八开关管恒导通，而当B相Buck交流单元电路的输入电压uib1为负时，第五开关管、第七开关管恒导通，第六开关管、第八开关管高频互补导通；当C相Buck交流单元电路的输入电压uic1为正时，第九开关管、第十一开关管高频互补导通，第十开关管、第十二开关管恒导通，而当C相Buck交流单元电路的输入电压uic1为负时，第九开关管、第十一开关管恒导通，第十开关管、第十二开关管高频互补导通。
A相、B相、C相三个单相Buck交流单元电路的占空比中包含直流分量和2倍频交流分量；每个单相Buck交流单元电路的输出电压中均包含高频电压分量、基波电压分量和三次谐波电压分量；其中三次谐波电压分量相互抵消，而三相滤波器滤除高频电压分量，在三相输出变压器或三相输出变压器组To输出端得到三相交流基波输出电压；相对于三相交流输入电压，三相交流输出电压的幅值由三相输入变压器或三相输入变压器组Ti的匝比、三相输出变压器或三相输出变压器组To的匝比和占空比确定，而三相交流输出电压的相位则由三相输入变压器或三相输入变压器组Ti的联结组号、三相输出变压器或三相输出变压器组To的联结组号和占空比确定。
本实施例中，使A相、B相、C相三个单相Buck交流单元电路的占空比中包含直流分量和2倍频交流分量，其中，A相占空比为d1a＝k0+k2sin(2ωt+β2)，B相占空比为d1b＝k0+k2sin(2ωt+β2+120°)，C相占空比为d1c＝k0+k2sin(2ωt+β2-120°)，k0为占空比中直流分量，k2和β2分别为占空比中2倍频交流分量的幅值和初相角,ω为输入电压角频率。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的上述实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种单级相位和幅值可控交流变换器，其特征在于：其包括依次连接的三相输入变压模块、单相Buck交流单元电路模块、三相滤波器、以及三相输出变压模块；
所述三相输入变压模块外接三相交流输入电压，所述三相输出变压模块外接三相交流输出电压；
所述单相Buck交流单元电路模块包括三个电路结构一致的A相Buck交流单元电路、B相Buck交流单元电路和C相Buck交流单元电路；
所述三相滤波器包括第一输出滤波电感、第一输出滤波电容、第二输出滤波电感、第二输出滤波电容、第三输出滤波电感和第三输出滤波电容；
所述第一输出滤波电容、第二输出滤波电容和第三输出滤波电容为△连接。
2.根据权利要求1所述的单级相位和幅值可控交流变换器，其特征在于：所述三相输入变压模块为三相输入变压器或三相输入变压器组。
3.根据权利要求2所述的单级相位和幅值可控交流变换器，其特征在于：所述三相输入变压器或三相输入变压器组的一次侧为YN连接或△连接，二次侧为YN连接；
所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的A相输出端连接到A相Buck交流单元电路的输入端，所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的B相输出端连接到B相Buck交流单元电路的输入端, 所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧的C相输出端连接到C相Buck交流单元电路的输入端。
4.根据权利要求1所述的单级相位和幅值可控交流变换器，其特征在于：所述三相输出变压模块为三相输出变压器或三相输出变压器组。
5.根据权利要求4所述的单级相位和幅值可控交流变换器，其特征在于：所述三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧为△连接，二次侧为△连接或Y连接、或YN连接。
6.根据权利要求1所述的单级相位和幅值可控交流变换器，其特征在于：所述A相Buck交流单元电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管的发射极和第二开关管的发射极相连，所述第三开关管的发射极和第四开关管的发射极相连，所述第二开关管的集电极和第三开关管的集电极相连，所述第一开关管的集电极连接到三相输入变压模块的A相输出端，所述第四开关管的集电极连接到三相输入变压模块的二次侧的公共端，所述第二开关管的集电极和第三开关管的集电极连接到三相滤波器的A相输入端；
所述B相Buck交流单元电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，所述第五开关管的发射极和第六开关管的发射极相连，所述第七开关管的发射极和第八开关管的发射极相连，所述第六开关管的集电极和第七开关管的集电极相连，所述第五开关管的集电极连接到三相输入变压模块的B相输出端，所述第八开关管的集电极连接到三相输入变压模块的二次侧的公共端，所述第六开关管的集电极和第七开关管的集电极连接到三相滤波器的B相输入端；
所述C相Buck交流单元电路包括第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管，所述第九开关管的发射极和第十开关管的发射极相连，所述第十一开关管的发射极和第十二开关管的发射极相连，所述第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极相连，所述第九开关管的集电极连接到三相输入变压模块的C相输出端，所述第十二开关管的集电极连接到三相输入变压模块的二次侧的公共端，所述第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极连接到三相滤波器的C相输入端。
7.一种单级相位和幅值可控交流变换器的工作方法，应用于如权利要求1-6任一项所述的单级相位和幅值可控交流变换器，其特征在于：通过调整三相输入变压模块的匝比、三相输出变压模块的匝比和占空比来确定三相交流输出电压的幅值；
通过调整三相输入变压模块的联结组号、三相输出变压模块的联结组号和占空比确定三相交流输出电压的相位。
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