CN107979303B - Ac-dc可逆矩阵电路 - Google Patents

Ac-dc可逆矩阵电路 Download PDF

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Abstract

一种矩阵结构的电能变换电路，对外有A‑B、C‑D、E‑F三组接口，其中接口E‑F是能量均衡接口，在独立的开关控制下主动平衡矩阵电路内部各单体储能元件的电能。接口A‑B和接口C‑D之间作为电能转换接口，其中A‑B到C‑D是降压型，电压变比为‑1～+1；接口C‑D到A‑B是升压型，电压变比为‑n～+n(n表示储能矩阵的阶数)。适用于AC和AC之间、或DC和DC之间、或AC和DC之间所有的电能变换形式。可应用于光伏发电、AC‑DC低压大功率整流、DC‑AC变频驱动、DC‑AC任意波形输出，无需功率因素矫正，无需正弦滤波矫正，效率高。

Description

AC-DC可逆矩阵电路
技术领域
本技术属于电学领域，具体用于AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC电能变换中。
背景技术
在专利“电容矩阵DC-DC升压结构(201010564521.1)”中，公布了一种DC-DC型升压电荷泵，可应用于DC-DC升压，或实现正弦的半周期逆变。
该技术不足的地方：1-在矩阵的下端使用了不必要的二极管D9、D10、D11，增加了能量损耗；2-该矩阵要实现逆变需要两次转换，先逆变为半周期，再用另一个全桥实现极性转换，这增加了能量损耗；3-在快速开关过程中，每行电容上的电压会不同，使电容存在不均衡供电，影响效率。
为克服上述的不足，本发明提出了一种AC-DC可逆矩阵电路。
发明内容
如图1，是AC-DC可逆矩阵电路，它是一种矩阵形式的电路结构：电容Cab是矩阵第一组接口A-B的滤波电容，该接口可作为输入口或输出口；电容Ccd是矩阵第二组接口C-D的滤波电容，该接口可作为输入口或输出口；储能元件Pef接矩阵的第三组接口E-F，该接口用于将储能元件中，储能高的储能元件的能量搬运到储能低的储能元件中去。
每一个储能元件(P1、P2、P3……Pn、Pef)都可以是多个单体储能元件组合的整体，或者是单体储能元件。比如电池、电容或电感，或者它们的串联、并联、或串并联组合的结构。前述的n表示自然数。n的值就是转换电路的阶数，比如n＝4，称为4阶矩阵电路，比如n＝5，称为5阶矩阵电路……依次类推。
从接口A-B向矩阵电路内看，储能元件是顺序串联的，接口A-B的A端接P1的1脚、P1的2脚接P2的1脚、P2的2脚接P3的1脚、P3的2脚……Pn的1脚、Pn的2脚连接到接口A-B的B端。
每一个储能元件都由八个开关构成两个全桥电路，一个全桥连接到接口E-F，另一个连接到接口C-D。比如储能元件P1由S11、S12、S13、S14、S21、S22、S23、S24八个开关构成了两个全桥，S11、S13、S21、S23构成的全桥连接E-F，S12、S14、S22、S24构成的全桥连接C-D。
在储能元件串联节点上的开关，由串联节点上的储能元件共用，比如P1、P2的串联节点连接有开关S21、S22、S23、S24，其中的S21、S23既是P1在接口E-F上的下半桥开关，又是P2在接口E-F的上半桥开关，S22、S24既是P1在接口C-D上的下半桥开关，又是P2在接口C-D上的上半桥开关。
所有的开关均是双向开关，比如双向晶闸管、双向固态继电器等。
储能元件Pef是能量均衡的储能元件。比如所有储能元件都是电容元件，如图2，是一个用电容作为储能元件的3阶DC-DC可逆矩阵电路，它的负载RL是可变的。当接口A-B接36V电源并且上正下负供电时，从接口C-D应该是可以得到12V的输出电源电压。但是由于工作期间，当开关S12、S24接通让C1向RL供电时RL＝10欧，而开关S32、S44接通让C3向RL供电时RL＝5欧，这就会导致C3的电压比C1要低，在下一个周期内接通C1、C2、C3分别向负载RL供电时，由于C3的电压低于负载平均电压Ucd，反而会使Ccd向C3充电，显然会增加不必要的损耗。
但如果在这个周期内，先分别开通S11、S23和S21、S33以及S31、S43这三个半桥，使电容C1、C2、C3分别接通1次能量均衡电容Cef，则C1、C2、C3中电压高于Cef电压的，就会向Cef充电，而低于Cef电压的会被Cef充电，这样就完成了能量高的电容的电能，被Cef搬运到了能量低的电容上，使矩阵电容C1、C2、C3的电压都接近于平均电压。Cef在负载的一个工作周期内接通矩阵电路中单体电容的次数越多(频率越高)，能量均衡电容Cef所得到的平均电压就越精确。此后，C1、C2、C3再分别向负载RL供电时，就不会存在从负载端Ccd倒灌电流到矩阵电路中的情况。
可逆矩阵电路的输出端口电压的直接变化源自于储能元件P1、P2、P3……Pn电压的直接叠加；输出端口电压的间接变化源自于开关S12、S14、S22、S24、S32、S34……S(n+1)2、S(n+1)4的脉宽调制。当能量均衡元件Pef正常运行后，可以使P1、P2、P3……Pn的电压保持一个平均值，由图2可知，能量均衡元件是由一组独立的开关S11、S13、S21、S23、S31、S33……S(n+1)1、S(n+1)3控制的，即储能元件P1、P2、P3……Pn的平均电压U不受输入输出开关操作的影响，其值是当前矩阵电路内各电容电压的平均值。以下关于开关状态的描述中，都不包括能量均衡开关S11、S13、S21、S23、S31、S33……S(n+1)1、S(n+1)3，同时对于能量均衡开关的作用都不再描述，所有叙述中均认为能量均衡开关已经完全正常运行，矩阵内部所有储能元件的电压都是相等的。以下主要叙述可逆矩阵电路如何实现电能变换以及端口之间的电压关系。
电能变换应用原理简述。
形式一：DC-AC电能变换，降压型，电压关系为Ucd＝-Uab～+Uab。
如图3，当接口A-B的A接正B接负作为输入端输入电压Uab，接口C-D作为输出端输出电压Ucd时(以C正D负为正电压)：单体储能元件Pz(z是自然数1、2、3……，z≤n，下同)的电压U＝(Uab/n)；开关S12、S24开通，其他开关都断开时，有Ucd＝+U×1；开关S12、S34开通，其他开关都断开时，有Ucd＝+U×2；开关S12、S44开通，其他开关都断开时，有Ucd＝+U×3……开关Sn2、S(n+1)4开通，其他开关都断开时，有Ucd＝+U×n＝+(Uab/n)×n＝+Uab。即随着接入输出端C-D的储能元件Px的个数增加，输出电压Ucd在以最小单位+U成整数倍增加，最终到达最大值+Uab。设输入输出开关的占空比D＝0％～100％，则Ucd＝+U×D×N：其中Ucd是输出接口C-D的端电压；U是单体储能元件Pz的电压；D是开关占空比；N是接入输出端C-D的储能元件个数。即Ucd的电压变化范围为0～+Uab，实现了输出电压Ucd在0V到+Uab之间的连续可调，经过输出电容Ccd的滤波，实现了在接口C-D的正电压在0V到+Uab之间的连续可调。
并且，当开关S14、S22开通，其他开关都断开时，有Ucd＝-U×1；开关S14、S32开通，其他开关都断开时，有Ucd＝-U×2；开关S14、S42开通，其他开关都断开时，有Ucd＝-U×3……开关Sn4、S(n+1)2开通，其他开关都断开时，有Ucd＝-U×n＝-(Ucd/n)×n＝-Uab。即随着接入输出端Ucd的储能元件Pz的增加，输出电压Ucd在以最小单位-U成整数倍增加，最终到达最大值-Uab。设输入输出开关的占空比D＝0～100％，则Ucd＝-U×D×N：其中Ucd是输出端C-D的电压；U是单体储能元件的电压；D是开关的占空比；N是接入输出端C-D的储能元件个数。即Ucd的电压变化范围为0～-Uab，经过输出电容Ccd的滤波，实现了在接口C-D的负电压的连续可调。
变换电路通过开关S(x)2、S(y)4组合开关，以及S(x)4、S(y)2的组合开关，加上开关的占空比，实现了Ucd＝-Uab～+Uab的连续变化。其中，x＜y；x＝1、2、3……n；y＝2、3、4……(n+1)；n表示矩阵电路的阶数。
一个4阶(n＝4)变换电路，按照正弦规律调制，每个输出周期调整32次(即一个周期360度，每11.25度调整1次，共调整32次)后的输出结果如图4所示：从上至下第一个坐标是储能元件P1、P2、P3、P4的电压与接口A-B的电压Uab的关系，每个单体Pz的电压为U，U＝Uab/4；第二个坐标是正半周输出开关S(x)2//S(y)4的调制周期(x＜y；x＝1、2、3、4；y＝2、3、4、5。下同)，在0～t1期间，每个周期开通一对开关，其余的都断开，并用占空比调整输出Ucd，使之按正弦规律变化；第三个坐标是负半周输出开关S(x)4//S(y)2的调制控制周期，在t1～T期间，每个周期开通一对开关，其余的都断开，并用占空比调整输出Ucd，使之按正弦规律变化；第四个坐标是接口C-D经过输出电容Ccd滤波后的输出电压Ucd，t0是11.25度的时间点，t1是半周期时间点，T是一个周期的时间。
形式二：DC-AC电能变换，升压型，电压关系为Uab＝-Ucd×n～+Ucd×n，n表示矩阵电路的阶数，下同。
如图5，当接口C-D的C接正D接负作为输入端输入电压Ucd，接口A-B作为输出端输出电压Uab时(以A正B负为正电压)：开关S12、S24开通，其他开关都断开，P1得到上正下负的电压+Ucd；开关S22、S34开通，其他开关都断开，P2得到上正下负的电压+Ucd；……开关S(n)2、S(n+1)4开通，其他开关都断开，Pn得到上正下负的电压+Ucd。即单体储能元件的U＝Ucd。在接口A-B的电压Uab＝+Ucd×n。配合开关的占空比0～100％的调制，可以得到Uab＝+Ucd×n×D＝0V～+Ucd×n的电压。
并且，当开关S14、S22开通，其他开关都断开，P1得到上负下正的电压-Ucd；开关S24、S32开通，其他开关都断开，P2得到上负下正的电压-Ucd；……开关S(n)4、S(n+1)2开通，其他开关都断开，Pn得到上负下正的电压-Ucd。即单体储能元件的U＝-Ucd。这样在接口A-B的电压Uab＝-Ucd×n。同样，用0～100％的占空比调制可以得到Uab＝0V～-Ucd×n。
综上所述，当接口C-D作为输入端，在接口A-B可以得到Uab＝-Ucd×n～+Ucd×n的交变电压，也可以调制成正弦输出。
AC-DC可逆矩阵电路可以实现：接口A-B作为输入端，接口C-D作为输出端，电压关系为Ucd＝-Uab～+Uab且连续可调，属于降压型DC-AC能量变换，变压比为-1～+1；接口C-D作为输入端，接口A-B作为输出端，电压关系为Uab＝-Ucd×n～+Ucd×n，其中n表示矩阵电路的阶数，属于升压型DC-AC能量变换，变比为-n～+n；接口A-B作为输入端，接口C-D作为输出端，可输出电压变比为-1～0连续可调的负极性电压，或输出电压变比为0～+1连续可调的正极性电压，属于DC-DC型降压能量变换；接口C-D作为输入端，接口A-B作为输出端，可输出电压变比为Uab＝-n～0连续可调的负极性电压，或输出电压变比为0～+n连续可调的正极性电压，属于升压型DC-DC转换。
附图说明
图1：AC-DC可逆矩阵电路。
图2：DC-DC型3阶可逆矩阵电路。
图3：DC-AC电能变换，降压型。
图4：DC-AC电能变换，正弦调制输出。
图5：DC-AC电能变换，升压型。
图6：DC-AC光伏发电应用。
具体实施方式
实施例：DC-AC应用，光伏发电，直接使用光伏电池作为储能元件。
如图6，是一个应用光伏电池作为储能元件的DC-AC应用结构，通过同步电路对所有开关进行同步控制，AC端可直接对AC220V进行并网，可以应用于光伏电池的分布式发电系统。
图6所示的DC-AC系统由一个7阶矩阵电路组成，每组光伏电池的电压为48V，则AI-BI端最高总输出电压是7*48＝336V；矩阵的输出接口C-D端接AC220V，并且C端接火线D端接零线。当C-D端口需要输出时，选择不同的开关对开通，使接入输出端口C-D的光伏电池个数不同，改变输出接口C-D的电压。同时配合开关脉冲的占空比调制，使输出按AC220V(峰值电压±311V)正弦规律输出。比如接通开关S32、S64，同时断开其他开关，则光伏电池BT3、BT4、BT5的总电压被接入了输出端，BT3的正极通过开关S32接入了输出接口C-D的C端——AC220L，BT5的负极通过开关S64接入了输出接口C-D的D端——AC220N，即在输出端AC220V端口得到了+3*48V＝+144V的电压，如果开关S32、S64的占空比为50％，则AC220V得到+72V的电压。
同步信号由同步电路根据电网频率生成，控制电路依据同步信号的时间戳为基点，输出调制脉冲到所有开关。在控制电路中，根据时间戳计算出需要接通开关的位置以及脉宽。例如，标准工频周期为50Hz、周期为20ms，则在时间戳后的第3ms所开通的开关对和脉宽计算如下：
输出极性判断 3ms小于20ms的一半10ms，输出为正半周，应该开通S(x)2、S(y)4开关对；
角度值为 360×(3/20)＝54度；
正弦值为 sin(54)＝0.81；
正弦波有效值为 311V×0.81＝252V；
48V光伏电池组数 252V/48V＝5.25，应该取整数6，则根据图6中所示的可选开关对是S12、S74(x＝1、y＝7)或S22、S84(x＝1、y＝7)；
脉宽占空比为 252V/(6×48V)＝87.5％。
在任意时刻都可以根据同步信号跟踪电网频率并生成调制脉冲信号，控制开关组的有序工作，从而完成DC-AC的正弦变换。
特点1，逆变输出是容性输出，因为直接从光伏电池输出的；
特点2，效率高，光伏电池组在任意时刻都只经过2个开关就与电网接通，没有复杂的矫正电路和逆变电路；
特点3，控制实时性高，光伏电池输出到电网只有两个开关，并且是串联的，开通时间、关断时间取决于两个开关中时间长的1个开关。

Claims (1)

1.一种矩阵结构的AC-DC电能变换电路，其特征是：
三组接口的功能分别是
第一组接口A-B输入交流(AC)电压、第二组接口C-D输出直流(DC)电压、第三组接口E-F完成储能元件1-n(P1、P2……Pn)的电压均衡功能；
矩阵结构的结构特征是
第一组接口A-B的A端接储能元件1(P1)的一端，储能元件1(P1)的另一端接储能元件2(P2)的一端，储能元件2(P2)的另一端接储能元件3(P3)的一端，储能元件3(P3)的另一端继续前述的储能元件的串联方式，直到最后一个储能元件n(Pn)的另一端连接到接口A-B的B端，且在接口A-B连接有电容1(Cab)，
储能元件1(P1)的一端连接有开关12(S12)的一端、开关14(S14)的一端，开关12(S12)的另一端连接到C端、开关14(S14)的另一端连接到D端；储能元件2(P2)的一端连接有开关22(S22)的一端、开关24(S24)的一端，开关22(S22)的另一端连接到C端、开关24(S24)的另一端连接到D端；
储能元件3(P3)的一端连接有开关32(S32)的一端、开关34(S34)的一端，开关32(S32)的另一端连接到C端、开关34(S34)的另一端连接到D端；继续前述的连接方式，直到最后一个储能元件n(Pn)的另一端连接有开关(n+1)2(S(n+1)2)的一端、开关(n+1)4(S(n+1)4)的一端，开关(n+1)2(S(n+1)2)的另一端连接到C端、开关(n+1)4(S(n+1)4)的另一端连接到D端；且在接口C-D之间连接有电容2(Ccd)，
储能元件1(P1)的一端连接有开关11(S11)的一端、开关13(S13)的一端，开关11(S11)的另一端连接到E端、开关13(S13)的另一端连接到F端；储能元件2(P2)的一端连接有开关21(S21)的一端、开关23(S23)的一端，开关21(S21)的另一端连接到E端、开关23(S23)的另一端连接到F端；
储能元件3(P3)的一端连接有开关31(S31)的一端、开关33(S33)的一端，开关31(S31)的另一端连接到E端、开关33(S33)的另一端连接到F端；继续前述的连接方式，直到最后一个储能元件n(Pn)的另一端连接有开关(n+1)1(S(n+1)1)的一端、开关(n+1)3(S(n+1)3)的一端，开关(n+1)1(S(n+1)1)的另一端连接到E端、开关(n+1)3(S(n+1)3)的另一端连接到F端；且在接口E-F之间连接有能量均衡元件(Pef)；
前述的储能元件
是指电容、电感、电池或它们的组合结构；
前述的能量均衡元件
是指电容、电感、电池或它们的组合结构；
前述的字母n
代表矩阵电路的阶数，n是自然数，n大于或等于3。
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