CN108809138A - 一种兼容三相和单相交流电源的双向acdc电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路及其控制方法，包括四个接线端子，第一接线端子、第二接线端子和第三接线端子分别通过对应的第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3连接至对应的功率变换器第一桥臂中点、功率变换器第二桥臂中点和功率变换器第三桥臂中点，第四接线端子连接至功率变换器第四桥臂中点，四个功率变换器桥臂之间并联且与母线电容C4并联；还包括连接在第一接线端子与第一电感L1之间的第一主开关器件、连接在第二接线端子与第二电感L2之间的第二主开关器件以及连接在第三接线端子与第三电感L3之间的第三主开关器件。本发明能达到兼容单相和三相交流电源效果，能有效扩展电路的使用范围，方便用户使用，降低成本。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车充电/储能技术领域，涉及一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路及其控制方法。
背景技术
现有三相和单相双向ACDC电路不兼容，在实际应用中有些场合只有单相(如图1所示)或者三相AC电源(如图2所示)，使得人们需要开发两套装置来满足不同电源的要求，成本较高，使用不方便，兼容性差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路及其控制方法，通过合理的电路结构设计，实现了单相和三相兼容的效果，方便用户使用，降低成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路，包括四个接线端子，其中，第一接线端子、第二接线端子和第三接线端子分别通过对应的第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3连接至对应的功率变换器第一桥臂中点、功率变换器第二桥臂中点和功率变换器第三桥臂中点，第四接线端子连接至功率变换器第四桥臂中点，四个功率变换器桥臂之间并联且与母线电容C4并联；
还包括连接在第一接线端子与第一电感L1之间的第一主开关器件、连接在第二接线端子与第二电感L2之间的第二主开关器件以及连接在第三接线端子与第三电感L3之间的第三主开关器件；
第四接线端子分别通过第一电容C1、第二电容C2和电三电容C3连接至第一主开关器件和第一电感L1之间、第二主开关器件和第二电感L2之间以及第三主开关器件和第三电感L3之间；
还包括用于连接第一接线端子和第二接线端子的第五短接开关器件以及用于连接第三接线端子和第四接线端子的第六短接开关器件。
所述第五短接开关器件一端通过第一主开关器件与第一接线端子连接，另一端通过第二主开关器件与第二接线端子连接；或者第五短接开关器件直接连接在第一接线端子与第二接线端子之间。
所述第六短接开关器件一端通过第三主开关器件与第三接线端子连接，另一端直接与第四接线端子连接；或者所述第六短接开关器件直接连接在第三接线端子与第四接线端子之间；
或者所述第六短接开关器件一端通过第三电感L3和第三主开关器件与第三接线端子连接，另一端通过第四电感L4与第四接线端子连接。
第四接线端子通过第四电感L4与功率变换器第四桥臂中点连接。
所述第一主开关器件上并联有第一软起电路，所述第二主开关器件上并联有第二软起电路，第三主开关器件上并联有第三软起电路。
所述第一主开关器件上并联有第一软起电路，所述第二主开关器件上并联有第二软起电路，第三主开关器件上并联有第三软起电路。
第一接线端子、第二接线端子、第三接线端子和第四接线端子分别为A相接线端子、B相接线端子、C相接线端子、N相接线端子。
本发明还提供了一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路的控制方法，当正向工作时，首先接通软起电路，将与软起电路连接的接线端子与母线电容C4接通，对母线电容C4进行软起，软起之后，将与交流电源连接的接线端子和母线电容C4之间的开关器件接通，然后，断开软起电路通过功率变换器完成AC到DC变换；
反向逆变时，当交流电源类型为三相交流电时，先断开所有开关器件，待功率变换器完成软件逆变软起后，逆变输出幅值和相位符合输出条件时，接通与交流电源连接的接线端子和母线电容C4之间的主开关器件，实现DC到AC变换；或者
反向逆变时，当交流电源类型为单相交流电时，首先吸合短接继电器以及第四接线端子到第三桥臂中点和第四桥臂中点回路中的所有主开关器件，断开其余开关器件，待功率变换器完成软件逆变软起后，逆变输出幅值和相位符合输出条件时，将第一接线端子到第一桥臂中点和第二桥臂中点回路中的所有主开关器件吸合，实现DC到AC变换。
当交流电源为三相交流电时，接线端子与交流电源之间的连接方式为三相四线制或三相三线制。
所述开关器件包括主开关器件以及短接开关器件。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，本方法依据交流电压的不同，自动适应三相或单相交流电源，能提供一种兼容性好的三相、单相兼容双向ACDC电路，在该电路中，通过增加合理的开关器件，并通过不同控制时序，从而能够实现单相和三相兼容的效果，此外，能有效扩展电路的使用范围，方便用户使用，降低成本。
附图说明
图1为现有单相电源电路。
图2为现有技术中的三相电源电路。
图3是本发明的某一实施例电路结构示意图。
图4为图3工作于单相电源时的等效电路结构示意图。
图5是本发明的另一种实施例。
图6是本发明的另一种实施例。
图7是本发明的另一种实施例。
图8是本发明的另一种实施例。
图9是本发明的另一种实施例。
图10是本发明的另一种实施例。
图11是本发明的另一种实施例。
图12是本发明的另一种实施例。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
在本发明的所有实施例中，将第一接线端子、第二接线端子、第三接线端子和第四接线端子指定为A相接线端子、B相接线端子、C相接线端子、N相接线端子；实施例中使用的开关器件选择继电器，以上是为了方便对技术方案进行清晰的说明，不能理解为对本方案的限定。
本发明的电路结构包括四个接线端子，其中，第一接线端子A、第二接线端子B和第三接线端子C分别通过对应的第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3连接至对应的功率变换器第一桥臂中点、功率变换器第二桥臂中点和功率变换器第三桥臂中点，第四接线端子N连接至功率变换器第四桥臂中点，四个功率变换器桥臂之间并联且与母线电容C4并联；还包括连接在第一接线端子A与第一电感L1之间的主路继电器Relay1(即第一主开关器件)、连接在第二接线端子B与第二电感L2之间的主路继电器Relay2(即第二主开关器件)以及连接在第三接线端子C与第三电感L3之间的主路继电器Relay3(即第三主开关器件)；第四接线端子N分别通过第一电容C1、第二电容C2和电三电容C3连接至主路继电器Relay1和第一电感L1之间、主路继电器Relay2和第二电感L2之间以及主路继电器Relay3和第三电感L3之间；还包括用于连接第一接线端子A和第二接线端子B的短接继电器Relay5(即第五短接开关器件)以及用于连接第三接线端子C和第四接线端子N的短接继电器Relay6(即第六短接开关器件)。
如图3所示，在本实施例中，主路继电器Relay1上并联有第一软起电路，第一软起电路由软起电阻R1和软起常闭继电器Relay11串联组成；短接继电器Relay5一端通过主路继电器Relay1与第一接线端子A连接，另一端通过主路继电器Relay2与第二接线端子B连接；短接继电器Relay6一端通过主路继电器Relay3与第三接线端子C连接，另一端直接与第四接线端子N连接；
本实施例的控制策略如下，通过检测A、B和C三个接线端子对N的电压幅值和相位判断交流电源的类型以及连线方式：
当交流电源为三相四线制时，A、B和C分别接三相火线，N接中线：
当正向工作(即AC-DC)时，A相通过软起电阻R1和软起常闭继电器Relay11和N线形成回路给母线电容C4软起，此种电路结构设计，对辅源的兼容性更好，在此种控制策略下，辅源即使挂接在母线上也能够进行接下来的策略；
当母线电容C4软起到输入相电压峰值后，吸合B路或C路其中一路的主路继电器Relay2或Relay3，A相通过软起电阻R1和软起常闭继电器Relay11和B相或C相形成回路给母线电容C4软起，当母线电容软起到输入线电压峰值后吸合所有主路继电器Relay1、Relay2和Relay3，断开软起常闭继电器Relay11，之后通过三相四桥臂PWM变换器完成AC到DC变换。
反向逆变DC到AC变换时，先断开所有继电器，待三相四桥臂PWM变换器完成软件逆变软起后，逆变输出幅值和相位符合输出条件时，吸合A，B，C主路继电器Relay1，Relay2，Relay3实现DC到AC变换。
当交流电源为三相三线制时，A，B，C分别接三相火线，N悬空不接：
正向工作时，吸合B路或C路其中一路的主路继电器Relay2或Relay3，A相通过软起电阻R1和软起常闭继电器Relay11和B相或C相形成回路给母线电容C4软起，当母线电容软起到输入线电压峰值后吸合所有主路继电器Relay1、Relay2和Relay3，断开软起常闭继电器Relay11，之后通过三相四桥臂PWM变换器完成AC到DC变换。
反向逆变DC到AC变换时，先断开所有继电器，待三相四桥臂PWM变换器完成软件逆变软起后，逆变输出幅值和相位符合输出条件时，吸合所有主路继电器Relay1、Relay2和Relay3实现DC到AC变换。
图3中，当交流电源为单相时，A接单相交流火线L，N接单相交流零线：
正向工作(AC-DC)时，火线通过软起电阻R1软起常闭继电器Relay11和N线形成回路给母线电容C4软起，母线电容软起结束后，吸合A路主路继电器Relay1和短接继电器Relay5和Relay6，脱开软起常闭继电器Relay11，保持B路和C路继电器Relay2和Relay3为脱扣(断开)状态，此时输入方式等效如图4所示；L和N通过三相四桥臂PWM变换器实现全桥交错PFC的AC到DC变换。
反向逆变(DC-AC)时，吸合短接继电器Relay5和Relay6，断开除Relay5和Relay6外所有继电器，待软件完成逆变软起后，吸合A路主路继电器Relay1，实现DC到AC变换。
图5是本发明的另一种实施例，电路结构与图3的区别在于短接继电器Relay6的位置不同，短接继电器Relay6一端通过第三电感L3和主路继电器Relay3与第三接线端子C连接，另一端通过第四电感L4与第四接线端子N连接，影响的效果是单相工作时电感感量不同，控制方式和图3完全一致；如图5所示的实施例中，当交流电源为单相交流电时，短接继电器Relay6接通，电流不经过第三电感L3，全部流经第四电感L4，而在图3中，单相时电感电流流过L4和L3，图3流过单个L4或L3任一电感的电流是图5流过L4的一半，对于相同体积的电感，图5的L4经过的电流是图3中L4的两倍，因此，图5中的L4电感感量偏小，输入纹波电流大，对应谐波污染的THDI指标较差。
图6是本发明的另一种实施例，和图3所示电路结构的区别在于继电器Relay6的位置不同，在图6所示实施例中，短接继电器Relay6一端直接与第三接线端子C连接，另一端直接与第四接线端子N连接；当交流电为三相时，控制方式与图3相同；当交流电为单相时，控制方式和图3有所不同，具体如下：
在图6所示的电路结构中，当交流电源为单相时A接单相交流火线L，N接单相交流零线，正向工作(AC-DC)时，火线通过软起电阻R1软起常闭继电器Relay11和N线形成回路给母线电容C4软起，母线电容软起结束后，吸合A路主路继电器Relay1、C路主路继电器Relay3和短接继电器Relay5和Relay6，脱开(断开)软起继常闭电器Relay11，保持B路主路继电器Relay2为脱扣状态，此时输入方式等效如图4所示。L和N通过三相四桥臂PWM变换器实现全桥交错PFC的AC到DC变换。
反向逆变(DC-AC)时，吸合C路主路继电器Relay3、短接继电器Relay5和Relay6，断开软起常闭继电器Relay11、主路继电器Realy1和Relay2，待软件完成逆变软起后，吸合A路主路继电器Relay1，实现DC到AC变换。
图7是本发明的另一种实施例，与图3的区别是短接继电器Relay5和Relay6的位置不同，在图7所示实施例中，短接继电器Relay5一端直接与第一接线端子A连接，另一端直接与第二接线端子B连接；短接继电器Relay6一端直接与第三接线端子C连接，另一端直接与第四接线端子N连接；当交流电为三相时，控制方式与图3相同；当交流电为单相时，控制方式和图3不同，具体如下：
在图7所示实施例中，当交流电源为单相时A接单相交流火线L，N接单相交流零线，正向工作(AC-DC)时，火线通过软起电阻R1软起常闭继电器Relay11和N线形成回路给母线电容C4软起，母线电容软起结束后，吸合A路主路继电器Relay1、B路继电器Relay2、C路主路继电器Relay3以及短接继电器Relay5和Relay6，脱开软起常闭继电器Relay11，此时输入方式等效如图4所示。L和N通过三相四桥臂PWM变换器实现全桥交错PFC的AC到DC变换。
反向逆变(DC-AC)时，吸合C路主路继电器Relay3、短接继电器Relay5和Relay6，断开其余继电器，待软件完成逆变软起后，吸合主路继电器Relay1和Relay2，实现DC到AC变换；当然，本实施例的控制过程中，反向逆变(DC-AC)时，也可先吸合C路主路继电器Relay3和短接继电器Relay6，断开除Relay3和Relay6外所有继电器，待软件完成逆变软起后，吸合主路继电器Relay1、Relay2以及短接继电器Relay5，实现DC到AC变换。
图8是本发明的另一种实施例，和图3的区别是短接继电器Relay5的位置不同，在图8所示实施例中，短接继电器Relay5一端直接与第一接线端子A连接，另一端直接与第二接线端子B连接；当交流电为三相时，控制方式与图3相同；当交流电为单相时，控制方式和图3不同，具体如下：
图8中，当交流电源为单相时A接单相交流火线L，N接单相交流零线，正向工作(AC-DC)时，火线通过软起电阻R1软起常闭继电器Relay11和N线形成回路给母线电容C4软起，母线电容软起结束后，吸合A路主路继电器Relay1、B路主路继电器Relay2以及短接继电器Relay5和Relay6，脱开软起常闭继电器Relay11，此时输入方式等效如图4所示。L和N通过三相四桥臂PWM变换器实现全桥交错PFC的AC到DC变换。
反向逆变(DC-AC)时，吸合短接继电器Relay5和Relay6，断开其余继电器，待软件完成逆变软起后，吸合主路继电器Relay1和Relay2，实现DC到AC变换；当然，本实施例的控制过程中，反向逆变(DC-AC)时，也可先吸合短接继电器Relay6，断开除Relay6外所有继电器，待软件完成逆变软起后，吸合主路继电器Relay1和Relay2以及短接继电器Relay5，实现DC到AC变换。
图9是本发明的另一种实施例，和图8的区别是继电器Relay6的位置不同，在图9所示实施例中，短接继电器Relay6一端通过第三电感L3和主路继电器Relay3与第三接线端子C连接，另一端通过第四电感L4与第四接线端子N连接；本实施例与图8所示电路结构控制方式相同。
图10是本发明的另一种实施例，和图3的区别精简了电路结构，取消了N路连接的第四电感L4，N路无电感，影响的效果是单相工作时电感感量不同，三相逆变时不平衡负载适应能力差，控制方式和图3一致。
图11是本发明的另一种实施例，和图3的区别是B相的主路继电器上并联有第二软起电路，进一步优化了本发明电路的控制策略，在正向整流输入三相时无需控制每个主路继电器的时序，待软起结束后同时吸合三个主路继电器Relay1、Relay2和Relay3即可，本实施例中，当交流电为单相时，控制方式和图3相同，本实施例的三相ACDC软起回路和控制方式如下：
图11中，当交流电源为三相四线制时，A、B和C分别接三相火线，N接中线。当正向工作(AC-DC)时，A相通过软起电阻R1和软起常闭继电器Relay11，以及B相通过软起电阻R2和软起常闭继电器Relay21形成回路给母线电容C4软起；
当母线电容软起到输入相电压峰值后，吸合所有主路继电器Relay1、Relay2和Relay3，断开软起常闭继电器Relay11和Relay21，之后通过三相四桥臂PWM变换器完成AC到DC变换。
反向逆变DC到AC变换时，先断开所有继电器，待三相四桥臂PWM变换器完成软件逆变软起后，逆变输出幅值和相位符合输出条件时，吸合所有主路继电器Relay1、Relay2和Relay3实现DC到AC变换。
当交流电源为三相三线制时，A、B和C分别接三相火线，N悬空不接。正向工作时，A相通过软起电阻R1和软起常闭继电器Relay11，以及B相软起电阻R2和软起常闭继电器Relay21形成回路给母线电容C4软起。当母线电容软起到输入线电压峰值后吸合所有主路继电器Relay1、Relay2和Relay3，断开软起常闭继电器Relay11和Relay21，之后通过三相四桥臂PWM变换器完成AC到DC变换。
反向逆变DC到AC变换时，先断开所有继电器，待三相四桥臂PWM变换器完成软件逆变软起后，逆变输出幅值和相位符合输出条件时，吸合所有主路继电器Relay1、Relay2和Relay3实现DC到AC变换。
图12是本发明的另一种实施例，和图3的区别是B相和C相的主路继电器上分别并联有第二软起电路和第三软起电路，本实施例中电路的控制简单，在正向整流输入三相时无需控制每个主路继电器的时序，待软起结束后同时吸合三个主路继电器Relay1、Relay2和Relay3即可。本实施例中，当交流电为单相时，控制方式和图3相同，本实施例的三相ACDC软起回路和控制方式如下：
当交流电源为三相四线制时，A、B和C分别接三相火线，N接中线，当正向工作(AC-DC)时，A相通过软起电阻R1和软起常闭继电器Relay11和B相软起电阻R2和软起常闭继电器Relay21及C相软起电阻R3和软起常闭继电器Relay31形成回路给母线电容C4软起。
当母线电容软起到输入相电压峰值后，吸合所有主路继电器Relay1、Relay2和Relay3，断开软起常闭继电器Relay11、Relay21和Relay31，之后通过三相四桥臂PWM变换器完成AC到DC变换。
反向逆变DC到AC变换时，先断开所有继电器，待三相四桥臂PWM变换器完成软件逆变软起后，逆变输出幅值和相位符合输出条件时，吸合所有主路继电器Relay1、Relay2和Relay3实现DC到AC变换。
当三交流电源为相三线制时，A、B和C分别接三相火线，N悬空不接。正向工作时，A相通过软起电阻R1和软起常闭继电器Relay11和B相软起电阻R2和软起常闭继电器Relay21及C相软起电阻R3和软起常闭继电器Relay31形成回路给母线电容C4软起。当母线电容软起到输入线电压峰值后吸合所有主路继电器Relay1、Relay2和Relay3，断开软起常闭继电器Relay11、Relay21和Relay31，之后通过三相四桥臂PWM变换器完成AC到DC变换。
反向逆变DC到AC变换时，先断开所有继电器，待三相四桥臂PWM变换器完成软件逆变软起后，逆变输出幅值和相位符合输出条件时，吸合所有主路继电器Relay1、Relay2和Relay3实现DC到AC变换。
Claims (10)
1.一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路，其特征在于，包括四个接线端子，其中，第一接线端子、第二接线端子和第三接线端子分别通过对应的第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3连接至对应的功率变换器第一桥臂中点、功率变换器第二桥臂中点和功率变换器第三桥臂中点，第四接线端子连接至功率变换器第四桥臂中点，四个功率变换器桥臂之间并联且与母线电容C4并联；
还包括连接在第一接线端子与第一电感L1之间的第一主开关器件、连接在第二接线端子与第二电感L2之间的第二主开关器件以及连接在第三接线端子与第三电感L3之间的第三主开关器件；
第四接线端子分别通过第一电容C1、第二电容C2和电三电容C3连接至第一主开关器件和第一电感L1之间、第二主开关器件和第二电感L2之间以及第三主开关器件和第三电感L3之间；
还包括用于连接第一接线端子和第二接线端子的第五短接开关器件以及用于连接第三接线端子和第四接线端子的第六短接开关器件。
2.根据权利要求1所述的一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路，其特征在于，所述第五短接开关器件一端通过第一主开关器件与第一接线端子连接，另一端通过第二主开关器件与第二接线端子连接；或者第五短接开关器件直接连接在第一接线端子与第二接线端子之间。
3.根据权利要求2所述的一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路，其特征在于，所述第六短接开关器件一端通过第三主开关器件与第三接线端子连接，另一端直接与第四接线端子连接；或者所述第六短接开关器件直接连接在第三接线端子与第四接线端子之间；
或者所述第六短接开关器件一端通过第三电感L3和第三主开关器件与第三接线端子连接，另一端通过第四电感L4与第四接线端子连接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路，其特征在于，第四接线端子通过第四电感L4与功率变换器第四桥臂中点连接。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路，其特征在于，所述第一主开关器件上并联有第一软起电路，所述第二主开关器件上并联有第二软起电路，第三主开关器件上并联有第三软起电路。
6.根据权利要求4所述的一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路，其特征在于，所述第一主开关器件上并联有第一软起电路，所述第二主开关器件上并联有第二软起电路，第三主开关器件上并联有第三软起电路。
7.根据权利要求1所述的一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路，其特征在于，第一接线端子、第二接线端子、第三接线端子和第四接线端子分别为A相接线端子、B相接线端子、C相接线端子、N相接线端子。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路的控制方法，其特征在于，当正向工作时，首先接通软起电路，将与软起电路连接的接线端子与母线电容C4接通，对母线电容C4进行软起，软起之后，将与交流电源连接的接线端子和母线电容C4之间的开关器件接通，然后，断开软起电路通过功率变换器完成AC到DC变换；
反向逆变时，当交流电源类型为三相交流电时，先断开所有开关器件，待功率变换器完成软件逆变软起后，逆变输出幅值和相位符合输出条件时，接通与交流电源连接的接线端子和母线电容C4之间的主开关器件，实现DC到AC变换；或者
反向逆变时，当交流电源类型为单相交流电时，首先吸合短接继电器以及第四接线端子到第三桥臂中点和第四桥臂中点回路中的所有主开关器件，断开其余开关器件，待功率变换器完成软件逆变软起后，逆变输出幅值和相位符合输出条件时，将第一接线端子到第一桥臂中点和第二桥臂中点回路中的所有主开关器件吸合，实现DC到AC变换。
9.根据权利要求8所述的一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路的控制方法，其特征在于，当交流电源为三相交流电时，接线端子与交流电源之间的连接方式为三相四线制或三相三线制。
10.根据权利要求8所述的一种兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路的控制方法，其特征在于，所述开关器件包括主开关器件以及短接开关器件。
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