CN108923663A - 单相双极性ac-ac变换器拓扑结构及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的单相双极性AC‑AC变换器拓扑结构，包括单相系统交流电源、功率变换单元、LC低通滤波器、负载部分和信号控制单元；单相系统交流电源的输出端与功率变换单元的输入端连接，功率变换单元包括正极性桥臂和负极性桥臂，正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接LC低通滤波器的输入端，LC低通滤波器的输出端连接负载部分。本发明公开的拓扑结构解决了现有AC‑AC变换器拓扑结构中存在换流问题，以及只能输出单极性电压或者输出双极性电压范围窄的问题，采用PWM调制策略，使得在每个变换周期内仅有2个开关管在做开关动作，有效降低了总的开关损耗，提高了变换器的效率。

Description

单相双极性AC-AC变换器拓扑结构及其调制方法
技术领域
本发明属于电能变换技术领域，涉及单相双极性AC-AC变换器拓扑结构及其调制方法。
背景技术
高比例可再生能源并网容量的不断增加，增大了电网电压越限的风险，可再生能源固有的间歇性、波动性加剧了电网电压出现低电压和过电压的问题。然而，一方面随着负荷多样性的增加，部分负荷对电网电压的要求精度较高，电压的波动将给这一类敏感负荷带来严重的经济损失；另一方面，电压的波动也限制了电网消纳可再生能源的能力。为了解决电网电压的波动问题，满足负荷端对电压的要求，需要增加一种能够实现电压调节的设备。
目前，获得工频交流电压的途径主要有以下几种：(1)在传统工频变压器原边或者副边增加分接头开关获得交流电压，这种方法获得交流电压的速度慢，不能与电压波动的时间尺度相匹配，同时获得的交流电压是阶跃性的不能实现连续调控；(2)通过AC-DC-AC或者DC-AC结构的电力电子装置获得工频交流电压，虽然AC-DC-AC或者DC-AC类拓扑结构都能实现快速、连续的获得工频交流电压，但是AC-DC-AC类拓扑结构两级功率变换，变换效率低，直流环节的存在增大了装置的体积；DC-AC类拓扑结构输出交流电压的能力依赖于外部储能元件的容量，因此该类拓扑结构的装置不能做到长时、深度的输出交流电压；(3)通过直接AC-AC类型拓扑结构的电力电子装置获得工频交流电压，该类型拓扑结构、控制都比较简单，并且无直流环节，单级功率变换，变换效率高，输出交流电压的能力不受外部储能元件的限制，同时输出交流电压连续、响应速度快，该类型拓扑结构可以实现无级、平滑的电压调节。然而，传统AC-AC变换器都不可避免的存在着换流问题，为了解决变换器的换流问题通常采用有损耗的缓冲电路或者特殊的软换流策略，前者会降低变换器的变换效率，后者在输入电压有畸变时也不能实现安全换流。并且，传统AC-AC变换器不能实现双极性电压的输出，限制了变换器只能用于单极性调压。
为了实现变换器双极性电压的输出，国内外专家和学者提出了一些改进：金楠课题组(基于直接AC/AC变换的动态电压恢复器研究.电工技术学报，2015，30(11):71-77.)在工频变压器原边增加双向晶闸管来改变输出电压的极性，但是这种方案增大了开关损耗，同时输出电压极性反转动态响应速度慢；还有学者提出Z有源变换器，但是这种方案需要有损耗的缓冲电路或者换流策略来解决换流问题；文献(IEEE Transactions on PowerElectronics,2018,PP(99):1-1.)采用开关管单元结构解决了变换器的换流问题，同时能够输出双极性电压，但是输入输出端不共地，同时采用了较多的无源元件，不利于大功率场合的应用；文献(IEEE Transactions on Industrial Electronics,2017,PP(99):1-1.)采用双向开关管的变换器实现双极性电压输出的同时又引入了换流问题；文献(IEEETransactions on Industry Applications,2016,52(6):4878-4887.)采用高频变压器的结构也实现了双极性电压的输出，但是输出电压最大仅为输入电压的一半，输出电压范围窄，限制了其应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种单相双极性AC-AC变换器拓扑结构及其调制方法，解决了现有AC-AC变换器拓扑结构中存在换流问题，以及只能输出单极性电压或者输出双极性电压范围窄的问题。
本发明所采用的技术方案是，单相双极性AC-AC变换器拓扑结构，包括单相系统交流电源、功率变换单元、LC低通滤波器、负载部分和信号控制单元；单相系统交流电源的输出端和功率变换单元的输入端之间连接输入电容C，单相系统交流电源的输出端与功率变换单元的输入端连接，功率变换单元包括正极性桥臂和负极性桥臂，正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接LC低通滤波器的输入端，LC低通滤波器的输出端连接负载部分。
本发明的其他特点还在于，
正极性桥臂包括四个全控型功率开关管IGBT和1个箝位电容C1，四个全控型功率开关管IGBT包括开关管S2，开关管S2的发射极与单相交流电源的正极相连，开关管S2的集电极与开关管S1的集电极相连，开关管S1的发射极与开关管S1c的集电极相连，开关管S1c的发射极与开关管S2c的发射极相连，开关管S2c的集电极与单相交流电源的负极相连，箝位电容C1一端与开关管S1的集电极相连，箝位电容C1另一端与开关管S1c的发射极相连，开关管S1的发射极与开关管S1c的集电极之间引出输出端A。
负极性桥臂包括四个全控型功率开关管IGBT和1个箝位电容C2，四个全控型功率开关管IGBT包括开关管S2p，开关管S2p的发射极与单相交流电源的正极相连，开关管S2p的集电极与开关管S1p的集电极相连，开关管S1p的发射极与开关管S1cp的集电极相连，开关管S1cp的发射极与开关管S2cp的发射极相连，开关管S2cp的集电极与单相交流电源的负极相连，箝位电容C2一端与开关管S1p的集电极相连，箝位电容C2另一端与开关管S1cp的发射极相连，开关管S1p的发射极与开关管S1cp的集电极之间引出输出端B。
信号控制单元包括单相系统交流电源的过零比较电路，用于产生8个独立的PWM信号波，驱动对应的开关管S1、S1c、S2、S2c、S1p、S1cp、S2p和S2cp的接通或关断。
LC低通滤波器包括输出滤波电容Cf，输出滤波电容Cf连接输出滤波电感Lf，输出滤波电容Cf与输出滤波电感Lf连接构成LC低通滤波器的输入端口和输出端口，输入端口与正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接，输出端口与负载部分连接。
本发明的另一技术方案是，
一种单相双极性AC-AC变换器拓扑结构的调制方法，采用PWM控制，单相系统交流电源输入电压Vin与0电位经比较电路产生50Hz的方波信号I，输出方波信号I中的一路信号经过取反，另一路信号不变；调制波d1或d2与三角载波Uc经比较电路产生方波信号II，同样输出方波信号II中的一路信号经过取反，另一路信号不变；方波信号I和方波信号II做逻辑或运算产生PWM驱动信号，当驱动信号为高电平时，对应的开关管S1、S1c、S2、S2c、S1p、S1cp、S2p和S2cp开通，当驱动信号为0电平时，对应的开关管S1、S1c、S2、S2c、S1p、S1cp、S2p和S2cp关断；
其中，Vin为单相系统交流电源的输入电压；Vref为负载部分期望获得的电压；d1和d2分别为正极性桥臂和负极性桥臂的调制比；Uc为的三角载波。
调制比d1和d2的值由负载部分期望获得电压Vref的幅值决定，当负载部分期望获得电压Vref为正极性电压时，令d1>d2；当负载部分期望获得电压Vref为负极性电压时，令d1<d2；三角载波Uc频率为12kHz，峰值0到1，正极性桥臂和负极性桥臂采用相同的三角载波。
本发明的有益效果是，单相双极性AC-AC变换器拓扑结构及其调制方法，解决了现有AC-AC变换器拓扑结构中存在换流问题，只能输出单极性电压或者输出双极性电压范围窄的问题。与传统AC-AC变换器拓扑结构相比，具有以下优势：
(1)本发明中的拓扑结构无需采用有损耗的RC缓冲电路，也不需要采用专门的换流策略就能够实现安全换流，提高了变换器的可靠性；
(2)与其他双极性AC-AC变换器相比，本发明保留了输入和输出共地的特点，无需其他辅助电路就能输出双极性电压，本发明无论是输出正极性电压还是输出负极性电压时都工作在相同的模式下(buck/boost模式)，输出电流不会出现断续。同时输出电压范围广，其输出电压范围从[-Vin，Vin]之间任意连续输出；
(3)本发明中的PWM调制策略，使得在每一个变换周期内全控型功率开关管仅有2个开关管在做开关动作，有效降低了总的开关损耗，提高了变换器的效率；
(4)与采用耦合电感或分离电感类型的双极性AC-AC变换器相比，本发明采用了更少的无源元件，在大功率应用场合时有效的减小了装置的体积和成本，同时，没有采用高频变压器，不存在直流环节，提高了变换器的变换效率；
(5)电路结构与调制策略都比较简单，整个系统的稳定性得到了有效的提高。此外，正、负极性桥臂的2个调制比d1和d2任意组合确定输出电压，可控自由度高，优化谐波畸变率的能力更高，保证了输出电压的波形质量。
附图说明
图1是本发明的单相双极性AC-AC变换器拓扑结构图；
图2是本发明的单相双极性AC-AC变换器拓扑的PWM调制原理图；
图3是本发明在调制比d1＝d1x,d2＝0时的信号图；
图4是本发明的拓扑结构中开关管S1开，开关管S1c关时工作示意图；
图5是本发明的拓扑结构开关管S1关，开关管S1c开时工作示意图；
图6是本发明在调制比d1＝1,d2＝d2x时的信号图；
图7是本发明的拓扑结构中开关管S1p开，开关管S1cp关时工作示意图；
图8是本发明的拓扑结构中开关管S1p关，开关管S1cp开时工作示意图；
图9是本发明在调制比d1＝d1x,d2＝d2x时的信号图；
图10是本发明的拓扑结构中开关管S1和开关管S1p开，开关管S1c和开关管S1cp关时工作示意图；
图11是本发明的拓扑结构中开关管S1和开关管S1cp开，开关管S1c和开关管S1p关时工作示意图；
图12是本发明的拓扑结构中开关管S1和开关管S1p关，开关管S1c和开关管S1cp开时工作示意图；
图13是LC低通滤波器电路原理图；
图14是纯阻性负载时输出电压正极性的波形图；
图15是纯阻性负载时输出电压负极性的波形图；
图16是阻感性负载时输出电压负极性的波形图；
图17是本发明AC-AC变换器输出电压极性动态变换时的波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的单相双极性AC-AC变换器拓扑结构，如图1所示，包括单相系统交流电源、功率变换单元、LC低通滤波器、负载部分和信号控制单元；单相系统交流电源的输出端和功率变化单元的输入端之间连接输入电容C，单相系统交流电源的输出端与功率变化单元的输入端连接，功率变换单元包括正极性桥臂和负极性桥臂，正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接LC低通滤波器的输入端，LC低通滤波器的输出端连接负载部分。
正极性桥臂包括四个全控型功率开关管IGBT和1个箝位电容C1，四个全控型功率开关管IGBT包括开关管S2，开关管S2的发射极与单相交流电源的正极相连，开关管S2的集电极与开关管S1的集电极相连，开关管S1的发射极与开关管S1c的集电极相连，开关管S1c的发射极与开关管S2c的发射极相连，开关管S2c的集电极与单相交流电源的负极相连，箝位电容C1一端与开关管S1的集电极相连，箝位电容C1另一端与开关管S1c的发射极相连，开关管S1的发射极与开关管S1c的集电极之间引出输出端A。
负极性桥臂包括四个全控型功率开关管IGBT和1个箝位电容C2，四个全控型功率开关管IGBT包括开关管S2p，开关管S2p的发射极与单相交流电源的正极相连，开关管S2p的集电极与开关管S1p的集电极相连，开关管S1p的发射极与开关管S1cp的集电极相连，开关管S1cp的发射极与开关管S2cp的发射极相连，开关管S2cp的集电极与单相交流电源的负极相连，箝位电容C2一端与开关管S1p的集电极相连，箝位电容C2另一端与开关管S1cp的发射极相连，开关管S1p的发射极与开关管S1cp的集电极之间引出输出端B。
信号控制单元包括单相系统交流电源的过零比较电路，用于产生8个独立的PWM信号波，驱动对应的开关管S1、S1c、S2、S2c、S1p、S1cp、S2p和S2cp的接通或关断。
LC低通滤波器包括输出滤波电容Cf，输出滤波电容Cf连接输出滤波电感Lf，输出滤波电容Cf和输出滤波电感Lf构成输入端口和输出端口，输入端口与正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接，输出端口与负载部分连接。
本发明单相双极性AC-AC变换器拓扑结构中的功率变换单元的输入端与单相交流电源连接，功率变换单元从单相交流电源获得50Hz正弦交流电能Vin，经过率变换单元变换，然后将电能送到LC低通滤波器的输入端，经过滤波后得到50Hz正弦交流电输出给负载部分。由于本发明所列举的实例主要用于电压等级较高，功率比较大的场合。因此，功率转换单元中的全控型功率开关管，优选的考虑英飞凌生产的FZ600R12KS4、FF300R12KS4绝缘栅双极晶体管(Insulated-Gate Bipolar Transistor---IGBT)。
一种单相双极性AC-AC变换器拓扑结构的调制方法，采用PWM控制，其控制原理图如2所示，单相系统交流电源输入电压Vin与0电位经比较电路产生50Hz的方波信号I，输出方波信号I中的一路信号经过取反，另一路信号不变；调制波d1或d2与三角载波Uc经比较电路产生方波信号II，同样，输出方波信号II中的一路信号经过取反，另一路信号不变；方波信号I和方波信号II做逻辑或运算产生PWM驱动信号，当驱动信号为高电平时，对应的开关管S1、S1c、S2、S2c、S1p、S1cp、S2p和S2cp开通，当驱动信号为0电平时，对应的开关管S1、S1c、S2、S2c、S1p、S1cp、S2p和S2cp关断；
其中，Vin为单相系统交流电源的输入电压；Vref为负载部分期望获得的电压；d1和d2分别为正极性桥臂和负极性桥臂的调制比；Uc为三角载波。
调制比d1和d2的值由负载部分期望获得电压Vref的幅值决定，三角载波Uc频率为12kHz，峰值0到1，正极性桥臂和负极性桥臂采用相同的三角载波。
具体实施例如下：
本发明的调制方法可以有多种组合的PWM调制方式，具体如表1所示：
表1 PWM调制方式
由表1可以看出无论期望负载侧输出正极性电压还是输出负极性电压，本发明都有三种调制方式。虽然调制比的数值和组合各不相同，但是工作原理和调制方式都类似。因此，以输出正极性电压为例进行三种调制比组合的分析，并且都将以输入电压为正半波时为例进行解释说明。
(1)如图3所示，调制比分别为d1＝d1x,d2＝0时的信号图和工作过程图，可以看出当输入电压正半波时，开关管S1和S1c做PWM调制，开关管S2、S2c、S1cp、S2p和S2cp常开，S1p常关；
当开关管S1开通，开关管S1c关断时，输入电能经开关管S2的体二极管、开关管S1、输出滤波电感Lf、负载、开关管S1cp、开关管S2cp的体二极管以及交流电源负极形成闭合回路，电流流通回路如图4所示；当开关管S1关断，S1c开通时，电感上的电流经负载、开关管S1cp、开关管S2cp的体二极管、开关管S2c、开关管S1c的体二极管形成闭合回路，如图5所示。
(2)如图6所示，当调制比分别为d1＝1,d2＝d2x时的信号图，当输入电压正半波时，开关管S1p和开关管S1cp做PWM调制，开关管S1、开关管S2、开关管S2c、开关管S2p和开关管S2cp常开，开关管S1c常关；
当开关管S1p开通，开关管S1cp关断时，能量经电感Lf、负载、开关管S1p的体二极管、开关管S2p、开关管S2的体二极管、开关管S1形成闭合回路，如图7所示；当开关管S1p关断，开关管S1cp开通时，输入电能经开关管S2的体二极管、开关管S1、输出滤波电感Lf、负载、开关管S1cp、开关管S2cp的体二极管以及交流电源负极形成闭合回路，电流流通回路如图8所示。
(3)如图9所示，当调制比分别为d1＝d1x,d2＝d2x时的信号图，此时两个桥臂都有可调整的调制比，整个变换器的可控自由度在这种调制方式下最大，开关管S1、开关管S1p、开关管S1c、开关管S1cp都做PWM调制，由于调制比d1>d2，因此，此时开关管S1、开关管S1p、开关管S1c、开关管S1cp的开通时序会有重叠部分；
如图10为开关管S1和开关管S1p开通，开关管S1c和开关管S1cp关断时的电流流通回路，能量经电感Lf、负载、开关管S1p的体二极管、开关管S2p、开关管S2的体二极管、开关管S1形成闭合回路；同理，当开关管S1和开关管S1cp开通，开关管S1c和开关管S1p关断时，电流经开关管S2的体二极管、开关管S1、输出滤波电感Lf、负载、开关管S1cp、开关管S2cp的体二极管以及交流电源负极形成闭合回路，如图11所示；当开关管S1和开关管S1p关断，开关管S1c和开关管S1cp开通时，电流流通回路如图12所示。
如图13所示为LC低通滤波器的电路原理图。其中，对于电感Lf可以流过直流阻碍交流，特别是高频的交流。电容Cf可以流通交流阻碍直流，通过设计LC的参数最终达到滤除高频谐波，保证输出高质量的50Hz正弦交流电压的目的。其中Lf和Cf的参数设计，参照下式:
上式中ωL为LC滤波器的截止角频率，V0为输出电压，ω1为输入交流电源的角频率。
为了验证本发明的优越性，搭建了一台功能样机，样机的参数如表2所示：
表2 样机参数
如图14所示为纯阻性负载时输出正极性电压波形图，图中Vin、V0、I0分别代表输入电压、输出电压以及负载电流，图15、16、17中相同参数代表相同意义，由图14-16可以看出无论是纯阻性负载还是阻感性负载本发明都能正常工作，不存在换流问题，由图17可以看出，本发明可以输出双极性电压，并且输出电压的极性反转动态响应速度非常快。

Claims (7)

1.单相双极性AC-AC变换器拓扑结构，其特征在于，包括单相系统交流电源、功率变换单元、LC低通滤波器、负载部分和信号控制单元；所述单相系统交流电源的输出端和所述功率变换单元的输入端之间连接输入电容C，所述单相系统交流电源的输出端与所述功率变换单元的输入端连接，所述功率变换单元包括正极性桥臂和负极性桥臂，正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接所述LC低通滤波器的输入端，所述LC低通滤波器的输出端连接负载部分。
2.如权利要求1所述的单相双极性AC-AC变换器拓扑结构，其特征在于，所述正极性桥臂包括四个全控型功率开关管IGBT和1个箝位电容C1，所述四个全控型功率开关管IGBT包括开关管S2，所述开关管S2的发射极与单相交流电源的正极相连，所述开关管S2的集电极与开关管S1的集电极相连，所述开关管S1的发射极与开关管S1c的集电极相连，所述开关管S1c的发射极与开关管S2c的发射极相连，所述开关管S2c的集电极与单相交流电源的负极相连，所述箝位电容C1一端与所述开关管S1的集电极相连，所述箝位电容C1另一端与所述开关管S1c的发射极相连，所述开关管S1的发射极与所述开关管S1c的集电极之间引出所述输出端A。
3.如权利要求2所述的单相双极性AC-AC变换器拓扑结构，其特征在于，所述负极性桥臂包括四个全控型功率开关管IGBT和1个箝位电容C2，所述四个全控型功率开关管IGBT包括开关管S2p，所述开关管S2p的发射极与单相交流电源的正极相连，所述开关管S2p的集电极与开关管S1p的集电极相连，所述开关管S1p的发射极与开关管S1cp的集电极相连，所述开关管S1cp的发射极与开关管S2cp的发射极相连，所述开关管S2cp的集电极与单相交流电源的负极相连，所述箝位电容C2一端与所述开关管S1p的集电极相连，所述箝位电容C2另一端与所述开关管S1cp的发射极相连，所述开关管S1p的发射极与所述开关管S1cp的集电极之间引出所述输出端B。
4.如权利要求3所述的单相双极性AC-AC变换器拓扑结构，其特征在于，所述信号控制单元包括所述单相系统交流电源的过零比较电路，用于产生8个独立的PWM信号波，驱动对应的开关管S1、S1c、S2、S2c、S1p、S1cp、S2p和S2cp的接通或关断。
5.如权利要求1所述的单相双极性AC-AC变换器拓扑结构，其特征在于，所述LC低通滤波器包括输出滤波电容Cf，所述输出滤波电容Cf连接输出滤波电感Lf，所述输出滤波电容Cf与所述输出滤波电感Lf连接构成所述LC低通滤波器的输入端口和输出端口，所述输入端口与所述正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接，所述输出端口与所述负载部分连接。
6.一种单相双极性AC-AC变换器拓扑结构的调制方法，其特征在于，采用PWM控制，单相系统交流电源输入电压Vin与0电位经比较电路产生50Hz的方波信号I，输出方波信号I中的一路信号经过取反，另一路信号不变；调制波d1或d2与三角载波Uc经比较电路产生方波信号II，同样输出方波信号II中的一路信号经过取反，另一路信号不变；方波信号I和方波信号II做逻辑或运算产生PWM驱动信号，当驱动信号为高电平时，对应的开关管S1、S1c、S2、S2c、S1p、S1cp、S2p和S2cp开通，当驱动信号为0电平时，对应的开关管S1、S1c、S2、S2c、S1p、S1cp、S2p和S2cp关断；
其中，Vin为单相系统交流电源的输入电压；Vref为负载部分期望获得的电压；d1和d2分别为正极性桥臂和负极性桥臂的调制比；Uc为三角载波。
7.一种如权利要求6所述的单相双极性AC-AC变换器拓扑结构的调制方法，其特征在于，所述调制比d1和d2的值由负载部分期望获得电压Vref的幅值决定，当负载部分期望获得电压Vref为正极性电压时，令d1>d2；当负载部分期望获得电压Vref为负极性电压时，令d1<d2；所述三角载波Uc频率为12kHz，峰值0到1，所述正极性桥臂和负极性桥臂采用相同的三角载波。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110011545A (zh) * 2019-04-19 2019-07-12 东北电力大学 一种双极性ac-ac变换器拓扑及调制方法
CN110611435A (zh) * 2019-10-16 2019-12-24 东北电力大学 一种级联型灵活交流链变换器拓扑结构
CN110971110A (zh) * 2019-11-08 2020-04-07 国网黑龙江省电力有限公司伊春供电公司 一种用于bt-ac变换器的谐波抑制控制方法
CN112234842A (zh) * 2020-11-10 2021-01-15 燕山大学 一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器及其调制方法
CN112398351A (zh) * 2020-11-10 2021-02-23 燕山大学 一种9双向开关型ac-ac矩阵式变换器及其调制方法
CN112821406A (zh) * 2020-12-31 2021-05-18 东北电力大学 一种用于分布式电压调控的ac-ac型主动电力弹簧
CN113872452A (zh) * 2021-07-15 2021-12-31 东北电力大学 一种基于三相心式多绕组变压器的直接式交交变换器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007166749A (ja) * 2005-12-13 2007-06-28 Fuji Electric Fa Components & Systems Co Ltd 交流交流直接変換器の制御装置
CN102364862A (zh) * 2011-10-09 2012-02-29 电子科技大学 Ac/ac变换器
CN102664537A (zh) * 2012-05-09 2012-09-12 哈尔滨工程大学 单相ac-ac直接频率变换器拓扑结构及其控制方法
CN107493027A (zh) * 2017-09-13 2017-12-19 燕山大学 一种单相推挽正激式高频链矩阵逆变器拓扑的调制方法
CN107947595A (zh) * 2017-12-25 2018-04-20 国网辽宁省电力有限公司沈阳供电公司 一种双降压升压型ac‑ac变换器模块

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007166749A (ja) * 2005-12-13 2007-06-28 Fuji Electric Fa Components & Systems Co Ltd 交流交流直接変換器の制御装置
CN102364862A (zh) * 2011-10-09 2012-02-29 电子科技大学 Ac/ac变换器
CN102664537A (zh) * 2012-05-09 2012-09-12 哈尔滨工程大学 单相ac-ac直接频率变换器拓扑结构及其控制方法
CN107493027A (zh) * 2017-09-13 2017-12-19 燕山大学 一种单相推挽正激式高频链矩阵逆变器拓扑的调制方法
CN107947595A (zh) * 2017-12-25 2018-04-20 国网辽宁省电力有限公司沈阳供电公司 一种双降压升压型ac‑ac变换器模块

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
房绪鹏: "单相电压型Z源AC/AC变流器电路", 《电力电子技术》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110011545A (zh) * 2019-04-19 2019-07-12 东北电力大学 一种双极性ac-ac变换器拓扑及调制方法
CN110611435A (zh) * 2019-10-16 2019-12-24 东北电力大学 一种级联型灵活交流链变换器拓扑结构
CN110611435B (zh) * 2019-10-16 2021-08-31 东北电力大学 一种级联型灵活交流链变换器拓扑结构
CN110971110A (zh) * 2019-11-08 2020-04-07 国网黑龙江省电力有限公司伊春供电公司 一种用于bt-ac变换器的谐波抑制控制方法
CN112234842A (zh) * 2020-11-10 2021-01-15 燕山大学 一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器及其调制方法
CN112398351A (zh) * 2020-11-10 2021-02-23 燕山大学 一种9双向开关型ac-ac矩阵式变换器及其调制方法
CN112234842B (zh) * 2020-11-10 2021-12-21 燕山大学 一种变压器隔离型三模块ac-ac矩阵变换器及其调制方法
CN112398351B (zh) * 2020-11-10 2022-02-11 燕山大学 一种9双向开关型ac-ac矩阵式变换器及其调制方法
CN112821406A (zh) * 2020-12-31 2021-05-18 东北电力大学 一种用于分布式电压调控的ac-ac型主动电力弹簧
CN113872452A (zh) * 2021-07-15 2021-12-31 东北电力大学 一种基于三相心式多绕组变压器的直接式交交变换器

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