CN108964509A - 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

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，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，三个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之间的第一开关器件、连接在第二接线端子与第二电感之间的第二开关器件以及连接在第三接线端子与第三电感之间的第三开关器件。通过合理的增加开关器件的电路结构设计，实现了单相和三相兼容的效果，方便用户使用，降低成本。

Description

兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路及其控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车充电/储能技术领域，涉及一种双向ACDC变换电路，尤其是一种兼 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如图1所示的单相， 或者如图2所示的三相AC电源，使得人们需要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，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，三个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之间的第一开关器件、连接在第二接线端子与 第二电感L2之间的第二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连接至第一开关器件和 第一电感L1之间、第二开关器件和第二电感L2之间以及第三开关器件和第三电感L3之间；

第四接线端子连接至第四开关器件，第四开关器件直接连接或通过第三电感L3连接至功 率变换器第三桥臂中点。

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。

第一开关器件并联有第一软起电路和/或第二开关器件上并联有第二软起电路。

所述软起电路包括串联的电阻和软起开关器件。

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，根据交流电源类型控制开关器件的开关实现母线电容C4的软起，软起之后控制开关器 件的开关实现通过功率变换器完成AC到DC变换；当反向逆变时，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，控制相应开关器件的 开关实现AC输出，从而实现DC到AC变换；

所述开关器件包括主开关器件和软起开关器件，所述主开关器件包括第一开关器件，第二 开关器件，第三开关器件以及第四开关器件。

当交流电源类型为三相四线制时，即第一、第二和第三接线端子各连接三相火线中一相， 第四接线端子接中线；正向工作时，即AC到DC变换时，第一和第二接线端子分别通过各自 连接的软起电路与母线电容C4接通，母线电容C4通过常闭开关器件Relay4与第四接线端子 接通，对母线电容C4软起，母线电容C4软起结束后，断开第四接线端子与母线电容C4之间 的常闭开关器件Relay4，吸合连接在母线电容C4与第一接线端子之间的主开关器件Relay1、 连接在母线电容C4与第二接线端子之间的主开关器件Relay2以及连接在母线电容C4与第三 接线端子之间的主开关器件Relay3，使第一、第二和第三接线端子与母线电容C4直接连通， 然后通过功率变换器完成AC到DC变换；反向工作时，即DC到AC变换时，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，吸合主开 关器件Relay1、Relay2以及Relay3实现DC到AC变换。

当交流电源类型为三相三线制时，即第一、第二和第三接线端子各连接三相火线中一相， 第四接线端子悬空不接：正向工作时，即AC到DC变换，第一和第二接线端子分别通过各自 连接的软起电路与母线电容C4连通从而形成回路给母线电容C4软起，母线电容C4软起结束 后，吸合连接在母线电容C4与第一接线端子之间的主开关器件Relay1、连接在母线电容C4 与第二接线端子之间的主开关器件Relay2以及连接在母线电容C4与第三接线端子之间的主开 关器件Relay3使第一、第二和第三接线端子与母线电容C4直接连通，然后通过功率变换器整 流完成AC到DC变换；反向工作时，即DC到AC变换时，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，吸合主开关器件Relay1、 Relay2以及Relay3实现DC到AC变换。

正向工作时，在母线电容C4软起结束后，还断开第四接线端子与母线电容C4之间的常 闭开关器件Relay4。

当交流电源类型为单相，且第一、第二和第三接线端子均接单相交流火线L，第四接线端 子接单相交流零线时：

正向工作时，即AC到DC变换，火线L通过软起电阻R1和R2、以及软起常闭开关器件Relay11和Relay21、以及常闭开关器件Relay4连接第四接线端子形成回路给母线电容C4软起，母线电容C4软起结束后，吸合连接在母线电容C4和第一接线端子之间的主开关器件Relay1和连接在母线电容C4和第二接线端子之间的主开关器件Relay2，保持连接在母线电容 C4和第四接线端子之间的常闭开关器件Relay4处于吸合状态，接在母线电容C4和第三接线 端子之间的主开关器件Relay3处于脱扣状态，第一接线端子、第二接线端子两路以及第四接 线端子通过功率变换器实现AC到DC变换；

反向逆变时，即DC到AC变换，保持常闭开关器件Relay4处于吸合状态，断开除常闭开关器件Relay4外所有开关器件，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，吸合主开关器件Relay1和Relay2，实现DC到AC变换。

当交流电源类型为单相，且第一接线端子接单相交流火线L，第四接线端子接单相交流零 线时：

正向工作时，即AC到DC变换，火线L连接第一接线端子通过软起电阻R1、软起常闭开关器件Relay11、常闭开关器件Relay4与第四接线端子形成回路给母线电容C4软起，母线电容C4软起结束后，吸合主开关器件Relay1，保持常闭开关器件Relay4处于吸合状态，主开关器件Relay2和Relay3处于脱扣状态，第一接线端子和第四接线端子通过功率变换器实现AC到DC变换；反向逆变时，即DC到AC变换，保持常闭开关器件Relay4处于吸合状态， 断开除常闭开关器件Relay4外所有开关器件，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，吸合主开关器件Relay1，实现DC到AC变换。

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，能有效扩展 电路的使用范围，方便用户使用，降低成本；本发明的电路控制方法中，当交流电源的连接方 式为三相三线制时，断开常闭开关器件Relay4，使得N线不带电，安全性能更好。

附图说明

图1是现有单相双向ACDC电路结构图；

图2是现有三相双向ACDC电路结构图；

图3是本发明兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路结构图；

图4是图3工作于单相状态时的电路结构图；

图5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，本发明中功率变换器为三相三桥臂PWM变换器，共有六个开关管组成，两 个开关管串联形成一个桥臂，组成的三个桥臂之间并联；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，三个桥臂之间并联且 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之间的主开关器件Relay1 (即第一开关器件)、连接在第二接线端子B与第二电感L2之间的主开关器件Relay2(即第 二开关器件)以及连接在第三接线端子C与第三电感L3之间的主开关器件Relay3(即第三开 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连接至主开关器件 Relay1和第一电感L1之间、主开关器件Relay2和第二电感L2之间以及主开关器件Relay3和 第三电感L3之间；第四接线端子N连接至常闭开关器件Relay4(即第四开关器件)，常闭开 关器件Relay4直接连接或通过第三电感L3连接至功率变换器第三桥臂中点。

在图3所示的实施例中，常闭开关器件Relay4直接连接至功率变换器第三桥臂中点，主 开关器件Relay1和Relay2上分别并联有第一软起电路和第二软起电路，第一软起电路由软起 常闭开关器件Relay11和软起电阻R1串联而成，第二软起电路由软起常闭开关器件Relay21 和软起电阻R2串联而成，本实施例电路的控制方法如下：

通过检测A，B，C三个接线端子对N的电压幅值和相位判断此时交流电源类型：

当交流电源为三相四线制时，即A，B和C三个接线端子分别连接三相火线，N接中线；

当正向工作(即AC到DC变换)时，AB两相通过软起电阻R1和R2和软起常闭开关器件Relay11和Relay21和N线的常闭开关器件Relay4形成回路给母线电容C4软起，母线电容C4软起结束后，断开N线常闭开关器件Relay4，吸合A、B和C三线路的主开关器件Relay1，Relay2和Relay3；之后通过功率变换器完成AC到DC变换，如图3所示，功率变换器为三相 三桥臂PWM变换器，共有六个开关管组成，两个开关管串联形成一个桥臂，组成的三个桥臂 之间并联。

当反向工作(即DC到AC变换)时，先断开所有开关器件，待三相三桥臂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和C三线路的主开关器件Relay1，Relay2和Relay3实现DC到AC变换。

当交流电源为三相三线制时，即A、B和C三个接线端子分别接三相火线，N悬空不接：

正向工作时(即AC到DC变换)，AB两相通过软起电阻R1和R2和软起常闭开关器件Relay11和Relay21形成回路给母线电容C4软起，母线电容C4软起结束后，断开N线常闭开关器件Relay4，吸合A、B和C三线路的主开关器件Relay1，Relay2和Relay3，之后通过三 相六桥臂PWM整流完成AC到DC变换；需要说明的是，在上述控制中，断开N线常闭开关 器件Relay4之后N线不带电，具有更好的安全性能，当然也可以根据实际情况选择不断开N 线。

反向工作(即DC到AC变换)时，先断开所有开关器件，待三相三桥臂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和C三线路的主开关器件Relay1，Relay2和Relay3实现DC到AC变换。

上述实施例中，三相三线制与三相四线制两种方式下正向工作(即AC到DC变换)的区 别仅是软启动回路不同，软启动完成后三相工作方式如图2所示。

图3中，当交流电源为单相时，A、B和C三个接线端子均接单相交流火线L，N接单相交流零线：

当正向工作(即AC到DC变换)时，火线L通过软起电阻R1和R2、软起常闭开关器件Relay11和Relay21和N线的常闭开关器件Relay4形成回路给母线电容C4软起，母线电容C4软起结束后，吸合主开关器件Relay1和Relay2，保持N线常闭开关器件Relay4处于吸合状态， C路Relay3处于脱扣状态，A、B两路和N通过三相三桥臂PWM变换器实现全桥交错PFC 的AC到DC变换，该工作方式如图4所示。

反向逆变(即DC-AC)时，保持N线的Relay4开关器件处于吸合状态，断开除Relay4外所有开关器件，待软件完成逆变软起后，吸合主开关器件Relay1和Relay2，实现DC到AC变换。

图3中，当交流电源为单相且A接单相交流火线L，N接单相交流零线，通过检测A、B、C三个接线端子对N的电压幅值和相位判断此时交流电源为单相，正向工作(即AC-DC)时，火线通过软起电阻R1、软起常闭开关器件Relay11和N线的常闭开关器件Relay4形成回路给母线电容C4软起，母线电容C4软起结束后，吸合A路主开关器件Relay1，保持N线常闭开 关器件Relay4处于吸合状态，主开关器件Relay2和Relay3处于脱扣状态，A路和N路通过 三相三桥臂PWM变换器的Q1、Q2、Q5和Q6实现全桥PFC的AC到DC变换。该工作方式 如图1所示。

反向逆变(DC-AC)时，保持N线的常闭开关器件Relay4开关器件处于吸合状态，断开 其余所有开关器件，待软件完成逆变软起后，吸合A路主开关器件Relay1，实现DC到AC变换。

图5是本发明的另一种实施例，和图3的区别是常闭开关器件Relay4的位置不同，在图5 所示的实施例中，常闭开关器件Relay4通过第三电感L3连接至功率变换器第三桥臂中点，影 响的效果是单相工作时正向PFC电感(反向逆变电感)为电感串联(即第一电感L1和第二电 感L2交错后与第三电感L3串联)，电感感量变大，相比图3而言电感纹波电流变小，输入THDi 指标变好，控制方式和图3完全一致，在此不再赘述。

Claims (10)

1.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，三个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之间的第一开关器件、连接在第二接线端子与第二电感L2之间的第二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连接至第一开关器件和第一电感L1之间、第二开关器件和第二电感L2之间以及第三开关器件和第三电感L3之间；

第四接线端子连接至第四开关器件，第四开关器件直接连接或通过第三电感L3连接至功率变换器第三桥臂中点。

2.根据权利要求1所述的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。

3.根据权利要求1或2所述的兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路，其特征在于，第一开关器件并联有第一软起电路和/或第二开关器件上并联有第二软起电路。

4.根据权利要求3所述的兼容三相和单相交流电源的双向ACDC电路，其特征在于，所述软起电路包括串联的电阻和软起开关器件。

5.根据权利要求1至4任一项所述的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，根据交流电源类型控制开关器件的开关实现母线电容C4的软起，软起之后控制开关器件的开关实现通过功率变换器完成AC到DC变换；当反向逆变时，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，控制相应开关器件的开关实现AC输出，从而实现DC到AC变换；

所述开关器件包括主开关器件和软起开关器件，所述主开关器件包括第一开关器件，第二开关器件，第三开关器件以及第四开关器件。

6.根据权利要求5所述的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，当交流电源类型为三相四线制时，即第一、第二和第三接线端子各连接三相火线中一相，第四接线端子接中线；正向工作时，即AC到DC变换时，第一和第二接线端子分别通过各自连接的软起电路与母线电容C4接通，母线电容C4通过常闭开关器件Relay4与第四接线端子接通，对母线电容C4软起，母线电容C4软起结束后，断开第四接线端子与母线电容C4之间的常闭开关器件Relay4，吸合连接在母线电容C4与第一接线端子之间的主开关器件Relay1、连接在母线电容C4与第二接线端子之间的主开关器件Relay2以及连接在母线电容C4与第三接线端子之间的主开关器件Relay3，使第一、第二和第三接线端子与母线电容C4直接连通，然后通过功率变换器完成AC到DC变换；反向工作时，即DC到AC变换时，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，吸合主开关器件Relay1、Relay2以及Relay3实现DC到AC变换。

7.根据权利要求5所述的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，当交流电源类型为三相三线制时，即第一、第二和第三接线端子各连接三相火线中一相，第四接线端子悬空不接：正向工作时，即AC到DC变换，第一和第二接线端子分别通过各自连接的软起电路与母线电容C4连通从而形成回路给母线电容C4软起，母线电容C4软起结束后，吸合连接在母线电容C4与第一接线端子之间的主开关器件Relay1、连接在母线电容C4与第二接线端子之间的主开关器件Relay2以及连接在母线电容C4与第三接线端子之间的主开关器件Relay3使第一、第二和第三接线端子与母线电容C4直接连通，然后通过功率变换器整流完成AC到DC变换；反向工作时，即DC到AC变换时，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，吸合主开关器件Relay1、Relay2以及Relay3实现DC到AC变换。

8.根据权利要求7所述的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，正向工作时，在母线电容C4软起结束后，还断开第四接线端子与母线电容C4之间的常闭开关器件Relay4。

9.根据权利要求5所述的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，当交流电源类型为单相，且第一、第二和第三接线端子均接单相交流火线L，第四接线端子接单相交流零线时：

正向工作时，即AC到DC变换，火线L通过软起电阻R1和R2、以及软起常闭开关器件Relay11和Relay21、以及常闭开关器件Relay4连接第四接线端子形成回路给母线电容C4软起，母线电容C4软起结束后，吸合连接在母线电容C4和第一接线端子之间的主开关器件Relay1和连接在母线电容C4和第二接线端子之间的主开关器件Relay2，保持连接在母线电容C4和第四接线端子之间的常闭开关器件Relay4处于吸合状态，接在母线电容C4和第三接线端子之间的主开关器件Relay3处于脱扣状态，第一接线端子、第二接线端子两路以及第四接线端子通过功率变换器实现AC到DC变换；

反向逆变时，即DC到AC变换，保持常闭开关器件Relay4处于吸合状态，断开除常闭开关器件Relay4外所有开关器件，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，吸合主开关器件Relay1和Relay2，实现DC到AC变换。

10.根据权利要求5所述的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，当交流电源类型为单相，且第一接线端子接单相交流火线L，第四接线端子接单相交流零线时：

正向工作时，即AC到DC变换，火线L连接第一接线端子通过软起电阻R1、软起常闭开关器件Relay11、常闭开关器件Relay4与第四接线端子形成回路给母线电容C4软起，母线电容C4软起结束后，吸合主开关器件Relay1，保持常闭开关器件Relay4处于吸合状态，主开关器件Relay2和Relay3处于脱扣状态，第一接线端子和第四接线端子通过功率变换器实现AC到DC变换；反向逆变时，即DC到AC变换，保持常闭开关器件Relay4处于吸合状态，断开除常闭开关器件Relay4外所有开关器件，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，吸合主开关器件Relay1，实现DC到AC变换。