CN111682787A - 基于隔离变换器模块的单级式三相交直流变换器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于隔离变换器模块的单级式三相交直流变换器及方法，变换器由同一相内的n个隔离变换器子模块的输入侧依次相互串联、输出侧相互并联构成，其中每一相包括一个输入电感和n个隔离变换器子模块，n为正整数；隔离变换器子模块由依次相连的输入滤波电容、输入侧H桥电路、串联谐振电路、输出侧H桥电路和输出滤波电容组成，输入滤波电容用于滤除由开关管动作引起的高频电压分量；输入侧H桥电路用以给交流电流的流通提供路径，并且将输入工频交流电压变换为高频交流电压；输出侧H桥电路由4个开关管构成，用于将高频交流电压变换为直流电压；输出滤波电容用于将输出侧H桥电路中开关管动作带来的高频分量滤除。

Description

基于隔离变换器模块的单级式三相交直流变换器及方法
技术领域
本发明涉及三相交流变换为直流的功率变换器领域，特别是涉及一种基于隔离变换器模块的单级式三相交流-直流变换器及控制方法。
背景技术
智能配电网的发展，对电力系统的电能质量、稳定性及灵活性提出了更高的要求。当前交流配电网面临光伏、风电、分布式储能等新能源大量接入、用户侧需求多样化等挑战，因此，将中压交流电变为低压直流的AC/DC变换器设备得到了广泛关注。其中，面向智能配电网的电力电子变换器逐渐成为研究热点，通过电力电子器件和高频变压器实现隔离的AC/DC变换，并且具有高度的可控性和灵活性。
现有的应用于中压电网的交流-直流变换器通过AC/DC/DC两级式变换实现交直流转换，其中第一级通过H桥变换器将交流电压转换为直流电压，第二级利用高频变压器实现直流电压变换以及电气隔离功能，但第一级交直变换环节的直流输出端需要一个大容量电容提供电压支撑，占用体积较大，且不利于节省成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有两级式交流-直流变换器第一级直流端输出电容较大的不足，提供一种基于隔离变换器模块的单级式三相交流-直流变换器及控制方法，将两级变换方式变为单级变换，消除大容量电容，并且具备交流-直流功率变换、输入输出隔离、功率因数可控等功能，减小设备体积，节省成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于隔离变换器模块的单级式三相交直流变换器，由同一相内的n个隔离变换器子模块的输入侧依次相互串联、输出侧相互并联构成，其中每一相包括一个输入电感和n个矩阵变换器子模块，n为正整数；
隔离变换器子模块由依次相连的输入滤波电容、输入侧H桥电路、串联谐振电路、输出侧H桥电路和输出滤波电容组成，所述输入滤波电容用于滤除由开关管动作引起的高频电压分量；所述输入侧H桥电路中H桥的每个半桥臂均由两个开关管反向串联构成，用以给交流电流的流通提供路径，并且将输入工频交流电压变换为高频交流电压；所述串联谐振电路，由两个相同参数的谐振电容和一个高频变压器组成，两个谐振电容分别与高频变压器的初级绕组和次级绕组形成串联谐振，当电路的开关频率等于谐振频率时，能量将在谐振频率处进行传递；所述输出侧H桥电路由4个开关管构成，用于将高频交流电压变换为直流电压；所述输出滤波电容用于将输出侧H桥电路中开关管动作带来的高频分量滤除。
进一步的，所述开关管为带反向二极管的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)。
进一步的，所述输入侧H桥电路共包括八个开关管。
进一步的，包括以下步骤：
每个隔离变换器子模块的输入侧H桥电路的开关管以开关频率按规则交替导通，由此在输入侧H桥电路交流端口形成占空比为50％的高频方波电压，每一开关周期中高频方波电压的幅值等于当前时刻输入交流电压的幅值；从工频维度分析，各隔离变换器子模块输入侧H桥电路形成的高频方波电压幅值的包络线与其所在相隔离变换器子模块的输入交流电压相同。
每个隔离变换器子模块的串联谐振电路中高频变压器的初级和次级分别包含漏感，两个漏感分别与两个谐振电容形成串联谐振；令输入侧输出侧的开关管的开关频率与谐振频率相同，利用谐振技术使能量通过谐振频率进行传递；此外谐振电容消除了高频变压器两侧的直流成分；
每个隔离变换器子模块的输出侧H桥电路采用移相控制方式，两个桥臂的开关管以开关频率工作；同一桥臂的上下两个开关管开关信号互补，不同桥臂的开关管开通时刻相差有角度；输出侧H桥电路的交流端口处形成占空比按周期变换的高频电压，该高频电压幅值与输出直流电压幅值相同，并且该高频电压基波相位与输入侧H桥电路高频方波电压基波相位相同；通过调节输出侧H桥电路高频电压占空比，改变输出侧H桥高频电压基波幅值，从而改变输出直流电压的幅值及输入侧功率因数。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明采用两个IGBT开关管反向串联的半桥臂结构形成输入侧H桥实现交流-直流单级变换。与两级式交流-直流变换器相比，本发明取消了第一级直流输出电容，在满足交直流变换、输入输出隔离、功率因数可控等功能下，减小设备体积，提升了功率密度，降低变换器成本。
(2)本发明中隔离变换器子模块的级联结构使电路具有各子模块输入端口电压自动均衡特性，无需额外考虑电压平衡控制策略，降低控制复杂度。
(3)本发明工作于串联谐振状态，在进行能量传递的同时实现输入侧H桥开关管零电压开通和关断。高频变压器两侧的谐振电容消除了初级和次级的直流成分，防止变压器产生直流偏磁。
(4)本发明直流输出端并联，形成共同的直流母线，三相瞬时功率的二倍频分量互相抵消，直流电压只包含高频开关纹波，输出滤波电容只需选择满足输出高频纹波滤波要求的较小容值，在减小电容容量上具有优势。
附图说明
图1为本发明变换器拓扑结构、隔离变换器子模块电路结构；图中子模块即指隔离变换器子模块。
图2为本发明中隔离变换器子模块各开关管控制波形及谐振网络两端电压波形。
图3为本发明控制方法下a相第一个子模块一个开关周期内电路波形。
图4为本发明变换器闭环调节控制框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明基于隔离变换器模块的单级式三相交流-直流变换器拓扑结构及隔离变换器子模块电路结构。如图1所示，基于隔离变换器模块的单级式三相交流-直流变换器由同一相内n个隔离变换器子模块输入侧串联，所有隔离变换器子模块输出侧并联构成，其中每一相包含一个输入电感和n个隔离变换器子模块。输入电感对电路中的高频电流分量进行抑制，降低输入电流的高频谐波含量。级联结构消除了IGBT耐压水平的限制，使变换器满足高压交流下的应用需求。
多个隔离变换器子模块级联并且与输入电感串联形成单相交流-直流变换器，三个具有此结构的单相级联型交流-直流变换器连接于三相交流电网，构成三相交流-直流变换器。各相输入电感用于滤除开关管动作引起的高频电流分量。三相变换器中所有子模块输出侧并联，实现将三相高中压交流变换为低压直流。
每一个隔离变换器子模块包含交流输入滤波电容、输入侧H桥电路、串联谐振电路、输出侧H桥电路、输出滤波电容。本实施例中开关管为带反向二极管的IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。输入滤波电容用于滤除由开关管动作引起的高频电压分量；输入侧H桥电路包含8个开关管，H桥的每个半桥臂由两个开关管反向串联构成，用以给交流电流流通提供路径，并将输入的工频交流电压变换为高频交流电压；串联谐振电路具有两个同参数的谐振电容和一个高频变压器，两个谐振电容分别和高频变压器的初级绕组、次级绕组串联，电容与高频变压器的漏感形成谐振电路，用以传递能量；输出侧H桥电路由4个开关管构成，用于将高频交流电压变换为直流电压；输出滤波电容用于将输出侧H桥开关管动作带来的高频分量滤除，平稳输出直流电压。
具体的，每一个隔离变换器子模块输入侧H桥电路的8个开关管采用方波控制方式，各开关管以开关频率按特定规则导通，在各自输入侧H桥电路的交流端口形成占空比为50％的高频方波电压，该高频方波电压幅值等于输入交流电压瞬时值。从输入电压频率维度分析，该高频方波电压的幅值包络线呈正弦波形状，且与该子模块交流输入电压波形相同。
串联谐振网络包含两个相同参数的谐振电容和一个高频变压器。输入侧H桥电路交流端口、谐振电容、高频变压器初级绕组串联，高频变压器次级绕组、谐振电容、输出侧H桥电路交流端口串联。高频变压器的初次级绕组均具有漏感，该高频变压器的初级漏感与次级漏感分别与两个谐振电容形成串联谐振。令开关频率等于谐振频率，使变换器工作于谐振状态，高频变压器中流过近似于正弦波的高频谐振电流，实现输入侧到输出侧的能量传递。谐振工作状态使输入侧H桥电路的开关管工作于软开关。
每一个隔离变换器子模块输出侧H桥电路采用移相控制方式，其开关频率与输入侧H桥电路相同。通过改变移相角度，在输出侧H桥电路的交流端口形成占空比可变的高频电压，该高频电压幅值等于输出电压幅值。在一个开关频率范围内，该高频电压与输入侧H桥电路交流端口方波电压相位相同，占空比不同，通过控制输出侧H桥电路的交流端口高频电压的占空比，使隔离变换器子模块输出期望的直流电压。各子模块输出直流电压相同，经输出侧并联后，基于隔离变换器模块的单级式三相交流-直流变换器输出电压仍为期望值。
本发明基于隔离变换器模块的单级式三相交流-直流变换器控制方法，包括如下步骤：
步骤1：以a相第一个隔离变换器子模块为例，制定隔离变换器子模块输入侧H桥及输出侧H桥开关管导通规则。图2中所示为隔离变换器子模块各开关管控制波形及谐振网络两端电压波形。输入侧H桥采用方波控制方式，各开关管以开关频率进行动作，在交流输出端形成幅值随输入电压变化的高频电压，该高频电压占空比为50％。从输入交流电压的频率维度分析，输入侧H桥的高频方波电压包络线呈现正弦波形状。输出侧H桥采用移相控制方式，前后桥臂的上端开关管控制信号互差一个角度，下端开关管的控制信号与上端开关管信号互补，从而在输出侧H桥的交流输出端形成幅值固定，占空比变化的高频电压。设定开关频率等于串联谐振网络的谐振频率，根据电路参数，可确定系统开关频率为：
Figure BDA0002497112680000041
式中，fs为开关频率，fr为谐振频率，Lσ＝Lσ1+Lσ2，Lσ1为变压器初级漏感，Lσ2为变压器次级漏感，Cr＝Cr1Cr2/(Cr1+Cr2)，Cr1为变压器初级侧谐振电容，Cr2为变压器次级侧谐振电容。谐振状态下的电路特性可用基波分析法来分析，一个开关周期内，输入侧和输出侧H桥高频电压的基波分量相位相同。图3为所述控制方式下a相第一个子模块一个开关周期内电路波形。以a相第一个子模块为例，忽略电路损耗，输出直流电压Udc的表达式为：
Figure BDA0002497112680000051
式中，Udc为输出直流电压幅值，ua1为a相第一个子模块输入交流电压，RL为直流负载电阻，α为输出侧H桥两桥臂驱动信号移相角，0≤α＜π/2，R为线路电阻。
忽略线路电阻，则：
Figure BDA0002497112680000052
式中，Ua1为a相第一个子模块输入交流电压幅值，ω为输入交流电压角频率，t为时间。当输入电压不变时，调节α即可改变输出电压。若|sin(ωt)|＝cosα，则输出直流电压等于输入交流电压的幅值，即Udc＝Ua1。
步骤2：引入电压闭环调节，实现对输出直流电压的控制；引入功率因数闭环调节，实现交流输入端口功率因数可控。以a相第一个隔离变换器子模块为例，建立输出侧H桥两桥臂驱动信号移相角α与输出侧H桥方波电压占空比Da的关系：
Figure BDA0002497112680000053
Da随α的变化而变化，因此将对直流电压的调节转换为对Da的调节，进而建立Da与输出电压的关系：
Figure BDA0002497112680000054
式中，Da为a相输出侧H桥方波电压占空比，Ka为a相电压调节比，Ka＝Ua1/Udc，Ua1为a相第一个子模块输入交流电压幅值，Udc为输出直流电压幅值，ω为输入交流电压角频率，t为时间，γa为占空比相位补偿角度。图4为一个子模块的直流电压、功率因数闭环调节控制框图。直流电压调节器采用比例-积分(PI)调节器，控制器输出量为电压调节比Ka；功率因数调节器同样采用比例-积分(PI)调节器，输出量为占空比相位补偿角度γa，两个控制器输出量输入占空比产生器，最终获得开关管控制波形，输出期望的直流电压并使交流输入端口功率因数满足要求。
步骤3：经由n个隔离变换器子模块输入侧串联、输出侧并联构成的级联型单级式三相交流-直流变换器的b相、c相子模块控制方式与步骤2方式相同，电路的各子模块开关管开关频率相同。各相子模块的输入侧H桥交流端口形成的高频方波电压幅值包络线与所在相工频交流输入电压正弦波形同步变化，即各相波形互差2/3。输出侧H桥的占空比变化具有周期性，占空比变化的频率为2倍的输入电压频率，当各相占空比相位补偿角度为0时，占空比变化情况波形的相位与所在相交流输入电压正弦波形相位相同。由于各子模块输出侧并联，因此各子模块输出直流电压目标相同。以b相、c相第一个子模块为例，输出侧H桥占空比与输出电压关系为：
Figure BDA0002497112680000061
Figure BDA0002497112680000062
式中，Db为b相输出侧H桥方波电压占空比，Dc为c相输出侧H桥方波电压占空比，Kb为b相电压调节比，Kb＝Ub1/Udc，Ub1为b相第一个子模块输入交流电压幅值，Kc为c相电压调节比，Kc＝Uc1/Udc，Uc1为c相第一个子模块输入交流电压幅值，Udc为输出直流电压幅值，ω为输入交流电压角频率，t为时间，γb和γc分别为b相、c相占空比相位补偿角度。当三相输入电压是对称的正弦波时，输入电流也为三相对称，使三相功率因数满足要求的各相占空比相位补偿角度相同。当各子模块的参数相近时，基于隔离变换器模块的单级式三相交流-直流变换器具有输入电压自动均衡特性，因此同一相内各子模块的占空比调制波相同。此外，对称的三相电压电流所提供的总功率为一个恒定值，因此电路输出端是一个只包含高频开关纹波的直流电压，输出滤波电容只需选择较小的容值即可满足输出高频纹波的滤波要求。
该基于隔离变换器模块的单级式三相交流-直流变换器通过各相隔离变换器子模块的输入侧H桥电路的开关管将工频正弦交流电压转换为高频电压，经过串联谐振电路后，再通过输出侧H桥电路将高频电压转换为直流电压。
综上，本发明的基于隔离变换器模块的单级式三相交流-直流变换器，其各子模块只需一级AC/DC变换即可实现交流-直流能量传输，减少大容量直流电容的使用，减小设备体积，降低成本。本发明的控制方法使变换器输出稳定的直流电压，并且具有交流输入端功率因数控制功能。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于隔离变换器模块的单级式三相交直流变换器，其特征在于，由同一相内的n个隔离变换器子模块的输入侧依次相互串联、输出侧相互并联构成，其中每一相包括一个输入电感和n个隔离变换器子模块，n为正整数；
隔离变换器子模块由依次相连的输入滤波电容、输入侧H桥电路、串联谐振电路、输出侧H桥电路和输出滤波电容组成，所述输入滤波电容用于滤除由开关管动作引起的高频电压分量；所述输入侧H桥电路中H桥的每个半桥臂均由两个开关管反向串联构成，用以给交流电流的流通提供路径，并且将输入工频交流电压变换为高频交流电压；所述串联谐振电路，由两个相同参数的谐振电容和一个高频变压器组成，两个谐振电容分别与高频变压器的初级绕组和次级绕组形成串联谐振，当电路的开关频率等于谐振频率时，能量将在谐振频率处进行传递；所述输出侧H桥电路由4个开关管构成，用于将高频交流电压变换为直流电压；所述输出滤波电容用于将输出侧H桥电路中开关管动作带来的高频分量滤除。
2.根据权利要求1所述基于隔离变换器模块的单级式三相交直流变换器，其特征在于，所述开关管为带反向二极管的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。
3.根据权利要求1或2所述基于隔离变换器模块的单级式三相交直流变换器，其特征在于，所述输入侧H桥电路共包括八个开关管。
4.一种基于隔离变换器模块的单级式三相交直流变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
每个隔离变换器子模块的输入侧H桥电路的开关管以开关频率按规则交替导通，由此在输入侧H桥电路交流端口形成占空比为50％的高频方波电压，每一开关周期中高频方波电压的幅值等于当前时刻输入交流电压的幅值；从工频维度分析，各隔离变换器子模块输入侧H桥电路形成的高频方波电压幅值的包络线与其所在相隔离变换器子模块的输入交流电压相同。
每个隔离变换器子模块的串联谐振电路中高频变压器的初级和次级分别包含漏感，两个漏感分别与两个谐振电容形成串联谐振；令输入侧输出侧的开关管的开关频率与谐振频率相同，利用谐振技术使能量通过谐振频率进行传递；此外谐振电容消除了高频变压器两侧的直流成分；
每个隔离变换器子模块的输出侧H桥电路采用移相控制方式，两个桥臂的开关管以开关频率工作；同一桥臂的上下两个开关管开关信号互补，不同桥臂的开关管开通时刻相差有角度；输出侧H桥电路的交流端口处形成占空比按周期变换的高频电压，该高频电压幅值与输出直流电压幅值相同，并且该高频电压基波相位与输入侧H桥电路高频方波电压基波相位相同；通过调节输出侧H桥电路高频电压占空比，改变输出侧H桥高频电压基波幅值，从而改变输出直流电压的幅值及输入侧功率因数。
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