CN113824334B - Ac/dc/dc复合三端口变换电路及逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种AC/DC/DC复合三端口变换电路及逆变器。本发明中第一原边绕组、第二原边绕组及第三原边绕组采用Y型接线方式，其各相对应的同名端均与电网相连。第一三相绕组的同名端、第二三相绕组同名端及第三三相绕组的同名端相连形成中性点。第四三相绕组的异名端端与第二三相绕组的异名端相连，第五三相绕组的异名端与第三三相绕组的异名端相连，第六三相绕组的异名端与第一三相绕组的异名端相连。第四三相绕组的同名端、第五三相绕组的同名端及第六三相绕组的同名端均与三相全桥整流电路连接。副边绕组在通过中性点输入的同相位直流电流时，本发明技术方案在电感产生功率损耗小，发热程度小，提高了安全性。

Description

AC/DC/DC复合三端口变换电路及逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及AC/DC/DC复合三端口变换电路及逆变器。
背景技术
经济与社会的发展，促使人类对能源的需求不断增长，新能源的开发与广泛使用已成为电网能源发展的热点。新能源的接入，带动了直流电网的发展，交流电网与直流电网的能量流动需要电力电子设备的投入。同时在储能技术的不断发展下，在进行能量转换中电力电子设备可通过储能装置实现电能利用率的提高，功率流动稳定性的提升。逆变器拓扑，能够在电网负荷过高时，由储能装置向电网馈电；而当电网负荷低时，用来存储电网过剩的发电量，实现电网能量传输的稳定。
现有技术中，逆变器拓扑多采用三端口变换器拓扑，该拓扑分为多级变换拓扑和复合拓扑。多级变换拓扑中，常见为AC/DC/DC变换，基于三端口H桥的双向AC/DC/DC变换器，其直流侧低电压端口所连的两个电感通过相位相反的交流电流大，导致电感产生功率损耗，其发热程度大，安全性不高。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供AC/DC/DC复合三端口变换电路及逆变器，旨在解决现有技术中变换器拓扑的性能较差的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种AC/DC/DC复合三端口变换电路，所述AC/DC/DC复合三端口变换电路包括含曲折接线的变压器及三相全桥整流电路；所述含曲折接线的变压器包括一个原边绕组、第一副边绕组及第二副边绕组；
所述原边绕组包括第一原边绕组、第二原边绕组及第三原边绕组，第一原边绕组、第二原边绕组及第三原边绕组采用Y型接线方式，其各相对应的同名端均与电网相连；
第一副边绕组包括第一三相绕组、第二三相绕组及第三三相绕组，第一三相绕组的同名端、第二三相绕组同名端及第三三相绕组的同名端相连形成中性点；
第二个副边绕组包括第四三相绕组、第五三相绕组、第六三相绕组，第四三相绕组的异名端端与第二三相绕组的异名端相连，第五三相绕组的异名端与第三三相绕组的异名端相连，第六三相绕组的异名端与第一三相绕组的异名端相连；
所述第四三相绕组的同名端、第五三相绕组的同名端及第六三相绕组的同名端均与所述三相全桥整流电路连接。
优选地，所述三相全桥整流电路包括一个交流端口及一个直流端口；所述交流端口与含曲折接线的变压器相连。
优选地，所述三相全桥整流电路的a相线路的并网电感与所述第四三相绕组的同名端相连，b相线路的并网电感与第五三相绕组的同名端相连，c相线路的并网电感与所述第六三相绕组的同名端相连。
优选地，所述三相全桥整流电路包括第一滤波电容及三相H桥，所述第一滤波电容与负载并联；所述直流端口通过过三相H桥与交流端口相连。
优选地，所述三相全桥整流电路还包括滤波电感，所述直流端口与滤波电感的第一端相连，所述滤波电感的第二端与含曲折接线的变压器副边绕组的中性点相连。
优选地，所述三相全桥整流电路包括PWM生成器，所述PWM生成器对电网输出三相电压与三相电流进行PARK变换，得到两相同步旋转坐标系下的d轴电压与q轴电压，及d轴电流及q轴电流；
获取直流端口电压参考值及直流端口电压，将直流端口电压参考值与直流端口电压相减，其差值输入电压环比例积分控制器，得到d轴电流参考值；
将d轴电流参考值与d轴电流相减，其差值输入电流环比例积分控制器，控制器输出积分值与d轴电压、角速度与并网电感的乘积及q轴电流的乘积相减的负值输出为d轴电压参考值；
将q轴电流参考值与q轴电流相减，其差值输入电流环比例积分控制器，控制器输出积分值、角速度与并网电感的乘积及d轴电流的乘积相加的负值输出为q轴电压参考值；
将d轴电压参考值与q轴电压参考值进行反PARK变换，输出三相电压参考值；
优选地，所述PWM生成器设定直流端口的输出功率参考值，将中性点直流端口的输出电压与输出电流相乘得到输出功率；
将所述输出功率减去输出功率参考值得到功率差值，将差值输入功率比例积分控制器输出直流端口的输出电流参考值；
将输出电流参考值与中性点输出电流相减，其差值输入直流电流环比例积分控制器得到调制电压偏移量；
将电压电流双环输出的输出三相电压值分别加上调制电压偏移量，得到最终的调制电压；
根据调制电压形成PWM信号，对三相全桥进行控制。
为实现上述目的，本发明还提出一种逆变器，所述逆变器包括如上所述的AC/DC/DC复合三端口变换电路。
本发明AC/DC/DC复合三端口变换电路包括含曲折接线的变压器及三相全桥整流电路；含曲折接线的变压器包括一个原边绕组、第一副边绕组及第二副边绕组。原边绕组包括第一原边绕组、第二原边绕组及第三原边绕组，第一原边绕组、第二原边绕组及第三原边绕组采用Y型接线方式，其各相对应的同名端均与电网相连。第一副边绕组包括第一三相绕组、第二三相绕组及第三三相绕组，第一三相绕组的同名端、第二三相绕组同名端及第三三相绕组的同名端相连形成中性点。第二个副边绕组包括第四三相绕组、第五三相绕组、第六三相绕组，第四三相绕组的异名端端与第二三相绕组的异名端相连，第五三相绕组的异名端与第三三相绕组的异名端相连，第六三相绕组的异名端与第一三相绕组的异名端相连。第四三相绕组的同名端、第五三相绕组的同名端及第六三相绕组的同名端均与三相全桥整流电路连接。副边绕组在通过中性点输入的同相位直流电流时，同一相的两个绕组都通过相等的直流电流，在一根铁芯上产生大小相同，方向相反的两个直流磁通，两个磁通互相抵消，因此会抵消直流电流产生的直流磁通，从而降低了铁芯饱和程度，从而在电感产生功率损耗小，发热程度小，提高了安全性。
附图说明
图1为本发明AC/DC/DC复合三端口变换电路第一实施例的框图；
图2为本发明AC/DC/DC复合三端口变换电路第一实施例的结构示意图；
图3为本发明AC/DC/DC复合三端口变换电路第一实施例的控制框图；
图4为本发明AC/DC/DC复合三端口变换电路稳定运行下直流端口电压波形；
图5为本发明AC/DC/DC复合三端口变换电路稳定运行下中性点直流端口电流波形；
图6为本发明AC/DC/DC复合三端口变换电路稳定运行下变压器二次侧电压电流波形；
图7为本发明AC/DC/DC复合三端口变换电路稳定运行下变压器磁化电流波形。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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。
下面结合图1-图7描述本发明的技术方案。
参照图1及图2，所述AC/DC/DC复合三端口变换电路包括含曲折接线的变压器及三相全桥整流电路；所述含曲折接线的变压器包括一个原边绕组、第一副边绕组及第二副边绕组；
所述原边绕组包括第一原边绕组A、第二原边绕组B及第三原边绕组C，第一原边绕组A、第二原边绕组B及第三原边绕组C采用Y型接线方式，其各相对应的同名端均与220V电网相连。
第一副边绕组包括第一三相绕组、第二三相绕组及第三三相绕组，第一三相绕组的同名端a1p、第二三相绕组同名端b1p及第三三相绕组的同名端c1p相连形成中性点；
第二个副边绕组包括第四三相绕组、第五三相绕组、第六三相绕组，第四三相绕组的异名端端a2n与第二三相绕组的异名端b1n相连，第五三相绕组的异名端b2n与第三三相绕组的异名端c1n相连，第六三相绕组的异名端c2n与第一三相绕组的异名端a1n相连；
所述第四三相绕组的同名端a2p、第五三相绕组的同名端b2p及第六三相绕组的同名端c2p均与所述三相全桥整流电路连接。
值得说明的是，本实施例中三相H桥中包括6个IGBT开关管(Q1～Q6)与6个二极管(D1～D6)；开关管Q1与Q2组成a相桥臂，Q1的源极与Q2的漏极相连，并与a相并网电感、二极管D1的正极、二极管D2的负极相连，Q1的漏极与D1的负极、直流端口的正极相连，Q2的源极与D2的正极、直流端口的负极相连；开关管Q3与Q4组成b相桥臂，Q3的源极与Q4的漏极相连，并与b相并网电感、二极管D3的正极、二极管D4的负极相连，Q3的漏极与D3的负极、直流端口的正极相连，Q4的源极与D4的正极、直流端口的负极相连；开关管Q5与Q6组成c相桥臂，Q5的源极与Q6的漏极相连，并与c相并网电感、二极管D5的正极、二极管D6的负极相连，Q5的漏极与D5的负极、直流端口的正极相连，Q6的源极与D6的正极、直流端口的负极相连。
进一地，所述三相全桥整流电路包括一个交流端口及一个直流端口；所述交流端口与含曲折接线的变压器相连。
进一步地，所述三相全桥整流电路的a相线路的并网电感与所述第四三相绕组a2的同名端a2p相连，b相线路的并网电感与第五三相绕组b2的同名端b2p相连，c相线路的并网电感与所述第六三相绕组c2的同名端c2p相连。
进一步地，所述三相全桥整流电路包括第一滤波电容及三相H桥，所述第一滤波电容与负载并联；所述直流端口通过过三相H桥与交流端口相连。
进一步地，所述三相全桥整流电路还包括滤波电感Ld2，所述直流端口与滤波电感Ld2的第一端相连，所述滤波电感Ld2的第二端与含曲折接线的变压器副边绕组的中性点相连。
三相全桥整流电路交流端口输出三相电压为：ua、ub、uc；三相全桥整流电路交流端口输入三相电流为：ia、ib、ic；变压器副边端口输出三相电压为：ea、eb、ec；整流电路直流端口输出电压为：Ud1；三相全桥整流电路直流端口输出电流为：Id1；中性点直流端口输出电压为：Ud2；中性点直流端口输出电流为：Id2；三相全桥整流电路交流端口至直流端口的电能转换形式为三相H桥整流拓扑。
参照图3，进一步，所述三相全桥整流电路包括PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)生成器，所述PWM生成器对电网输出三相电压与三相电流进行PARK(Park'sTransformation，派克变换)变换，得到两相同步旋转坐标系下的d轴电压ed与q轴电压eq，及d轴电流id及q轴电流iq；
获取直流端口电压参考值及直流端口电压Ud1，将直流端口电压参考值/>与直流端口电压Ud1相减，其差值输入电压环比例积分控制器输，得到d轴电流参考值/>
将d轴电流参考值与d轴电流id相减，其差值输入电流环比例积分控制器，控制器输出积分值ed与d轴电压、角速度与并网电感乘积ωL及q轴电流iq的乘积相减的负值输出为d轴电压参考值/>
将q轴电流参考值与q轴电流相减iq，其差值输入电流环比例积分控制器，控制器输出积分值eq、角速度与并网电感乘积ωL及d轴电流id的乘积相加的负值输出为q轴电压参考值Uq；
将d轴电压参考值与q轴电压参考值/>进行反PARK变换，输出三相电压参考值
进一步地，所述PWM生成器设定直流端口的输出功率参考值P2ref，将中性点直流端口的输出电压Ud2与输出电流Id2相乘得到输出功率P2；
将所述输出功率P2减去输出功率参考值P2ref得到功率差值，将差值输入功率比例积分控制器输出直流端口的输出电流参考值Id2_ref；
将输出电流参考值Id2_ref与中性点输出电流Id2相减，其差值输入直流电流环比例积分控制器得到调制电压偏移量U0；
将电压电流双环输出的输出三相电压值分别加上调制电压偏移量U0，得到最终的调制电压；
根据调制电压形成PWM信号，对三相全桥进行控制。
本发明技术方案中AC/DC/DC复合三端口变换电路结构简单，开关器件复用率高，能有效抑制交流环流，同时还消除了变压器铁芯的直流励磁分量，从而减小变压器的功率损耗，降低了铁芯饱和程度，加强了主电路的安全稳定性。
下面进一步地运用MATLAB/Simulink仿真实验平台对本发明技术方案进行验证，仿真结果如图4～图7所示。
验证并网运行，600V交流电网通过变比为600/120/120的曲折变压器与交流端口相连，直流侧端口的电压控制为600V，并接上10Ω电阻，中性点直流端口接300V直流电源，设定输出功率为12kW，开关频率为30kHz。并网运行期间1s后，该拓扑在0.9s至1s间稳态运行下的相关波形如下：直流侧电压波形如图4、中性点电流波形如图5、变压器二次侧电流波形如图6、变压器磁化电流波形如图7。
参照图4，在稳定运行后，直流侧电压稳定在600V，纹波电压仅为0.5V，说明该拓扑电压控制有效，负载功率稳定在36kW。参照图5，中性点直流端口输出固定功率12kW，输出电流稳定在40A，纹波电流为0.5A，说明该拓扑能控制该侧功率输入输出。
参照图6，二次侧交流电流交流分量95A，直流分量13.3A，说明二次侧交流电流在控制下谐波含量小，并且在中性点直流端口的输入下有一定直流偏移，能够实现两个直流端口的功率流动；同时三个绕组的内部电流仅有很小的环流分量，主要都是同方向的直流分量，说明变压器内部环流分量受到了抑制，验证了该拓扑抑制该绕组内部中交流电流分量的效果。
参照图7，磁化电流很小，且直流分量为0，说明铁芯内部的直流分量已经被抵消，验证了该拓扑消除铁芯中直流磁通的能力，降低了铁芯饱和程度的效果
为实现上述目的，本发明还提出一种逆变器，所述逆变器包括如上所述的AC/DC/DC复合三端口变换电路。该逆变器带有储能功能，由于该逆变器包含有AC/DC/DC复合三端口变换电路所有的技术特征，其所带来的有益效果参照上述AC/DC/DC复合三端口变换电路的有益效果，此处不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词解释为名称。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种AC/DC/DC复合三端口变换电路，其特征在于，所述AC/DC/DC复合三端口变换电路包括：含曲折接线的变压器及三相全桥整流电路；所述含曲折接线的变压器包括一个原边绕组、第一副边绕组及第二副边绕组；
所述原边绕组包括第一原边绕组、第二原边绕组及第三原边绕组，第一原边绕组、第二原边绕组及第三原边绕组采用Y型接线方式，其各相对应的同名端均与电网相连；
第一副边绕组包括第一三相绕组、第二三相绕组及第三三相绕组，第一三相绕组的同名端、第二三相绕组同名端及第三三相绕组的同名端相连形成中性点；
第二个副边绕组包括第四三相绕组、第五三相绕组、第六三相绕组，第四三相绕组的异名端端与第三三相绕组的异名端相连，第五三相绕组的异名端与第一三相绕组的异名端相连，第六三相绕组的异名端与第二三相绕组的异名端相连；
所述第四三相绕组的同名端、第五三相绕组的同名端及第六三相绕组的同名端均与所述三相全桥整流电路连接；
其中，所述三相全桥整流电路包括PWM生成器，所述PWM生成器对电网输出三相电压与三相电流进行PARK变换，得到两相同步旋转坐标系下的d轴电压与q轴电压，及d轴电流及q轴电流；
获取直流端口电压参考值及直流端口电压，将直流端口电压参考值与直流端口电压相减，其差值输入电压环比例积分控制器，得到d轴电流参考值；
将d轴电流参考值与d轴电流相减，其差值输入电流环比例积分控制器，控制器输出积分值与d轴电压、角速度与并网电感乘积及q轴电流的乘积相减的负值输出为d轴电压参考值；
将q轴电流参考值与q轴电流相减，其差值输入电流环比例积分控制器，控制器输出积分值、角速度与并网电感及d轴电流的乘积相加的负值与q轴电压做和，输出为q轴电压参考值；
将d轴电压参考值与q轴电压参考值进行反PARK变换，输出三相电压参考值；
所述PWM生成器设定中性点直流端口的输出功率参考值，将中性点直流端口的输出电压与输出电流相乘得到输出功率；
将所述输出功率减去输出功率参考值得到功率差值，将差值输入功率比例积分控制器输出中性点直流端口的输出电流参考值；
将输出电流参考值与中性点输出电流相减，其差值输入直流电流环比例积分控制器得到调制电压偏移量；
将电压电流双环输出的三相电压参考值分别加上调制电压偏移量，得到最终的调制电压；
根据调制电压形成PWM信号，对三相全桥进行控制。
2.如权利要求1所述的AC/DC/DC复合三端口变换电路，其特征在于，所述三相全桥整流电路包括一个交流端口及一个直流端口；所述交流端口与含曲折接线的变压器相连。
3.如权利要求2所述的AC/DC/DC复合三端口变换电路，其特征在于，所述三相全桥整流电路的a相线路的并网电感与所述第四三相绕组的同名端相连，b相线路的并网电感与第五三相绕组的同名端相连，c相线路的并网电感与所述第六三相绕组的同名端相连。
4.如权利要求2所述的AC/DC/DC复合三端口变换电路，其特征在于，所述三相全桥整流电路包括第一滤波电容及三相H桥，所述第一滤波电容与负载并联；所述直流端口通过过三相H桥与交流端口相连。
5.如权利要求2所述的AC/DC/DC复合三端口变换电路，其特征在于，所述三相全桥整流电路还包括滤波电感，中性点直流端口与滤波电感的第一端相连，所述滤波电感的第二端与含曲折接线的变压器副边绕组的中性点相连。
6.一种逆变器，其特征在于，所述逆变器包括如权利要求1至5任意一项所述的AC/DC/DC复合三端口变换电路。
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