CN114006542A - 单极性调制全相角范围电力控制器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种单极性调制全相角范围电力控制器及其工作方法，包括三相输入变压模块、单极性桥式Buck交流单元电路模块；三相输入变压模块包括一个三相双绕组变压器，三相双绕组变压器中每相电压二次侧有两个相同的绕组；单极性桥式Buck交流单元电路模块包括两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路，两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路的输出端串联后连接原电网中，三相输入变压模块的两个相位相差120°的输出相电压分别连接两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路，通过调节相电压单极性桥式Buck交流单元电路的左桥臂和右桥臂的占空比状态实现输出电压幅值与相位的全相角范围调节。

Description

单极性调制全相角范围电力控制器及其工作方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域，更具体的，涉及单极性调制全相角范围电力控制器及其工作方法。
背景技术
随着城市经济的快速发展，对电能的需求也日益扩大，但受到城市规划以及地理环境的影响和制约，在城市中或者周边进行电网的改造和扩建也越来越难以实现。为此，互联电网的组建和特高压跨区域输电建设成为缓解电力需求的有效解决办法。但是，随着需求量的不断增加，输电网和配电网也会逐渐接近它的物理极限。因此如何合理的分配电网中的有功功率和无功功率来提高电网的利用率，是一个具有重要经济效益和社会意义的问题。
近年来，柔性交流传输系统（Flexble AC Transmission System,FACTS）技术被广泛研究，FACTS装置可以有效的增加电网的输电能力，提高电网的稳定性，它的主要功能包括无功补偿、电压控制、潮流控制等。但大多数FACTS装置只有一个控制自由度，不能对电网中的有功潮流和无功潮流同时分别进行控制，或由于采用大容量直流储能元件而导致设备故障率高、寿命周期短、维护费用高等诸多问题。
中国发明专利公布号为CN109088410A的一种相位360°正交型直接潮流控制器及其工作方法和中国发明专利公布号为CN109038593A的一种相位360°合成型直接潮流控制器及其工作方法，这两件专利虽然通过一级功率变换就可以分别控制有功潮流和无功潮流，但是都需要通过增设输入选择开关和输出选择开关，或者增加单相Buck交流变换电路数量来实现潮流控制器的输出电压相位360°调节，拓扑结构和控制策略相对复杂。
中国发明专利公布号为CN113258577B的双极性调制360°电力潮流控制器及其工作方法，这件专利虽然无需增设输入选择开关或增加单相Buck交流变换电路数量就可实现输出电压相位360°调节，但是其双极性Buck交流变换电路存在开关管耐压值大（为单相Buck交流变换电路的两倍）、变换器内部功率回路复杂和效率低、输入变压器的绕组数量多、输出滤波电感值大（同等条件下为单相Buck交流变换电路的四倍）等。
发明内容
为了解决上述至少一个技术问题，本发明提出了单极性调制全相角范围电力控制器及其工作方法。
本发明第一方面提供了一种单极性调制全相角范围电力控制器，包括：三相输入变压模块、单极性桥式Buck交流单元电路模块；其特征在于，
所述三相输入变压模块包括一个三相双绕组变压器，所述三相双绕组变压器中每相电压二次侧有两个相同的绕组；
所述单极性桥式Buck交流单元电路模块包括两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路，所述两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路的输出端串联后连接原电网中，
所述三相输入变压模块的两个相位相差120°的输出相电压分别连接两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路，通过分别调节两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路的左桥臂和右桥臂的占空比状态分别控制两个桥式Buck交流单元电路输出电压幅值和正负极性，实现输出电压幅值与相位的全相角范围调节。
本发明一个较佳实施例中，所述左桥臂包括左上桥臂和左下桥臂，所述右桥臂包括右下桥臂与右上桥臂，
当输出电压在正极性方向调节时，控制右下桥臂占空比恒为1，右上桥臂占空比恒为0，通过调节左桥臂的占空比进行调节输出电压幅值；或
当输出电压在负极性方向调节时，控制左下桥臂占空比恒为1，右上桥臂占空比恒为0，通过调节右桥臂的占空比进行调节输出电压幅值。
本发明一个较佳实施例中，所述单极性桥式Buck交流单元电路模块包括第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块、第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块和第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块，所述第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块、第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块和第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块均包括串联的两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路。
本发明一个较佳实施例中，所述第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块包括串联设置的B相单极性桥式Buck交流单元电路和C相单极性桥式Buck交流单元电路；所述第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块包括串联设置的C相单极性桥式Buck交流单元电路和A相单极性桥式Buck交流单元电路；所述第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块包括串联设置的A相单极性桥式Buck交流单元电路和B相单极性桥式Buck交流单元电路。
本发明一个较佳实施例中，所述第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端串联接入原电网A相中；所述第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端串联接入原电网B相中；所述第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端串联接入原电网C相中。
本发明一个较佳实施例中，单极性桥式Buck交流单元电路左桥臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；其中，第一开关管和第二开关管组成第一个四象限开关管；第三开关管和第四开关管组成第二个四象限开关管；
单极性桥式Buck交流单元电路右桥臂包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管；其中，第五开关管、第六开关管组成第三个四象限开关管；第七开关管和第八开关管组成第四个四象限开关管。
本发明一个较佳实施例中，所述三相双绕组变压器的一次侧为星型连接，其二次侧包括相电压输出绕组。
本发明一个较佳实施例中，所述三相双绕组变压器的一次侧的输入端并联接入所述原电网。
本发明一个较佳实施例中，还包括输出滤波模块，所述输出滤波模块包括第一输出滤波器、第二输出滤波器和第三输出滤波器，所述第一输出滤波器的输入端连接第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端；所述第二输出滤波器的输入端连接第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端；所述第三输出滤波器的输入端连接第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端。
本发明一个较佳实施例中，所述第一输出滤波器、第二输出滤波器和第三输出滤波器均包括输出滤波电感和输出滤波电容。
本发明第二方面还提供了一种电力控制器的工作方法，应用于单极性调制全相角范围电力控制器，包括以下步骤：
将三相输入变压模块的两个相位相差120°输出相电压分别连接两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路；
根据两个桥式Buck交流单元电路的右桥臂的开通关闭的状态，分别控制两个桥式Buck交流单元电路输出电压正负极性，使得输出电压在四个连续的区域内调节；
通过分别调节两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路左桥臂的占空比来调整电力控制器的输出电压幅值和相位角，以及控制右桥臂的导通与关断状态，使得控制器在四个连续的调节区间内调节，实现全相角范围内电力控制。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
（1）本发明将三相输入变压模块的两个相位相差120°的输出相电压分别连接相电压单极性桥式Buck交流单元电路，通过分别调节两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路左桥臂的占空比和右桥臂的导通状态，在不需要增设输入选择开关或输出选择开关或增加Buck交流单元电路数量的情况下，实现输出电压幅值与相位的全相角范围调节，以及实现单独或者同时调节有功功率和无功功率。
（2）本发明在使用同等耐压值的开关管的情况下，控制器最大输出是双极性调制360°电力潮流控制器最大输出电压的两倍，同时，输出滤波器电感值减小为四分之一，输入三相变压器二次侧绕组减少一半，功率传输回路更加直接简单，传输损耗也更小，控制更加简单，同时可以利用三相输电线中的自带的电感和线间电容进行滤波，而省去变换器的滤波器部分，简化了电路结构，更加安全可靠。
附图说明
图1是本发明实施例一的单极性调制全相角范围电力控制器的拓扑图。
图2是本发明实施例二的单极性调制全相角范围电力控制器的拓扑图。
图3是图1上第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块的结构示意图。
图4是本发明实施例一中调节范围Ⅰ示意图。
图5是本发明实施例一中调节范围Ⅱ示意图。
图6是本发明实施例一中调节范围Ⅲ示意图。
图7是本发明实施例一中调节范围Ⅳ示意图。
图8是本发明实施例一中全相角调节范围示意图。
图中
Figure 229122DEST_PATH_IMAGE001
表示原电网A相电压矢量,
Figure 66628DEST_PATH_IMAGE002
表示单极性调制全相角范围电力控制器输出A相补偿电压矢量，
Figure 632739DEST_PATH_IMAGE003
表示原电网A相电压
Figure 668828DEST_PATH_IMAGE004
串联单极性调制全相角范围电力控制器输出A相补偿电压
Figure 294981DEST_PATH_IMAGE005
后矢量合成得到的调节后电网A相电压矢量。附图中用矢量表示是为了表现出各电压之间的相角关系，而说明书中各电压使用标量即可。
Figure 869051DEST_PATH_IMAGE006
表示单极性调制全相角范围电力控制器输出A相补偿电压矢量
Figure 973273DEST_PATH_IMAGE007
与原电网A相电压矢量
Figure 129448DEST_PATH_IMAGE008
之间的相位角。
Figure 926503DEST_PATH_IMAGE009
表示调节后电网A相电压矢量
Figure 473022DEST_PATH_IMAGE010
与原电网A相电压矢量
Figure 646514DEST_PATH_IMAGE011
之间的相位角。
字母O、E、F、G、H、I、J、K、L用来表示各调节区间的具体范围，其中O-F-G-H连接所围成的区域为调节区间Ⅰ（ZoneⅠ）、O-H-I-J连接所围成的区域为调节区间Ⅱ（ZoneⅡ）、O-J-K-L连接所围成的区域为调节区间（Ⅲ）ZoneⅢ、O-L-E-F连接所围成的区域为调节区间（Ⅳ）Zone Ⅳ。
Figure 657195DEST_PATH_IMAGE012
分别为原电网A相电压、B相电压、C相电压；
Figure 625151DEST_PATH_IMAGE013
为原电网A相和B相间的线电压；
Figure 721283DEST_PATH_IMAGE014
为调节后电网A相和B相间的线电压，
Figure 852794DEST_PATH_IMAGE015
为调节后电网B相和C相间的线电压；
Figure 983561DEST_PATH_IMAGE016
为控制器Phase-a子模块输出的A相补偿电压，
Figure 122418DEST_PATH_IMAGE017
为控制器Phase-b子模块输出的B相补偿电压,
Figure 705846DEST_PATH_IMAGE018
为控制器Phase-c子模块输出的C相补偿电压；
Nia1、Nia2为输入变压器Ti的二次侧A相两个相同的输出绕组、Nib1、Nib2为输入变压器Ti的二次侧B相两个相同的输出绕组、Nic1、Nic2为输入变压器Ti的二次侧C相两个相同的输出绕组。
A0、B0、C0依次为三相输入变压器Ti与原电网A相、B相、C相的连接点，A1、A2为控制器Phase-a子模块与原电网A相串联的连接点、B1、B2为控制器Phase-b子模块与原电网B相串联的连接点、C1、C2为控制器Phase-c子模块与原电网C相串联的连接点。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
参见图1所示，一种单极性调制全相角范围电力控制器，该电力控制器的输入端并联接入原电网，电力控制器的输出端串联接入原电网。电力控制器包括三相输入变压模块、单极性桥式Buck交流单元电路模块、输出滤波模块。
单极性桥式Buck交流单元电路模块包括两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路，两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路的输出端串联后连接输出滤波模块的输入端，将三相输入变压模块的两个相位相差120°输出相电压分别连接相电压单极性桥式Buck交流单元电路并经过输出滤波模块实现输出电压幅值与相位的全相角范围调节。
其中，单极性桥式Buck交流单元电路模块包括第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-a、第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-b和第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-c，第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-a、第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-b和第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-c均包括串联的两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路。
具体的，第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-a包括串联设置的B相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1和C相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2；第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-b包括串联设置的C相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c1和A相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-a2；第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-c包括串联设置的A相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-a1和B相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b2。
具体的，B相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1的输出端与C相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2的输出端串联后经过第一输出滤波器连接到原电网A相中，C相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c1的输出端与A相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-a2的输出端串联后经过第二输出滤波器连接到原电网B相中，A相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-a1的输出端与B相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b2的输出端串联后经过第三输出滤波器连接到原电网C相中。
如图1所示，上述各个单极性桥式Buck交流单元电路子模块输出端连接输出滤波器后串联接入原电网中，滤波器用来滤与其连接的单极性桥式Buck交流单元电路子模块中因开关管高频通断产生的高频谐波分量。
上述技术方案中，三相输入变压模块包括双绕组三相输入变压器Ti1。双绕组三相输入变压器Ti1并联接入原电网，双绕组三相输入变压器Ti1的二次侧都带有两个相同的绕组。
双绕组三相输入变压器匝比为Ni。
具体的，双绕组三相输入变压器Ti1的一次侧为星型连接，二次侧包括A相输出绕组Na1和Na2、B相输出绕组Nb1和Nb2、C相输出绕组Nc1和Nc2。
双绕组三相输入变压器Ti1的B相输出绕组Nb1连接到单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1的输入端，C相输出绕组Nc2连接到单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2的输入端，C相输出绕组Nc1连接到相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c1的输入端, A相输出绕组Na2连接到A相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-a2的输入端，A相输出绕组Na1连接到单极性桥式Buck交流单元电路Buck-a1的输入端，B相输出绕组Nb2连接到单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b2的输入端。
下面对第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-a、第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-b以及第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-c的具体结构进行阐述。
请参阅图3所示，以Phase-a子模块为例，单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1左桥臂包括第一开关管Sa1-p、第二开关管Sa1-n、第三开关管Sa2-p和第四开关管Sa2-n。其中，第一开关管Sa1-p和第二开关管Sa1-n组成第一个四象限开关管Sa1；第三开关管Sa2-p和第四开关管Sa2-n组成第二个四象限开关管Sa2。第一开关管Sa1-p的发射极和第二开关管Sa1-n的发射极相连，第三开关管Sa2-p的发射极和第四开关管Sa2-n的发射极相连，第二开关管Sa1-n的集电极和第三开关管Sa2-p的集电极相连，第一开关管Sa1-p的集电极连接到三相输入变压器Ti1的B相输出绕组Nb1的第一输出端点，第四开关管Sa2-n的集电极连接到三相输入变压器Ti1的B相输出绕组Nb1的第二输出端点，第二开关管Sa1-n的集电极和第三开关管Sa2-p的集电极连接到第一输出滤波器的第一输出滤波电感L fa 的前端；单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1右桥臂包括第五开关管Sa3-p、第六开关管Sa3-n、第七开关管Sa4-p和第八开关管Sa4-n 。其中，第五开关管Sa3-p、第六开关管Sa3-n组成第三个四象限开关管Sa3；第七开关管Sa4-p和第八开关管Sa4-n组成第四个四象限开关管Sa4；第五开关管Sa3-p的发射极和第六开关管Sa3-n的发射极相连，第七开关管Sa4-p的发射极和第八开关管Sa4-n的发射极相连，第六开关管Sa3-n的集电极和第七开关管Sa4-p的集电极相连，第五开关管Sa3-p的集电极连接到三相输入变压器Ti1的B相输出绕组Nb1的第一输出端点，第八开关管Sa4-n的集电极连接到三相输入变压器Ti1的B相输出绕组Nb1的第二输出端点。单相桥式Buck交流变换电路Buck-c2左桥臂包括第九开关管Sa5-p、第十开关管Sa5-n、第十一开关管Sa6-p和第十二开关管Sa6-n。其中，第九开关管Sa5-p和第十开关管Sa5-n组成第五个四象限开关管Sa5；第十一开关管Sa6-p和第十二开关管Sa6-n组成第六个四象限开关管Sa6。第九开关管Sa5-p的发射极和第十开关管Sa5-n的发射极相连，第十一开关管Sa6-p的发射极和第十二开关管Sa6-n的发射极相连，第十开关管Sa5-n的集电极和第十一开关管Sa6-p的集电极相连，第九开关管Sa5-p的集电极连接到三相输入变压器Ti1的C相输出绕组Nc2的第一输出端点，第十二开关管Sa6-n的集电极连接到三相输入变压器Ti1的C相输出绕组Nc2的第二输出端点，第十开关管Sa5-n的集电极和第十一开关管Sa6-p的集电极连接到第六开关管Sa3-n的集电极和第七开关管Sa4-p的集电极。单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2右桥臂包括第十三开关管Sa7-p、第十四开关管Sa7-n、第十五开关管Sa8-p和第十六开关管Sa8-n 。其中，第十三开关管Sa7-p、第十四开关管Sa7-n组成第七个四象限开关管Sa7；第十五开关管Sa8-p和第十六开关管Sa8-n组成第八个四象限开关管Sa4；第十三开关管Sa7-p的发射极和第十四开关管Sa7-n的发射极相连，第十五开关管Sa8-p的发射极和第十六开关管Sa8-n的发射极相连，第十四开关管Sa7-n的集电极和第十五开关管Sa8-p的集电极相连，第十三开关管Sa7-p的集电极连接到三相输入变压器Ti1的C相输出绕组Nc2的第一输出端点，第十六开关管Sa8-n的集电极连接到三相输入变压器Ti1的C相输出绕组Nc2的第二输出端点。第十四开关管Sa7-n的集电极和第十五开关管Sa8-p的集电极连接到第一输出滤波电容的后端。
上述所用开关管均为IGBT开关管，然而本发明并不仅限于使用IGBT开关管，还可以用MOSFET开关管等进行替换，以MOSFET开关管为例，此时，MOSFET开关管的源极对应IGBT开关管的发射极，MOSFET开关管的漏极对应IGBT开关管的集电极。
关于第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-b以及第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-c的具体结构与第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-a的内部结构相同，其输入输出连接方式可以参照第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-a。
实施例二
本实施例是在上述实施例一的基础上进行的，本实施例与上述实施例相同之处不予赘述。
如图2所示，电力控制器串联入原电网后所连接的电感Lfa、Lfb、Lfc和线间电容Cfa、Cfb、Cfc是电网中输电线中所产生的等效电感和线间电容，无需额外增设，电网中输电线中所产生的等效电感和线间电容来进行滤波。
优选的，第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端串联接入原电网A相中；所述第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端串联接入原电网B相中；所述第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端串联接入原电网C相中。
可以理解的是，滤波电容模块可以去掉，用电网中输电线中所产生的等效电感和线间电容来进行滤波，在使用同等耐压值的开关管的情况下，控制器最大输出是双极性调制360°电力潮流控制器最大输出电压的两倍，同时，输出滤波器电感值减小为四分之一，输入三相变压器二次侧绕组减少一半，功率传输回路更加直接简单，传输损耗也更小，控制更加简单，同时可以利用三相输电线中所产生的等效电感和线间电容进行滤波，而省去变换器的滤波器部分，简化了电路结构，使得更加安全可靠。
综上，本发明将三相输入变压模块的两个相位相差120°的输出相电压分别连接到两个串联的单极性桥式Buck交流单元电路，通过分别调节单极性桥式Buck交流单元电路左桥臂开关管的占空比，以及分别调节单极性桥式Buck交流单元电路有桥臂开关管的导通与关断，在不需要增设输入选择开关或输出选择开关或增加Buck交流单元电路数量的情况下，实现输出电压幅值与相位的全相角范围调节，以及实现单独或者同时调节有功功率和无功功率，同时相比于双极性调制360°电力潮流控制器，本发明的在使用同等耐压值的开关管的情况下，控制器最大输出是双极性调制360°电力潮流控制器最大输出电压的两倍，同时，输出滤波器电感值减小为四分之一，输入三相变压器二次侧绕组减少一半，功率传输回路更加直接简单，传输损耗也更小，控制更加简单，同时由于滤波所需电感小，可以利用三相输电线中的所产生的等效电感和线间电容进行滤波，而省去变换器中的滤波器部分，简化了电路结构，使得更加安全可靠。
本发明还提供了一种电力控制器的工作方法，包括如下步骤：将三相输入变压模块的两个相位相差120°输出相电压分别连接两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路；
根据两个桥式Buck交流单元电路的左桥臂和右桥臂的占空比状态，可以分别控制两个桥式Buck交流单元电路输出电压幅值和正负极性，使得输出电压在四个连续的区域内调节；
通过分别调节两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路左桥臂的占空比和固定右桥臂的占空比恒为0或1，以及通过分别调节两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路右桥臂的占空比和固定左桥臂的占空比恒为0或1来调整电力控制器的输出电压幅值和相位角，使得控制器在四个连续的调节区间内调节，实现全相角范围内电力控制。
具体的，电力控制器工作时根据控制两个串联的单极性桥式Buck交流变换电路的左桥臂和右桥臂的占空比状态，可分为四个调节区间，当右下桥臂占空比恒为1（即恒导通），右上桥臂占空比恒为0（即恒关断）的时候，调节左桥臂的占空比，输出电压在正极性方向调节；当左下桥臂占空比恒为1（即恒导通），右上桥臂占空比恒为0（即恒关断）的时候，输出电压在负极性方向调节，所以每个桥式Buck交流单元有两个状态，两个桥式Buck交流单元串联就有四种组合，每个组合就是一个调节区间，这四个连续的调节区间组成电力控制器的全相角范围调节。具体实施如下：
1、当单极性调制全相角范围电力控制器工作在第Ⅰ区间时
当单极性调制全相角范围电力控制器工作在第Ⅰ区间时，以第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-a为例：单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1和单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2为例，设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1的左桥臂占空比为d a1，d a1在[0,1]范围内调节。设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1的右桥臂的占空比d a3等于0，即四象限开关管Sa3占空比为0（即Sa3恒关断），四象限开关管Sa4占空比为1（即Sa4恒导通）。设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2的左桥臂占空比为d a2，d a2在[0,1]范围内调节。设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2右桥臂的占空比d a4等于0，即四象限开关管Sa7占空比为0（即Sa7恒关断），四象限开关管Sa8占空比为1（即Sa8恒导通）。此时u oa在区间Ⅰ（Zone Ⅰ）范围内调节，调节范围如图4所示。
2、当单极性调制全相角范围电力控制器工作在第Ⅱ区间时
当单极性调制全相角范围电力控制器工作在第Ⅱ区间时，以第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-a为例：单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1和单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2为例，设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1右桥臂的占空比为d a3，d a3在[0,1]范围内调节。设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1的左桥臂的占空比d a1等于0，即四象限开关管Sa1占空比为0（即Sa1恒关断），四象限开关管Sa2占空比为1（即Sa2恒导通）。设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2左桥臂的占空比为d a2，d a2在[0,1]范围内调节。设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2右桥臂的占空比d a4等于0，即四象限开关管Sa7占空比为0（即Sa7恒关断），四象限开关管Sa8占空比为1（即Sa8恒导通）。此时u oa在区间Ⅱ（Zone Ⅱ）范围内调节，调节范围如图5所示。
3、当单极性调制全相角范围电力控制器工作在第Ⅲ区间时
当单极性调制全相角范围电力控制器工作在第Ⅲ区间时，以第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-a为例：单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1和单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2为例，设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1右桥臂的占空比为d a3，d a3在[0,1]范围内调节。设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1的左桥臂的占空比d a1等于0，即四象限开关管Sa1占空比为0（即Sa1恒关断），四象限开关管Sa2占空比为1（即Sa2恒导通）。设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2右桥臂的占空比为d a4，d a4在[0,1]范围内调节。设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2左桥臂的占空比d a2等于0，即四象限开关管Sa5占空比为0（即Sa5恒关断），四象限开关管Sa6占空比为1（即Sa6恒导通）。此时u oa在区间Ⅲ（Zone Ⅲ）范围内调节，调节范围如图6所示。
4、当单极性调制全相角范围电力控制器工作在第Ⅳ区间时
当单极性调制全相角范围电力控制器工作在第Ⅳ区间时，以第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-a为例：单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1和单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2为例，设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1的左桥臂占空比为d a1，d a1在[0,1]范围内调节。设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1的右桥臂的占空比d a3等于0，即四象限开关管Sa3占空比为0（即Sa3恒关断），四象限开关管Sa4占空比为1（即Sa4恒导通）。设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2右桥臂的占空比为d a4，d a4在[0,1]范围内调节。设置单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2左桥臂的占空比d a2等于0，即四象限开关管Sa5占空比为0（即Sa5恒关断），四象限开关管Sa6占空比为1（即Sa6恒导通）。此时u oa在区间Ⅳ（Zone Ⅳ）范围内调节，调节范围如图7所示。
电力控制器的四个调节区间是连续的，属于全相角范围调节。
具体地，如图8所示，当全相角范围内调节时，以第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-a为例，设单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1的输入电压为u ib1=U iB1sin(ωt+60°)，单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2的输入电压为u ic2=U iC2sin(ωt-60°)。若设单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1的左桥臂占空比d a1∈[0,1],右桥臂的占空比d a3为0，即四象限开关管Sa3占空比恒为0（即恒关断），四象限开关管Sa4 占空比恒为1（即恒导通），设单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2的左桥臂占空比d a2∈[0,1],右桥臂的占空比d a4为0，即四象限开关管Sa7占空比恒为0（即恒关断），四象限开关管Sa8 占空比恒为1（即恒导通）；此时u oa的相位在第一区间①内（O-F-G-H）；若设单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1的右桥臂占空比d a3∈[0,1],左桥臂的占空比d a1为0，即四象限开关管Sa1占空比恒为0（即恒关断），四象限开关管Sa2 占空比恒为1（即恒导通），设单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2的左桥臂占空比d a2∈[0,1],右桥臂的占空比d a4为0，即四象限开关管Sa7占空比恒为0（即恒关断），四象限开关管Sa8 占空比恒为1（即恒导通）；此时u oa的相位在第二区间②内（O-H-I-J）；若设单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1的右桥臂占空比d a3∈[0,1],左桥臂的占空比d a1为0，即四象限开关管Sa1占空比恒为0（即恒关断），四象限开关管Sa2 占空比恒为1（即恒导通），设单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2的右桥臂占空比d a4∈[0,1],左桥臂的占空比d a2为0，即四象限开关管Sa5占空比恒为0（即恒关断），四象限开关管Sa6 占空比恒为1（即恒导通）；此时u oa的相位在第三区间③内（O-J-K-L）；若设单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b1的左桥臂占空比d a1∈[0,1],右桥臂的占空比d a3为0，即四象限开关管Sa3占空比恒为0（即恒关断），四象限开关管Sa4 占空比恒为1（即恒导通），设单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2的右桥臂占空比d a4∈[0,1],左桥臂的占空比d a2为0，即四象限开关管Sa5占空比恒为0（即恒关断），四象限开关管Sa6 占空比恒为1（即恒导通）；此时u oa的相位在第四区间④内（O-L-E-F）；
关于第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-b以及第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-c的设置可以参照第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-a所述。其中，第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase中的C相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-c2的占空比为d c2，第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-b中的A相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-a2的占空比为d a2，第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-c中的A相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-a1的占空比为d a1，第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块Phase-c中的B相单极性桥式Buck交流单元电路Buck-b2的占空比为d b2。此时u oa、u ob、u oc都实现了全相角范围内的调节。
需要说明的是，本发明的电力控制器也可以通过控制左桥臂的占空比在[0,1]范围内变化来调节输出电压幅值，通过控制右桥臂的导通或关断的状态来控制输出电压的正负极性，使得控制器在四个连续的调节区间内调节，实现全相角范围内电力控制。上述左右桥臂的控制方式可以互换。
需要说明的是，在原电网输入电压三相平衡时，d a1= d b1= d c1、d a2= d b2= d c2；若原电网输入电压三相不平衡时，需要根据具体电压值和相位，计算出所需要的d a1、d b1、d c1、d a2、d b2、d c2；使得调整后的电网电压三相平衡。所以本电力控制器也具备调节三相电压不平衡下有功功率和无功功率的能力。
需要说明的是，第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块、第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块、第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端可以加上三相输出变压器串入电网，也直接串联入电网中，以此简化电路结构。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的上述实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种单极性调制全相角范围电力控制器，包括：三相输入变压模块、单极性桥式Buck交流单元电路模块；其特征在于，
所述三相输入变压模块包括一个三相双绕组变压器，所述三相双绕组变压器中每相电压二次侧有两个相同的绕组；
所述单极性桥式Buck交流单元电路模块包括两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路，所述两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路的输出端串联后连接原电网中，
所述三相输入变压模块的两个相位相差120°的输出相电压分别连接两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路，通过分别调节两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路的左桥臂和右桥臂的占空比状态分别控制两个桥式Buck交流单元电路输出电压幅值和正负极性，实现输出电压幅值与相位的全相角范围调节。
2.根据权利要求1所述的单极性调制全相角范围电力控制器，其特征在于，所述左桥臂包括左上桥臂与左下桥臂，所述右桥臂包括右下桥臂与右上桥臂，
当输出电压在正极性方向调节时，控制右下桥臂占空比恒为1，右上桥臂占空比恒为0，通过调节左桥臂的占空比进行调节输出电压幅值；或
当输出电压在负极性方向调节时，控制左下桥臂占空比恒为1，右上桥臂占空比恒为0，通过调节右桥臂的占空比进行调节输出电压幅值。
3.根据权利要求1所述的单极性调制全相角范围电力控制器，其特征在于，所述单极性桥式Buck交流单元电路模块包括第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块、第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块和第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块，所述第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块、第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块和第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块均包括串联的两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路。
4.根据权利要求3所述的单极性调制全相角范围电力控制器，其特征在于，所述第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块包括串联设置的B相单极性桥式Buck交流单元电路和C相单极性桥式Buck交流单元电路；所述第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块包括串联设置的C相单极性桥式Buck交流单元电路和A相单极性桥式Buck交流单元电路；所述第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块包括串联设置的A相单极性桥式Buck交流单元电路和B相单极性桥式Buck交流单元电路。
5.根据权利要求4所述的单极性调制全相角范围电力控制器，其特征在于，所述第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端串联接入原电网A相中；所述第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端串联接入原电网B相中；所述第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端串联接入原电网C相中。
6.根据权利要求1所述的单极性调制全相角范围电力控制器，其特征在于，单极性桥式Buck交流单元电路左桥臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；其中，第一开关管和第二开关管组成第一个四象限开关管；第三开关管和第四开关管组成第二个四象限开关管；
单极性桥式Buck交流单元电路右桥臂包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管；其中，第五开关管、第六开关管组成第三个四象限开关管；第七开关管和第八开关管组成第四个四象限开关管。
7.根据权利要求1所述的单极性调制全相角范围电力控制器，其特征在于，所述三相双绕组变压器的一次侧的输入端并联接入所述原电网。
8.根据权利要求1所述的单极性调制全相角范围电力控制器，其特征在于，所述三相双绕组变压器的一次侧为星型连接，其二次侧包括相电压输出绕组。
9.根据权利要求1所述的单极性调制全相角范围电力控制器，其特征在于，还包括输出滤波模块，所述输出滤波模块包括第一输出滤波器、第二输出滤波器和第三输出滤波器，所述第一输出滤波器的输入端连接第一单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端；所述第二输出滤波器的输入端连接第二单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端；所述第三输出滤波器的输入端连接第三单极性桥式Buck交流单元电路子模块的输出端。
10.一种电力控制器的工作方法，应用于权利要求1至9中任一权利要求所述的单极性调制全相角范围电力控制器，其特征在于，包括以下步骤：
将三相输入变压模块的两个相位相差120°输出相电压分别连接两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路；
根据两个桥式Buck交流单元电路的右桥臂的通断状态分别控制两个桥式Buck交流单元电路输出电压正负极性，使得输出电压在四个连续的区域内调节；
通过分别调节两个相电压单极性桥式Buck交流单元电路左桥臂的占空比来调整电力控制器的输出电压幅值和相位角，以及控制右桥臂的导通与关断状态，使得控制器在四个连续的调节区间内调节，实现全相角范围内电力控制。
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