CN116232097A - 三相单级式多腔并联电能变换装置及控制方法 - Google Patents

三相单级式多腔并联电能变换装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供三相单级式多腔并联电能变换装置，包括，AC/DC变换电路，其输入端口连接三相交流电，所述AC/DC变换电路的输出端口包括第一端子、第二端子和第三端子；DC/DC变换电路，包括至少三个整流单元，所述整流单元的第一输入端与经过第一开关与所述第一端子连接，所述整流单元的第一输入端经过第二开关与所述第二端子连接，所述整流单元的第一输入端连过第三开关与所述第三端子连接，多个所述整流单元的输出端口并联。本发明电能变换装置实现功率因数校正和输出电流或电压调节，提高了电能变换装置的可靠性、转换效率和功率密度。

Description

三相单级式多腔并联电能变换装置及控制方法
技术领域
本发明属于电能变换领域，具体涉及一种。三相单级式多腔并联电能变换装置及控制方法
背景技术
隔离型AC/DC变换器通常采用两级式结构，前级采用三相PFC变换器结构，完成三相电流控制任务，应付各种电网畸变问题，保证电网电能质量，后级采用隔离型DCDC结构，实现供电侧和用电侧之间的电气隔离，在不同负载条件下实现输出电压稳定。但由于是两级功率变换，该结构存在变换效率低，成本高等缺点。另外，两级式结构还需要体积庞大母线电容器(通常采用便宜且寿命短的电解电容)来缓冲前后级变换器的能量，这会降低变换器的可靠性，并限制其功率密度的优化。
相比于两级式结构，单级式ACDC变换器结构可通过减少能量变换等级和移除中间直流母线电容来提高整体效率和变换器的功率密度，更符合于当前AC/DC电源设备的设计要求。
已知技术中，通过复杂的控制策略也可实现单级式ACDC能量变换，但无法保证在全负载条件下所有开关管实现软开关，限制了这类变换器的推广应用。
发明内容
为了解决背景技术中的技术问题，并进一步提高三相单级式电能变换装置的功率，本发明主要采用以下技术方案：
三相单级式多腔并联电能变换装置，包括，
AC/DC变换电路，其输入端口连接三相交流电，所述AC/DC变换电路的输出端口包括第一端子、第二端子和第三端子，所述第一端子输出所述三相交流电的正向最大值，所述第二端子输出三相交流电的中间值，所述第三端子输出三相交流电的反向最大值，
DC/DC变换电路，与所述AC/DC变换电路的输出端连接，包括，至少三个整流单元，所述整流单元的第一输入端与经过第一开关与所述第一端子连接，所述整流单元的第一输入端经过第二开关与所述第二端子连接，所述整流单元的第一输入端连过第三开关与所述第三端子连接，多个所述整流单元的输出端口并联。
上述AC/DC变换电路包括，三相整流单元，所述三相整流单元包括A相桥臂模块、B相桥臂模块和C相桥臂模块，所述A相桥臂模块、B相桥臂模块和C相桥臂模块并联，所述三相交流电分别与所述A相桥臂模块、B相桥臂模块和C相桥臂模块的桥臂中点连接，所述AC/DC变换电路还包括A相双向开关、B相双向开关和C相双向开关，所述A相双向开关、B相双向开关和C相双向开关的一端分别与所述A相桥臂模块、B相桥臂模块和C相桥臂模块的桥臂中点连接，另一端并联后为第二端子，三相交流电的A相、B相和C相分别与所述A相桥臂模块、B相桥臂模块和C相桥臂模块的桥臂中点连接。
上述整流单元包括变压器和整流模块，所述整流模块的输入端口与所述变压器的副边绕组并联，所述整流单元的输出端口为所述整流模块的输出端口，所述变压器的原边绕组与所述整流单元的第一和第二输入端串联连接。
上述整流模块还包括电感，所述变压器的原边绕组串联所述电感后与所述整流单元的第一和第二输入端串联连接。
上述整流模块还包括电容，所述变压器的原边绕组串联所述电容后与所述整流单元的第一和第二输入端串联连接。
本发明还提供三相单级式多腔并联电能变换装置的控制方法，包括，
步骤T01采样所述三相交流电，比较每相交流电的电压绝对值，电压绝对值为最大值的相位为第一相位、电压绝对值为中间值的相位为第二相位以及电压绝对值为最小值的相位为第三相位；
步骤T02关断第一相位和第二相位连接的所述双向开关，闭合第三相位连接的所述双向开关，所述双向开关为所述A相双向开关、B相双向开关和C相双向开关中任意一者；
步骤T03采样输出电流，并与输出电流参考值进行调节生成第一参考值，所述第一参考值与三相交流电的第二相位电压相乘生成该相位电流的参考值，并和该相位电流的采样值进行调节生成第一占空比，所述第一占空比用于控制所述第一开关、第二开关和第三开关；
步骤T04所述第一参考值与三相交流电的第一相位电压相乘生成该相位电流的参考值，并和该相位电流的采样值进行调节后生成开关周期，所述开关周期用于控制所述第一开关、第二开关和第三开关。
进一步包括步骤T05多个所述整流单元交错并联，将与第一相位连接的所述第一开关或第三开关导通，导通半个开关周期后关断，再将与第二相位连接的第一开关或第三开关导通，导通时长为第一占空比与半个开关周期的乘积，该开关周期中剩余的时间所述第二开关导通。
本发明利用DC/DC变换电路的宽增益特性调节输出电压或电流以及三相输入电流，并利用多个并联的整流单元提高电路的功率等级和抑制谐波电流。利用AC/DC变换电路将三个相电压变为三个线电压，来应对畸变且不平衡的电网情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的三相单级式多腔并联电能变换装置第一实施例的原理框图。
图2为本发明的三相单级式多腔并联电能变换装置第二实施例的原理框图。
图3为图1所示实施例的第一具体实施例。
图4为图1所示实施例的第二具体实施例。
图5为图1所示实施例的第三具体实施例。
图6为图1所示实施例的第四具体实施例。
图7为图1-图6中AC/DC变换电路中关键点波形图。
图8为三相单级式多腔并联电能变换装置的控制方法流程图。
图9为图8控制方法用于控制图5所示所示实施例中DC/DC变换电路的关键点波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为本发明的三相单级式多腔并联电能变换装置第一实施例的原理框图，三相交流电uAuBuC输入至AC/DC变换电路11，AC/DC变换电路11输出直流电至端子PYN，DC/DC变换电路12对端子PYN的电能进行变换输出电压Vo至负载。DC/DC变换电路12调节输出电压Vo和三相输入电流iAiBiC，或者调节输出电流Io和三相输入电流iAiBiC。
所述AC/DC变换电路11在一具体实施例中，例如为低频工作状态的AC/DC变换电路，提高单级式电能变换装置应对电网畸变、三相不平衡等故障情况能力。
所述DC/DC变换电路12包括整流单元U1、U2和U3，整流单元U1、U2和U3并联。
AC/DC变换电路11包括三相整流单元111和双向开关管SYa、SYb、SYc，所述双向开关管SYa、SYb、SYc，在两相电压相交时刻低频切换开通。请结合图7，相交的两相中电压幅值绝对值较大的一相双向开关关断，同时幅值较小的一相双向开关开通。这样，三相整流单元111中正向电压中幅值较大的一相通过上端二极管D1或D3或D5接入P端，负向电压中幅值较大的一相通过下端二极管D2或D4或D6接入N端，剩余一相则通过导通的双向开关管SYa或SYb或SYc，连接到Y端，参考图7，将uA、uB、uC变为uP、uN、uY，得到三个正向线电压uPN、uPY和uYN，其中uPN始终为最大的一个，无论输入电压是正常供电还是出现畸变或三相不平衡等问题，uPN始终为最大的一个，另外两个uPY和uYN交替变化。
AC/DC变换电路11输出直流电至端子PYN，DC/DC变换电路12对PYN三端的电能进行变换输出电压Vo至负载。DC/DC变换电路12调节输出电压Vo和三相输入电流iAiBiC，或者调节输出电流Io和三相输入电流iAiBiC。
DC/DC变换电路12的输入电压为三个线电压uPN、uPY和uYN，高频切换DC/DC变换电路12中的开关，将电压uPN、uPY、uYN和0电平馈入给整流单元U1、U2和U3。整流单元U1的第一输入端l11经过双向开关SY1与端子Y连接，经过开关SP1与端子P连接，经过开关SN1与端子N连接，整流单元U2的第一输入端l12经过双向开关SY2与端子Y连接，经过开关SP2与端子P连接，经过开关SN2与端子N连接，整流单元U3的第一输入端l13经过双向开关SY3与端子Y连接，经过开关SP3与端子P连接，经过开关SN3与端子N连接。整流单元U1的第二输入端l21整流单元U2的第二输入端l22整流单元U3的第二输入端l23并联。
整流单元U1、U2和U3交错并联，相互交错120°角。
图2所示为本发明的三相单级式多腔并联电能变换装置第二实施例的原理框图，与图1不同的是，本实施例中包括n个整流单元U1-Un。
请再参考图3，图3所示为图1中整流单元U1-U3的具体实施例，该实施例中，整流单元U1-U3是双向的DAB拓扑结构。请再参考图4，图4所示为整流单元U1-U3的具体实施例，该实施例中，整流单元U1-U3非同步整流的DAB拓扑结构。请再参考图5，图5所示为整流单元U1-U3的具体实施例，该实施例中，整流单元U1-U3是LC拓扑结构。请再参考图6，图6所示为整流单元U1-U3的具体实施例，该实施例中，整流单元U1-U3是LLC拓扑结构。
图8为本发明的一具体实施例示意图，本发明三相单级式多腔并联电能变换装置的控制方法，包括如下步骤，
步骤T01采样所述三相交流电，比较每相交流电的电压绝对值，确定电压绝对值为最大值的相位为第一相位、电压绝对值为中间值的相位为第二相位以及电压绝对值为最小值的相位为第三相位。
步骤T02关断第一相位和第二相位对应的双向开关SYa或SYb或SYc，打开第三相位的双向开关SYa或SYb或SYc。
步骤T03采样输出电流，并与输出电流参考值进行调节生成第一参考值，所述第一参考值与第二相位的输入电压相乘生成该相位输入电流的参考值，并和该相位输入电流的采样值进行调节生成DC/DC变换电路中开关的第一占空比。
也可以采样输出电压，并与输出电压参考值进行调节生成第一参考值，根据具体的应用场景需要进行变更。
请参考图9所述第一占空比为D。
步骤T04所述第一参考值与第一相位的输入电压相乘生成该相位输入电流的参考值，并和该相位输入电流的采样值进行调节后生成整流单元中开关控制的开关周期。
请参考图9，所述开关周期为Ts。
步骤T05多个所述整流单元交错并联，将与第一相位连接的所述第一开关或第三开关导通，导通半个开关周期后关断，再将与第二相位连接的第一开关或第三开关导通，导通时长为第一占空比与半个开关周期的乘积，该开关周期中剩余的时间所述第二开关导通。
本发明中的整流单元为Y型连接，例如第一开关导通后，电流从所述第一开关流入，从第二输入端流向任意一另一个整流单元。多个并联的所述第二输入端并联，类似为一个零点。
可以实现所有开关的零电压开通。通过在工频周期内区域切换出加入恰当的过渡驱动时序，可以保证过渡区不发生相间直通的同时实现较好的电流波形。
将图8所示控制方法应用于图6所示实施例中，并结合图9进行说明，其中，谐振电流iLr为从整流单元U1-U3输入端流入的电流，励磁电流iLm位流经变压器T的励磁电流，以下说明中均如此。这里以电压uP的绝对值大于电压uN的绝对值对应的开关周期为例，介绍对应的工作过程：
如图9所示，在[0-0.5·Ts]区间，开关SP1导通，电压VP和整流单元U1的第一输入端l11相连，Lr1和Cr1发生谐振，谐振电流从负变为正。在t＝0.5Ts时刻，开关SP1关断，正向谐振电流iLr给开关SP1的结电容充电，同时给开关SN1的结电容放电，当开关SN1的结电容电压降为0V，开关SN1的体二极管导通，开关SN1的结电容电压保持为0V，为开关SN1实现零电压开通提供条件。此时，整流单元U1变得和VN相连。
在[0.5Ts-(D+0.5)Ts]区间，开关SN1导通。虽然Lr和Cr继续谐振，但由于LLC谐振腔已和VN相连，SP1导通后，LLC谐振腔输入电压为VP>0，开关SN1导通后，LLC谐振腔输入电压从VP变为VN(VN<0)。受负向LLC输入电压的影响，谐振电流下降，由正方向变为负方向。在t＝(D+0.5)Ts时刻，SN1关断，谐振电流给开关SY1结电容的放电，同样为开关SY1零电压开通提供条件。在开关SY1开通之后，整流单元U1的LLC谐振腔变得和VY相连。在[(D+0.5)Ts-Ts]区间，谐振电流一直为负，在开关SY1关断之后，开关SP1获得软开关条件。
综上所述，虽然每个LLC谐振腔的输入电压经带三电平的半桥开关网络处理得到为不对称的三电平输入电压，但因为三个LLC谐振腔的输入电压波形也相同并交错120度，每个LLC谐振腔输入电压上的直流分量也互差120度对称，在Y型连接的LLC谐振腔中抵消掉了，因此每个谐振电容上同样没有直流分量。另外，三个LLC谐振腔上的电压和电流波形相同，且相角互差120度，即三个LLC谐振腔的电压和电流保持三相对称。
通过单级变换结构并借助LLC谐振腔实现高效的三相ACDC变换，同时应对各种三相电压情况：无论是三相平衡的情况还是发生畸变、不平衡等故障。另外，图5采用三电平的三个Y型连接LLC谐振腔，虽然每个谐振腔的电压不再对称，但是因为三组半桥结构的开关信号互差120度，三个谐振腔的电压、电流依然保持三相对称，谐振电容上不会出现直流偏置。
作为三个LLC谐振腔组成的变换器，其能量传输可通过三个LLC谐振腔共同向副边传递，因此每个谐振腔负责传输的能量只有总能量的1/3。那么和拓扑1中半桥结构相比，当采用相同参数的LLC谐振腔谐振元件时，该拓扑内三个LLC谐振腔结构可以传递更高功率等级的能量。而且和单腔全桥结构相比，由于拓扑1内每个谐振腔处理的功率明显更小，谐振腔元件的电流应力和电压应力也会降低，其成本和元件体积也明显下降。
当uP小于uY时，只是LLC谐振单元正半周期的输入电压变成uN，开关Sp1、SN1和SY1开关逻辑更换，其工作过程几乎相似。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.三相单级式多腔并联电能变换装置，其特征在于，包括，
AC/DC变换电路，其输入端口连接三相交流电，所述AC/DC变换电路的输出端口包括第一端子、第二端子和第三端子，所述第一端子输出所述三相交流电的正向最大值，所述第二端子输出三相交流电的中间值，所述第三端子输出三相交流电的反向最大值，
DC/DC变换电路，与所述AC/DC变换电路的输出端连接，包括，至少三个整流单元，所述整流单元的第一输入端与经过第一开关与所述第一端子连接，所述整流单元的第一输入端经过第二开关与所述第二端子连接，所述整流单元的第一输入端连过第三开关与所述第三端子连接，多个所述整流单元的第二输入端并联，多个所述整流单元的输出端口并联。
2.根据权利要求1所述的三相单级式多腔并联电能变换装置，其特征在于，所述AC/DC变换电路包括，三相整流单元，所述三相整流单元包括A相桥臂模块、B相桥臂模块和C相桥臂模块，所述A相桥臂模块、B相桥臂模块和C相桥臂模块并联，所述三相交流电分别与所述A相桥臂模块、B相桥臂模块和C相桥臂模块的桥臂中点连接，所述AC/DC变换电路还包括A相双向开关、B相双向开关和C相双向开关，所述A相双向开关、B相双向开关和C相双向开关的一端分别与所述A相桥臂模块、B相桥臂模块和C相桥臂模块的桥臂中点连接，另一端并联后为第二端子，三相交流电的A相、B相和C相分别与所述A相桥臂模块、B相桥臂模块和C相桥臂模块的桥臂中点连接。
3.根据权利要求2所述的三相单级式多腔并联电能变换装置，其特征在于，所述整流单元包括变压器和整流模块，所述整流模块的输入端口与所述变压器的副边绕组并联，所述整流单元的输出端口为所述整流模块的输出端口，所述变压器的原边绕组与所述整流单元的第一和第二输入端串联连接。
4.根据权利要求3所述的三相单级式多腔并联电能变换装置，其特征在于，所述整流模块还包括电感，所述变压器的原边绕组串联所述电感后与所述整流单元的第一和第二输入端串联连接。
5.根据权利要求4所述的三相单级式多腔并联电能变换装置，其特征在于，所述整流模块还包括电容，所述变压器的原边绕组串联所述电容后与所述整流单元的第一和第二输入端串联连接。
6.三相单级式多腔并联电能变换装置的控制方法，应用于如权利要求1-5任一项所述的一种三相单级式多腔并联电能变换装置，其特征在于，包括，
步骤T01采样所述三相交流电，比较每相交流电的电压绝对值，电压绝对值为最大值的相位为第一相位、电压绝对值为中间值的相位为第二相位以及电压绝对值为最小值的相位为第三相位；
步骤T02关断第一相位和第二相位连接的所述双向开关，闭合第三相位连接的所述双向开关，所述双向开关为所述A相双向开关、B相双向开关和C相双向开关中任意一者；
步骤T03采样输出电流，并与输出电流参考值进行调节生成第一参考值，所述第一参考值与三相交流电的第二相位电压相乘生成该相位电流的参考值，并和该相位电流的采样值进行调节生成第一占空比，所述第一占空比用于控制所述第一开关、第二开关和第三开关；
步骤T04所述第一参考值与三相交流电的第一相位电压相乘生成该相位电流的参考值，并和该相位电流的采样值进行调节后生成开关周期，所述开关周期用于控制所述第一开关、第二开关和第三开关。
7.如权利要求6所述三相单级式多腔并联电能变换装置的控制方法，其特征在于，还包括，步骤T05多个所述整流单元交错并联，将与第一相位连接的所述第一开关或第三开关导通，导通半个开关周期后关断，再将与第二相位连接的第一开关或第三开关导通，导通时长为第一占空比与半个开关周期的乘积，该开关周期中剩余的时间所述第二开关导通。
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