CN102355142A

CN102355142A - 一种适应于中小功率场合的简化型高效三相ac-dc-ac变换器

Info

Publication number: CN102355142A
Application number: CN2011102964050A
Authority: CN
Inventors: 罗安; 马伏军; 孙运宾; 谢宁; 何志兴
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-02-15

Abstract

本发明公开了一种适应于中小功率场合的简化型高效三相AC-DC-AC变换器，包括六个输出滤波电感，还包括两个三相四开关逆变器和一个直流侧均压电路，其中三相四开关逆变器由两个开关臂和一组公用的直流侧电容组成，两个三相四开关逆变器通过公用的直流侧电容组成了一个背靠背的AC-DC-AC变换器，与传统的由两个背靠背式三相六开关逆变器组成的AC-DC-AC变换器相比，本发明的三相AC-DC-AC变换器减少了一对开关臂，减少了开关器件的能量损耗，可以大幅度降低成本。

Description

一种适应于中小功率场合的简化型高效三相AC-DC-AC变换器

技术领域

本发明涉及一种三相变换器，具体是一种适应于中小功率场合的简化型高效三相AC-DC-AC变换器。

背景技术

传统的交流电压变换采用电磁变压器技术，低频电磁变压器广泛应用于工矿企业、科研院所和大学实验室等领域，实现了AC/AC变压与电气隔离等功能，功率传递效率高。但传统的电磁变压器体积大且笨重、音频噪音大、无稳压功能、对非线性负载(如典型的二极管整流、电容滤波电路)供电时谐波污染电网现象严重，满足不了电气电子设备小型化的需要。

随着电力电子技术的发展，各种功率变换装置应用而生。电力电子装置种类繁多，交流-交流变换(AC/AC变换)是一种用应很广泛的功率变换装置。利用半导体开关型电力变换电路，可以将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、电压、波形的电能，再对负载供电，可以大大提高用电效率和经济效益。AC/AC变换器主要可分为可控硅相控变频器、具有谐振交流环节的AC/AC变换器、矩阵变换器、基于DC-DC拓扑的直接AC/AC变换器和间接AC-AC变换(AC-DC-AC)型变换器。

AC-DC-AC型变换器由两个三相桥PWM变流器组合而成的双四象限PWM变流系统应用尤为广泛，通过三相六开关逆变器可以实现PWM整流与PWM逆变功能，保证三相交流侧电流具有高功率因数、低谐波特点，从而保证了电网的电能质量。它可用于电力系统中输电、配电和用电多个环节，是一种基础的并且很重要的电力电子电路结构，属于电力电子学发展的前沿方向。它的一些主要应用如下：(1)电力系统的直流远距离输电。在输电线首端将交流电整流成直流电，经远距离直流输电后，在输电线末端将直流电变换为交流电给负载供电；(2)构成统一电能质量调节器UPQC或在线互动式UPS的主体。电源侧按串联一个三相变流器来补偿电网电压维持逆变器直流侧稳定，负载侧接并联一个变流器来补偿负载的无功、负序和谐波电流；(3)交流电动机变频调速系统。利用输入级的三相逆变器将交流电装化为直流电，然后利用V/f控制，矢量控制，直接转矩控制等方法来控制后级逆变器，实现交流电动机变频调速；(4)两个变流器都作为PWM串联型补偿控制器运行，调控线路电压、电流、等效阻抗、或实现线间潮流控制(IPFC)；(5)变速恒频恒压发电系统等，如双馈电机的功率变换系统。

针对低压中小功率场合，这种由两背靠背式三相逆变器组成的间接AC-DC-AC型变换器，具有开关器件多，损耗大等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种适应于中小功率场合的简化型高效三相AC-DC-AC变换器，减少能量的损耗，降低成本，实现能量的高效变换与传输，降低无功和谐波，提高电网的电能质量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种适应于中小功率场合的简化型高效三相AC-DC-AC变换器，包括六个输出滤波电感，还包括两个三相四开关逆变器和一个直流侧均压电路，三相四开关逆变器由两个开关臂和一个电容支路组成，两个三相四开关逆变器共用一个电容支路，两个三相四开关逆变器的开关臂分别并联在电容支路的两侧，开关臂由两个开关管串联组成，电容支路由两个电容串联组成；直流侧均压电路由一个开关管支路和一个电感支路组成，开关管支路由两个开关管串联组成，开关管支路与三相四开关逆变器的电容支路并联，电感支路一端接入开关管支路的两个开关管之间，另一端接入三相四开关逆变器电容支路的两个电容之间；三相四开关逆变器通过输出滤波电感接入电网或者三相平衡负载。

直流侧采用一种均压电路，由两个开关管和一个电感组成，其开关管和电感的额定电流在三相四开关逆变器开关管额定电流的5％以内，通过采用基于电流闭环的控制方法可以实现两直流侧电容的动态均衡。

本发明的工作原理详细描述如下：

简化型高效三相AC-DC-AC变换器包括二个背靠背的三相四开关逆变器、一个直流侧均压电路和六个输出滤波电感。所述的三相四开关逆变器是一种三相二臂的三相逆变器，当逆变器三相交流侧与三相电源连接，此时的三相四开关逆变器可以用来做PWM整流稳定直流侧电压，也可以通过电流闭环控制来跟踪或补偿期望的基波和谐波信号；当逆变器三相交流侧与三相平衡电阻连接，此时的三相四开关逆变器可以用来做PWM逆变输出能量，也可以通过电流闭环控制来跟踪或补偿期望的基波和谐波信号。为了保持直流侧电压的动态均衡，通过采用电容电压差外环、电流内环的控制方法来控制均压电路的IGBT，可以实现直流侧电容的动态均衡，这样可以提高变换器的稳定性能。

本发明提出了一种适应于中小功率场合的简化型三相AC-DC-AC变换器，与常用的由背靠背式三相六开关逆变器组合而成的双四象限PWM变换器相比较，本发明的AC-DC-AC变换器只包含4个功率开关管臂，减少了一对开关臂，减少了能量的损耗，大幅度降低了成本，可以实现能量的高效变换与传输，降低无功和谐波，提高电网的电能质量；为了保持直流侧电压的动态均衡，通过采用基于电流闭环的控制方法可以实现直流侧电容的动态均衡，这样可以提高变换器的稳定性能。

附图说明

图1为传统的由两个背靠背式三相逆变器组成的AC-DC-AC变换器；

图2为本发明AC-DC-AC变换器结构图；

图3为本发明三相四开关逆变器三相侧接电网时的闭环控制框图；

图4为本发明三相四开关逆变器三相侧接负载时的闭环控制框图；

图5为本发明直流侧均压电路的闭环控制框图。

具体实施方式

参见图1，为现有的由两个背靠背式三相逆变器组成的AC-DC-AC变换器。该系统有两个三相六开关逆变器、一个直流侧电容和六个输出电感构成。两个三相六开关逆变器通过公用的直流侧电容形成了背靠背结构，通过三相六开关逆变器可以实现一边PWM整流和一边PWM逆变功能，这样可以实现电网的高功率因数运行、并可以实现有功能量的动态转移，动态补偿无功、负序和谐波。然而针对中小功率场合，该AC-DC-AC变换器结构具有功率开关器件较多，损耗大，效率低等缺点。

参见图2，为本发明的结构图。针对中小功率的AC-DC-AC变换器，本发明提出了一种简化型三相AC-DC-AC变换器，该结构包括二个背靠背的三相四开关逆变器、一个直流侧均压电路和六个输出滤波电感。所述的三相四开关逆变器是一种三相二臂的三相逆变器，当逆变器三相交流侧与三相电源连接，此时的三相四开关逆变器可以用来做PWM整流稳定直流侧电压，也可以通过电流闭环控制来跟踪或补偿期望的基波和谐波信号；当逆变器三相交流侧与三相平衡电阻连接，此时的三相四开关逆变器可以用来做PWM逆变输出能量，也可以通过电流闭环控制来跟踪或补偿期望的基波和谐波信号。

本发明与传统由两个背靠背式三相逆变器组成的AC-DC-AC变换器相比较，该系统采用了两个背靠背式三相四开关逆变器，在完成相同的PWM整流和PWM逆变功率的前提下，功率开关器件进一步减少了4个，结构更精简，降低了硬件的成本和复杂度，提高了系统的效率。

参见图3，为本发明所提出的三相四开关逆变器三相侧接电网时的闭环控制框图。

为了实现直流侧电压稳定控制，直流侧电压外环采用了一个PI控制器。直流电压跟踪误差经PI调节器后分别乘以同步信号得到三相网侧电流参考指令信号。这样通过外环PI控制器的输出指令来合理地调节与控制逆变器，可以实现电网与直流侧电容的能量交换。在电流内环跟踪控制中，网侧电流指令信号与检测到的实际网侧电流作差，然后利用PI闭环控制及PWM调制后，得到逆变器的各功率开关管的控制信号，从而实现系统的高功率因数、低谐波运行，保证了电网的电能质量。具体步骤如下：

为了维持直流侧电压的稳定并弥补功率开关管的损失，采用一个PI调节器来实现直流侧电压外环的闭环调节：

I_out＝k_P1Δu_dc+k_I1∫Δu_dcdt (1)

其中，I_out为外环电压PI控制器输出；k_P1和k_I1为比例和积分系数；Δu_dc＝U_ref-u_dc为电压跟踪误差。利用I_out来进行直流侧电压能量的补偿，维持直流侧电压的稳定，如果开关管功率损失由各自的开关臂共同承当，则将I_out分别乘以各相的同步信号，可以得到逆变器两相功率开关臂的调压指令信号。这样将调压指令信号与期望补偿的电流指令信号

叠加，则可以推得三相四开关逆变器的两相开关臂的电流参考信号(i_ar，i_br)为：

然后检测两开关臂的实际输出电流(i_a1，i_b1)，与两开关臂的电流参考信号(i_ar，i_br)相减可以得到两开关臂的电流跟踪误差。针对内环电流的闭环控制，这里采用PI控制方法，将两开关臂的电流跟踪误差输入PI控制器处理后，可以得到两开关臂的调制波信号(d_a1，d_b1)。

最后，利用PWM调制方法将调制波信号(d_a1，d_b1)与载波比较后，可以得到两开关臂的脉冲驱动信号，驱动IGBT获得期望的电压电流信号。

参见图4，所提出的三相四开关逆变器三相侧接平衡负载时的闭环控制框图。

当三相四开关逆变器三相侧接负载时，三相四开关逆变器主要用来进行PWM逆变给负载功能或者补偿无功、谐波电流等。这里可以通过采用电流的闭环控制来实现系统的跟踪输出。控制步骤如下：

首先通过检测逆变器的两个开关臂的输出电流信号(i_a2，i_b2)，然后与期望的电流信号

相减，可以得到三相四开关逆变器的两开关臂的输出电流跟踪误差。

针对电流的跟踪控制，这里采用PI闭环控制方法，将两开关臂的电流跟踪误差输入PI控制器处理后，可以得到两开关臂的调制波信号(d_a2，d_b2)。

最后，利用PWM调制方法将调制波信号(d_a2，d_b2)与载波比较后，可以得到两开关臂的脉冲驱动信号，驱动IGBT获得期望的电压电流信号。

参见图5，图5为直流侧电容的均压控制方法框图。

由于直流侧是由两个串联的电容组成，则系统直流侧存在一个均压平衡的问题。如果电压不平衡，则会引起逆变器输出电压电流的畸变，影响的补偿效果和可靠性。

为了维持两电容电压的平衡，保证补偿系统的正常稳定运行，本发明采用了一种均压电路，由开关管T₁、T₂及平衡电感L_m组成，并通过闭环控制来调节开关管T₁和T₂的导通实现直流侧电压平衡。通过检测直流侧电容电压差，利用一个低通滤波器滤除交流成分，得到电容电压差的直流成分。然后，通过PI控制器输出一个值，经过限幅后得到调节直流侧电容电压差的期望电流信号

之后与流过电感L_m的直流电流信号i_m作差，经过PI控制器调节和限幅后输出直流侧均压电路的占空比信号d_o，最后通过PWM调制得到T₁和T₂的开关驱动信号。当V_C1＞V_C2时，d_o＞0.5，这样使T₁导通时间长，将电容C₁的能量释放到电感，之后转移到C₂，反之亦然。稳态平衡时，则有d_o＝0.5。通过电流的闭环控制，直流电流i_m不会突变，且电压稳定后，直流电流i_m很小，一般只有几安培，所以均压电路的开关管和平衡电感的容量非常小，这样，通过小容量低成本的均压控制电路，可以实现直流侧电压的稳态平衡，提高了系统的稳定性和可靠性。

Claims

1.一种适应于中小功率场合的简化型高效三相AC-DC-AC变换器，包括六个输出滤波电感，其特征在于，还包括两个三相四开关逆变器和一个直流侧均压电路；三相四开关逆变器由两个开关臂和一个电容支路组成，两个三相四开关逆变器共用一个电容支路，两个三相四开关逆变器的开关臂分别并联在电容支路的两侧，开关臂由两个开关管串联组成，电容支路由两个电容串联组成；直流侧均压电路由一个开关管支路和一个电感支路组成，开关管支路由两个开关管串联组成，开关管支路与三相四开关逆变器的电容支路并联，电感支路一端接入开关管支路的两个开关管之间，另一端接入三相四开关逆变器电容支路的两个电容之间；三相四开关逆变器通过输出滤波电感接入电网或者三相平衡负载。

2.根据权利要求1所述的适应于中小功率场合的简化型高效三相AC-DC-AC变换器，其特征在于，所述直流侧均压电路开关管和电感的额定电流在三相四开关逆变器开关管额定电流的5％之内。