CN103269178A

CN103269178A - 单级式隔离型三相双向ac/dc变换器及其控制方法

Info

Publication number: CN103269178A
Application number: CN2013101621620A
Authority: CN
Inventors: 金科; 顾玲
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-05-06
Also published as: CN103269178B

Abstract

本发明公开了一种单级式隔离型三相双向AC/DC变换器及其控制方法，变换器中三相桥臂三个桥臂中点分别与一个交流侧电感和一个双向开关相连，三个双向开关的另一端均与隔离变压器原边绕组同名端相连，半桥桥臂与三相桥臂并联，桥臂中点与隔离变压器原边绕组异名端相连，隔离变压器副边绕组与整流/逆变桥臂的两个中点相连，整流/逆变桥臂与直流侧滤波电容并联。采用SVPWM方法控制变换器，每个开关周期内隔离变压器中原边电流为正电流与负电流的时间相等。本发明采用单级式的结构即可实现升降压输出，同时实现了输入与输出之间高频电气隔离，具有网侧电流为正弦波、网侧功率因数控制、电能双向高效传输、动态响应快和升降压输出等功能。

Description

单级式隔离型三相双向AC/DC变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及AC/DC变换器，尤其涉及一种单级式隔离型三相双向AC/DC变换器及其控制方法。

背景技术

分布式发电可以提供传统电力***无可比拟的可靠性和经济性，它灵活、分散的特点可以使其与大电网互为备用，使供电可靠性得到改善。但是，分布式电源单机接入成本高、控制困难。为了减小分布式电源对电网的冲击，当电力***发生故障时，分布式电源必须马上退出运行，这大大限制了分布式电源的充分发挥，也间接限制了对新能源的利用。为了解决以上问题，微网技术应运而生，它协调了分布式发电与大电网之间的矛盾，使新能源和可再生能源进入规模化应用的新时代。微网与大电网互为备用、联合运行，有利于新能源的开发利用，缓解用电高峰时段的供电压力，提高了供电可靠性和经济性，是未来新能源利用发展的主要方向。

目前国内外研究的微网***结构主要有交流微网、直流微网和交直流混合微网。在交流微网中，交流母线与蓄电池之间需要一个双向AC/DC变换器，帮助蓄电池实现削峰填谷的作用；在直流微网中，双向AC/DC变换器作为电网接口变换器，实现电网与直流母线之间能量的相互传递；在交直流混合微网中，双向AC/DC变换器是承担***能量管理功能的关键角色，是交流微网与直流微网进行能量传递的唯一通道。在大功率场合，通常考虑采用三相双向AC/DC变换器，它是保证微网正常运行的关键变换器。

三相双向AC/DC变换器通常采用三相电压型PWM整流器拓扑。采用三相电压型PWM整流器拓扑的三相双向AC/DC变换器的直流侧呈升压特性，三相380V交流电压经其变换后直流电压通常达600～800V，需要在后级加DC/DC变换器进行降压后才能接到380V直流母线上，使得这种三相双向AC/DC变换器需要两级结构，同时因其不能实现电气隔离，需要使用工频变压器，导致其具有体积重量大、成本高的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种单级式隔离型三相双向AC/DC变换器及其控制方法，解决现有技术中三相双向AC/DC变换器将三相380V交流电压变换为380V直流电压或者380V直流电压变换为三相380V交流电压时必须采用两级结构的问题，同时实现电气隔离。

本发明为实现上述发明目的所采取的技术方案是：一种单级式隔离型三相双向AC/DC变换器，包括三个交流侧电感、三相桥臂、三个双向开关、半桥桥臂、隔离变压器、整流/逆变桥臂和直流侧滤波电容，三相桥臂的三个桥臂中点分别与一个交流侧电感和一个双向开关相连，三个双向开关的另一端均与隔离变压器原边绕组同名端相连，半桥桥臂与三相桥臂并联，半桥桥臂的桥臂中点与隔离变压器原边绕组异名端相连，隔离变压器副边绕组与整流/逆变桥臂的两个中点相连，整流/逆变桥臂与直流侧滤波电容并联。

所述三相桥臂由六个开关管组成，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极相连作为一个桥臂，第三开关管的发射极与第四开关管的集电极相连作为一个桥臂，第五开关管的发射极与第六开关管的集电极相连作为一个桥臂，第一开关管、第三开关管、第五开关管的集电极相连，第二开关管、第四开关管、第六开关管的发射极相连。

所述三个双向开关由六个开关管组成，第七开关管的发射极与第八开关管的发射极相连组成一个双向开关，第九开关管的发射极与第十开关管的发射极相连组成一个双向开关，第十一开关管的发射极与第十二开关管的发射极相连组成一个双向开关。

所述半桥桥臂由两个开关管组成，第十三开关管的发射极与第十四开关管的集电极相连。

所述整流/逆变桥臂由四个开关管组成，第十五开关管的发射极与第十六开关管的集电极相连作为一个桥臂，第十七开关管的发射极与第十八开关管的集电极相连作为一个桥臂，第十五开关管、第十七开关管的集电极相连，第十六开关管、第十八开关管的发射极相连。

所述开关管均由一个单向开关管和一个二极管并联组成，并联时单向开关管的发射极与二极管的阳极相连，单向开关管的集电极与二极管的阴极相连。

所述二极管可以是IGBT的反并二极管，也可以是MOSFET的寄生二极管。

本发明所述单级式隔离型三相双向AC/DC变换器中的隔离变压器具有升降压和电气隔离双重功能，整流/逆变桥臂在整流模式下具有整流功能，在逆变模式下具有逆变功能。当单级式隔离型三相双向AC/DC变换器工作于整流模式时，输入的三相380V交流电压通过三相桥臂、半桥桥臂以及双向开关变换为单相交流电压，然后通过隔离变压器的降压、整流/逆变桥臂的整流变换为380V直流电压；当单级式隔离型三相双向AC/DC变换器工作于逆变模式时，输入的380V直流电压通过整流/逆变桥臂的逆变、隔离变压器的升压变换为单相交流电压，再通过三相桥臂、半桥桥臂以及双向开关变换为三相380V交流电压。本发明解决了现有技术中三相双向AC/DC变换器将三相380V交流电压变换为380V直流电压或者380V直流电压变换为三相380V交流电压时必须采用两级结构的问题，同时实现了输入与输出之间的高频电气隔离。除此之外，本发明还具有网侧电流为正弦波、网侧功率因数控制、电能双向高效传输、动态响应快和升降压输出等功能。

附图说明

图1是本发明所述单级式隔离型三相双向AC/DC变换器电路结构示意图。

图2是本发明所述单级式隔离型三相双向AC/DC变换器SVPWM控制框图。

图3是本发明所述单级式隔离型三相双向AC/DC变换器基本电压空间矢量及扇区划分图。

图4是本发明所述单级式隔离型三相双向AC/DC变换器扇区1电压矢量图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

图1为单级式隔离型三相双向AC/DC变换器的电路基本结构示意图，由三个交流侧电感1、三相桥臂2、三个双向开关3、半桥桥臂4、隔离变压器5、整流/逆变桥臂6和直流侧滤波电容7组成。图1中Q _a1、Q _a4、Q _b1、Q _b4、Q _c1、Q _c4、Q _a2、Q _a3、Q _b2、Q _b3、Q _c2、Q _c3、Q _p1、Q _p2、Q _s1、Q _s2、Q _s3、Q _s4为开关管，Q _a1由一个单向开关管和二极管D _a1并联而成，Q _a4由一个单向开关管和二极管D _a4并联而成，Q _b1由一个单向开关管和二极管D _b1并联而成，Q _b4由一个单向开关管和二极管D _b4并联而成，Q _c1由一个单向开关管和二极管D _c1并联而成，Q _c4由一个单向开关管和二极管D _c4并联而成，Q _a2由一个单向开关管和二极管D _a2并联而成，Q _a3由一个单向开关管和二极管D _a3并联而成，Q _b2由一个单向开关管和二极管D _b2并联而成，Q _b3由一个单向开关管和二极管D _b3并联而成，Q _c2由一个单向开关管和二极管D _c2并联而成，Q _c3由一个单向开关管和二极管D _c3并联而成，Q _p1由一个单向开关管和二极管D _p1并联而成，Q _p2由一个单向开关管和二极管D _p2并联而成，Q _s1由一个单向开关管和二极管D _s1并联而成，Q _s2由一个单向开关管和二极管D _s2并联而成，Q _s3由一个单向开关管和二极管D _s3并联而成，Q _s4由一个单向开关管和二极管D _s4并联而成，并联时单向开关管的发射极与二极管的阳极相连，集电极与二极管的阴极相连。D _a1、D _a4、D _b1、D _b4、D _c1、D _c4、D _a2、D _a3、D _b2、D _b3、D _c2、D _c3、D _p1、D _p2、D _s1、D _s2、D _s3、D _s4可以是IGBT的反并二极管，也可以是MOSFET的寄生二极管。当开关频率较低时，采用普通的整流二极管；当开关频率较高时，采用快速恢复二极管或者肖特基二极管。

三相桥臂2的组成为：第一开关管Q _a1与第二开关管Q _a4串联作为一个桥臂，第三开关管Q _b1与第四开关管Q _b4串联作为一个桥臂，第五开关管Q _c1与第六开关管Q _c4串联作为一个桥臂；串联时第一开关管Q _a1的发射极与第二开关管Q _a4的集电极相连，第三开关管Q _b1的发射极与第四开关管Q _b4的集电极相连，第五开关管Q _c1的发射极与第六开关管Q _c4的集电极相连；再将三个桥臂并联组成三相桥臂2，并联时第一开关管Q _a1、第三开关管Q _b1、第五开关管Q _c1的集电极相连，第二开关管Q _a4、第四开关管Q _b4、第六开关管Q _c4的发射极相连。

三个双向开关3分别由第七开关管Q _a2与第八开关管Q _a3串联、第九开关管Q _b2与第十开关管Q _b3串联、第十一开关管Q _c2与第十二开关管Q _c3串联而成，串联时两个开关管的发射极相连。

半桥桥臂4由第十三开关管Q _p1与第十四开关管Q _p2串联而成，串联时第十三开关管Q _p1的发射极与第十四开关管Q _p2的集电极相连。

整流/逆变桥臂6的组成为：第十五开关管Q _s1与第十六开关管Q _s2串联作为一个桥臂，第十七开关管Q _s3与第十八开关管Q _s4串联作为一个桥臂；串联时第十五开关管Q _s1的发射极与第十六开关管Q _s2的集电极相连，第十七开关管Q _s3的发射极与第十八开关管Q _s4的集电极相连；再将两个桥臂并联组成整流/逆变桥臂6，并联时第十五开关管Q _s1、第十七开关管Q _s3的集电极相连，第十六开关管Q _s2、第十八开关管Q _s4的发射极相连。

将三个交流侧电感L _a、L _b、L _c的一端分别接三相交流电源（整流时或者并网逆变时）或者三相负载（独立逆变时），另一端分别接第一开关管Q _a1与第二开关管Q _a4的串联点、第三开关管Q _b1与第四开关管Q _b4的串联点、第五开关管Q _c1与第六开关管Q _c4的串联点。将三相桥臂2与半桥桥臂4并联，并联时第一开关管Q _a1的集电极与第十三开关管Q _p1的集电极相连，第二开关管Q _a4的发射极与第十四开关管Q _p2的发射极相连。将第七开关管Q _a2的集电极接在第一开关管Q _a1与第二开关管Q _a4的串联点，将第九开关管Q _b2的集电极接在第三开关管Q _b1与第四开关管Q _b4的串联点，将第十一开关管Q _c2的集电极接在第五开关管Q _c1与第六开关管Q _c4的串联点；将第八开关管Q _a3的集电极、第十开关管Q _b3的集电极、第十二开关管Q _c3的集电极均接在隔离变压器5原边绕组同名端，隔离变压器5原边绕组异名端接在第十三开关管Q _p1与第十四开关管Q _p2的串联点。隔离变压器5副边绕组同名端接第十五开关管Q _s1与第十六开关管Q _s2的串联点，副边绕组异名端接第十七开关管Q _s3与第十八开关管Q _s4的串联点。直流侧滤波电容C _o与整流/逆变桥臂6并联。直流侧滤波电容C _o可接负载（整流时）也可接直流电压源（逆变时）。

下面以图1中的单级式隔离型三相双向AC/DC变换器为例，结合图2-4分别叙述单级式隔离型三相双向AC/DC变换器的具体工作原理。

在分析之前，作如下假设：1）所有开关管和二极管均为理想器件；2）所有电感、电容和变压器均为理想元件；3）直流侧滤波电容足够大，可近似认为是一个电压源V _dc，V _dc为直流侧电压。

整流时，变换器交流侧为输入侧，接三相交流电压源，直流侧为输出侧，接负载。逆变时，变换器直流侧为输入侧，接直流电压源，交流侧为输出侧，接负载或者三相交流电压源。如附图2所示，采用电压外环、电流内环的双环控制策略以及SVPWM调制方法对变换器进行控制。电压外环的作用是维持直流母线电压的恒定，电压调节器的输出为电流的给定信号。电流内环的作用是使变换器的实际输入电流能够跟踪电压外环输出的电流给定，实现单位功率因数的控制。具体实现中, 由于在三相静止坐标系下电压和电流之间存在耦合，控制复杂，可采用基于两相旋转坐标系的前馈解耦控制方法，对两相旋转坐标系下的电流直轴分量i _d和交轴分量i _q分别进行控制，即对变换器的有功功率和无功功率进行独立控制，可以简化控制环路参数的设计。上述的控制方法已经广泛应用于目前的三相PWM整流器、三相桥式逆变器中。但是，由于本发明的变换器中引入了高频变压器，需要考虑变压器磁复位问题，之前的SVPWM调制技术的具体实施过程并不适用于本发明的变换器，需要对其进行改进，以保证变换器能够正常运行。

图3是单级式隔离型三相双向AC/DC变换器基本电压空间矢量及扇区划分图。按照相电流方向以及6条非零基本电压矢量共分为12个扇区。图4是单级式隔离型三相双向AC/DC变换器扇区1电压矢量图。下面结合表1和图4以扇区1为例对单级式隔离型三相双向AC/DC变换器工作于整流模式时（相电流与相电压同相位）的SVPWM调制方法作具体阐述：

采用

Figure 2013101621620100002DEST_PATH_IMAGE001

的格式定义开关状态，其中a、b、c分别代表对应A、B、C三相的三个双向开关的开关状态，d、e代表半桥桥臂4的两个开关管的开关状态。f代表变压器原边电流的方向（图1中箭头方向为参考正方向）。每个开关状态对应一条空间矢量。

SVPWM 的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。当电压矢量位于扇区1时，选择相邻的参考电压矢量、

Figure 2013101621620100002DEST_PATH_IMAGE003

以及零矢量

合成所需要的电压矢量。因此电压矢量的表达式为：

Figure 2013101621620100002DEST_PATH_IMAGE005

其中

、

由电压矢量的角度决定，可通过计算而得。由于变压器副边可认为是电压源，因此流过变压器电流的方向决定了变压器两端的电压方向。为了保证变压器的磁复位，就必须保证变压器原边电流为正的时间与为负的时间相等，即

Figure 2013101621620100002DEST_PATH_IMAGE009

由此，

、

、

、

可计算而得，再根据表1中开关状态对应的导通器件以及开关状态切换顺序可得到该扇区内合成所需要的电压矢量的开关管驱动波形。其它11个扇区的电压矢量合成方法可以此类推。

当单级式隔离型三相双向AC/DC变换器工作于整流模式时，第一开关管Q _a1、第二开关管Q _a4、第三开关管Q _b1、第四开关管Q _b4、第五开关管Q _c1、第六开关管Q _c4、第十五开关管Q _s1、第十六开关管Q _s2、第十七开关管Q _s3、第十八开关管Q _s4的导通器件为反并二极管，不用驱动。

当单级式隔离型三相双向AC/DC变换器工作于逆变模式时，相电流与相电压反相位；与整流模式相比，相应的导通器件发生了变化，第十三开关管Q _p1、第十四开关管Q _p2的导通器件为反并二极管，不用驱动；变换器在两种模式下SVPWM模块输出的每个开关管驱动波形将发生变化，但上述电压矢量的合成原理依然适用。此外，为了实现整流和逆变模式之间的无缝切换，可采用直流侧电压分区的方法，以不同的直流侧电压值来判断变换器的工作模式。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

表1 扇区1 SVPWM工作原理

Claims

1.一种单级式隔离型三相双向AC/DC变换器，其特征是：包括三个交流侧电感(1)、三相桥臂(2)、三个双向开关(3)、半桥桥臂(4)、隔离变压器(5)、整流/逆变桥臂(6) 和直流侧滤波电容(7)，三相桥臂(2)的三个桥臂中点分别与一个交流侧电感(1)和一个双向开关(3)相连，三个双向开关(3)的另一端均与隔离变压器(5)原边绕组同名端相连，半桥桥臂(4)与三相桥臂(2)并联，半桥桥臂(4)的桥臂中点与隔离变压器(5)原边绕组异名端相连，隔离变压器(5)副边绕组与整流/逆变桥臂(6)的两个中点相连，整流/逆变桥臂(6)与直流侧滤波电容(7)并联。

2.根据权利要求1所述单级式隔离型三相双向AC/DC变换器，其特征是：所述三相桥臂(2)由六个开关管组成，第一开关管Q _a1的发射极与第二开关管Q _a4的集电极相连作为一个桥臂，第三开关管Q _b1的发射极与第四开关管Q _b4的集电极相连作为一个桥臂，第五开关管Q _c1的发射极与第六开关管Q _c4的集电极相连作为一个桥臂，第一开关管Q _a1、第三开关管Q _b1、第五开关管Q _c1的集电极相连，第二开关管Q _a4、第四开关管Q _b4、第六开关管Q _c4的发射极相连。

3.根据权利要求1所述单级式隔离型三相双向AC/DC变换器，其特征是：所述三个双向开关(3)由六个开关管组成，第七开关管Q _a2的发射极与第八开关管Q _a3的发射极相连组成一个双向开关，第九开关管Q _b2的发射极与第十开关管Q _b3的发射极相连组成一个双向开关，第十一开关管Q _c2的发射极与第十二开关管Q _c3的发射极相连组成一个双向开关。

4.根据权利要求1所述单级式隔离型三相双向AC/DC变换器，其特征是：所述半桥桥臂(4)由两个开关管组成，第十三开关管Q _p1的发射极与第十四开关管Q _p2的集电极相连。

5.根据权利要求1所述单级式隔离型三相双向AC/DC变换器，其特征是：所述整流/逆变桥臂(6)由四个开关管组成，第十五开关管Q _s1的发射极与第十六开关管Q _s2的集电极相连作为一个桥臂，第十七开关管Q _s3的发射极与第十八开关管Q _s4的集电极相连作为一个桥臂，第十五开关管Q _s1、第十七开关管Q _s3的集电极相连，第十六开关管Q _s2、第十八开关管Q _s4的发射极相连。

6.根据权利要求2至5任意一项所述单级式隔离型三相双向AC/DC变换器，其特征是：所述开关管均由一个单向开关管和一个二极管并联组成，并联时单向开关管的发射极与二极管的阳极相连，单向开关管的集电极与二极管的阴极相连。

7.根据权利要求6所述单级式隔离型三相双向AC/DC变换器，其特征是：所述二极管为IGBT的反并二极管或者MOSFET的寄生二极管。

8.一种权利要求1所述单级式隔离型三相双向AC/DC变换器的SVPWM控制方法，其特征是：采用

Figure 2013101621620100001DEST_PATH_IMAGE001

格式定义开关状态，其中a、b、c分别代表对应A、B、C三相的三个双向开关(3)的开关状态，d、e代表半桥桥臂(4)中两个开关管的开关状态，f代表隔离变压器(5)中原边电流的方向，每组开关状态对应一条基本空间矢量，按照相电流方向以及6条非零基本电压矢量将一个工频周期分为12个扇区进行矢量合成，合成时在每个开关周期内隔离变压器(5)中原边电流为正电流与负电流的时间相等，以保证变压器的磁复位。