專利名稱：三相高壓級(jí)聯(lián)型ac-dc-ac雙向變換器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相變換器，特別是一種大功率三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器及其控制方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的交流電壓變換采用電磁變壓器技術(shù)，低頻電磁變壓器廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、科研院所和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了 AC/AC變壓與電氣隔離等功能，功率傳遞效率高。但傳統(tǒng)的電磁變壓器體積大且笨重、音頻噪音大、無穩(wěn)壓功能、對非線性負(fù)載(如典型的二極管整流、電容濾波電路)供電時(shí)諧波污染電網(wǎng)現(xiàn)象嚴(yán)重，滿足不了電氣電子設(shè)備小型化的需要。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種功率變換裝置應(yīng)用而生。電力電子裝置種類繁多，交流一交流變換(AC/AC變換)是一種用應(yīng)很廣泛的功率變換裝置。利用半導(dǎo)體開關(guān)型電力變換電路，可以將一種頻率、電壓、波形的電能變換為另一種頻率、電壓、波形的電能，再對負(fù)載供電，可以大大提高用電效率和經(jīng)濟(jì)效益。AC/AC變換器主要可分為可控硅相控變頻器、具有諧振交流環(huán)節(jié)的AC/AC變換器、矩陣變換器和間接AC-DC-AC變換器。
尤其在大功率高壓變頻方面，間接AC-DC-AC型交交變換器是目前的主流交交變換技術(shù)。目前大功率高壓變頻的最通用結(jié)構(gòu)是前級(jí)采用多重化整流，后級(jí)采用功率單元串聯(lián)形成多電平輸出。輸入側(cè)采用大功率移相降壓變壓器組，通過多重化移相整流方式，將三相高壓交流轉(zhuǎn)換成多個(gè)低壓直流源，這樣可有效降低不可控整流器對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染。輸出側(cè)采用PWM逆變器和多電平PWM調(diào)制技術(shù)，將多個(gè)低壓功率單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，可適用于任何電壓的普通電機(jī)。同時(shí)，在某個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)退出系統(tǒng)，而其余的功率單元可繼續(xù)保持電機(jī)的運(yùn)行，減少停機(jī)所造成的損失。但是，該種結(jié)構(gòu)仍然采用移相變壓器，具有結(jié)構(gòu)復(fù) 雜、體積大，效率低、可靠性差等缺點(diǎn)。前級(jí)采用不可控整流，會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波電流，為抑制諧波分量而加裝的濾波器還帶來附加損耗，故其長期運(yùn)行費(fèi)用相對較高。同時(shí)有功能量不能雙向流動(dòng)，不能進(jìn)行電機(jī)的能量回饋控制。隨著高壓變頻技術(shù)的發(fā)展，特別是新的大功率可關(guān)斷器件的成功研制和高壓變頻技術(shù)的發(fā)展，該種高一低一高變頻調(diào)速方式由于其自身的缺點(diǎn)，在今后的發(fā)展中有被淘汰的趨勢。
圖1為傳統(tǒng)的輸出單元級(jí)聯(lián)型多電平高壓變頻器。
該結(jié)構(gòu)前級(jí)采用多重化整流，后級(jí)采用功率單元串聯(lián)形成多電平輸出是目前大功率高壓變頻的最通用結(jié)構(gòu)。輸入側(cè)首先采用移相降壓變壓器組，通過移相方式實(shí)現(xiàn)多重化整流，將三相高壓交流轉(zhuǎn)換成多個(gè)低壓直流源，這樣可有效降低不可控整流器對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染。輸出側(cè)采用單相PWM逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，然后利用多電平PWM調(diào)制技術(shù)將多個(gè)低壓的功率單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，可適用于任何電壓等級(jí)的普通電機(jī)。該種結(jié)構(gòu)仍然采用多個(gè)移相變壓器，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，效率低、可靠性差等缺點(diǎn)。同時(shí)前級(jí)采用不可控整流，諧波含量高。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器及其控制方法，減小變換器的體積和損耗，實(shí)現(xiàn)能量的高效變換與雙向傳輸，降低諧波，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器，包括三個(gè)輸入濾波電感、輸入側(cè)三相級(jí)聯(lián)型多電平PWM整流器、輸出側(cè)三相級(jí)聯(lián)型多電平PWM逆變器和三個(gè)輸出濾波電感，其特征在于，所述輸入側(cè)三相級(jí)聯(lián)型多電平PWM整流器通過三個(gè)輸入濾波電感連接電網(wǎng)，所述輸出側(cè)三相級(jí)聯(lián)型多電平PWM逆變器通過三個(gè)輸出濾波電感連接負(fù)載或者下級(jí)電網(wǎng)；所述輸入側(cè)三相級(jí)聯(lián)型多電平PWM整流器的每一相由若干個(gè)級(jí)聯(lián)單元的輸入側(cè)串聯(lián)組成，所述三相輸出側(cè)級(jí)聯(lián)型多電平PWM逆變器的每一相由所述若干個(gè)級(jí)聯(lián)單元的輸出側(cè)串聯(lián)組成，所述級(jí)聯(lián)單元包括兩個(gè)單相橋式逆變器，所述單相橋式逆變器的交流側(cè)與隔離變壓器連接，所述兩個(gè)單相橋式逆變器的直流側(cè)通過公共電容連接在一起。
一種三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器的控制方法，該方法為:
I)分別檢測A、B、C三相級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓的平均值Uavea、Uaveb、Uavec:Uavea= Σ Udan/N, Uaveb= Σ Udbn/N, Uavec= Σ udcn/N，其中 udxn, x e [a, b, c]分別表示 A, B, C 三相第n個(gè)級(jí)聯(lián)單元的直流側(cè)電壓值，N為每相級(jí)聯(lián)單元級(jí)聯(lián)數(shù)量；
2)將Α，B, C三相的級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓參考信號(hào)<分別與Α，B, C三相的級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓平均值相減，相減后的值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后與Α，B，C三相級(jí)聯(lián)單元的電壓同步信號(hào)相乘，得到Α，B，C三相級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓的調(diào)節(jié)指令ipa，ipb，ipc ；
3)將直流側(cè)電容電壓的調(diào)節(jié)指令ipa，ipb，ipc分別與期望的三相無功和有功指令信號(hào)im，ifc，ira疊加，得到電流內(nèi)環(huán)的參考指令信號(hào)/I，/；；
4)將電流內(nèi)環(huán)的參考指令信號(hào)ζ, ζ，<與檢測到的三相輸出電流ia，ib，i。相減，得到電流跟蹤誤差信號(hào)ea，eb, ec,電流跟蹤誤差信號(hào)ea，eb, ec經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到A，B，C三相的調(diào)制波信號(hào)ua，ub，u。；
5)利用上述調(diào)制波信號(hào)ua，ub, Uc得到A，B, C三相的各級(jí)聯(lián)單元實(shí)際調(diào)制波信號(hào)U、U=、U ;
6)將上述實(shí)際調(diào)制波信號(hào)U u；, <送入移相載波調(diào)制單元，得到A，B，C三相各個(gè)級(jí)聯(lián)單元的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管輸出期望的電壓電流信號(hào)。
所述步驟5)中，實(shí)際調(diào)制波信號(hào)<、u和<的計(jì)算過程如下:
I)將檢測到的A，B, C三相級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓平均值Uavex, X e [a, b, c]分別與每相內(nèi)第η個(gè)級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓udm，x e [a, b, c]相減后進(jìn)行P調(diào)節(jié)，然后與每相的電壓同步信號(hào)synx，X e [a, b, c]相乘，得到每相第η個(gè)級(jí)聯(lián)單元的直流側(cè)電容電壓調(diào)節(jié)指令 Διιχη，χ e [a, b, c]；
2)將直流側(cè)電容電壓調(diào)節(jié)指令Λ uxn, X e [a, b, c]疊加到每相的調(diào)制波信號(hào)ua，ub，U。上，得到每相的第η個(gè)級(jí)聯(lián)單元的實(shí)際調(diào)制波信號(hào)U!，u:, u::uI =Oa +A"al，…為 +Δμ訓(xùn)，...，"<, +O ’ % = (nh+Auhl,...yub +Aubn,...,Ub +Aum)，u* = (uc +Aucl,...^+Aucn,...,Uc +Aiicn);其中efaAc]:分別表示 A，B, C 三相的第 η 個(gè)級(jí)聯(lián)單元的實(shí)際調(diào)制波信號(hào)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為:本發(fā)明的三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器由輸入級(jí)聯(lián)型多電平PWM整流器和輸出級(jí)聯(lián)型多電平PWM逆變器組成，輸入和輸出可以直接進(jìn)行高壓變換，無需移相降壓變壓器，能大大減少裝置的體積和損耗，實(shí)現(xiàn)能量的高效變換與傳輸；由于輸入和輸出均采用的PWM變換技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的四象限運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)有功能量的雙向變換，同時(shí)采用PWM整流技術(shù)實(shí)現(xiàn)了輸入級(jí)的高功率因數(shù)整流，大大減小了變換器的諧波污染，改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。


圖1為傳統(tǒng)的輸出單元級(jí)聯(lián)型多電平高壓變頻器結(jié)構(gòu)意圖2為本發(fā)明一實(shí)施例三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3為本發(fā)明一實(shí)施例級(jí)聯(lián)單元電路圖4為本發(fā)明一實(shí)施例三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器的控制框圖5為本發(fā)明一實(shí)施例三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器的相內(nèi)電壓平衡控制框圖。
具體實(shí)施方式
如圖2所示，本發(fā)明一實(shí)施例三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器包括三個(gè)輸入濾波電感，輸入級(jí)聯(lián)型多電平PWM整流器，輸出級(jí)聯(lián)型多電平PWM逆變器和三個(gè)輸出濾波電感，輸入側(cè)級(jí)聯(lián)型多電平PWM整流器通過輸入濾波電感連接電網(wǎng)，輸出側(cè)級(jí)聯(lián)型多電平PWM逆變器通過輸出濾波電感連接負(fù)載或者下級(jí)電網(wǎng)。該結(jié)構(gòu)的基本級(jí)聯(lián)單元為兩個(gè)背靠背連接的單相橋式逆變器。通過采用多電平PWM調(diào)制技術(shù)，輸入側(cè)單相橋式逆變器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓整流，輸出側(cè)單相橋式逆變器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓輸出。同理，其他兩相的結(jié)構(gòu)相同。級(jí)聯(lián)單元中的兩個(gè)單相橋式逆變器通過公用的直流側(cè)電容形成了背靠背結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)一邊PWM整流和一邊PWM逆變功能，這樣可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的高功率因數(shù)運(yùn)行、同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)有功能量的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功、負(fù)序和諧波。該高壓級(jí)聯(lián)型變頻結(jié)構(gòu)不需要工頻移相變壓器，可以大大降低高壓變頻裝置的體積和損耗，同時(shí)大大提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
參見圖3，為本發(fā)明基于單相半橋逆變器的級(jí)聯(lián)單元。
該三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器的級(jí)聯(lián)單元是由兩個(gè)背靠背連接的單相半橋逆變器組成，而兩個(gè)背靠背的單相半橋逆變器通過公用直流側(cè)電壓連接在一起，兩單相半橋逆變器接隔離變壓器輸出。輸入級(jí)單相全橋逆變器由功率開關(guān)管Tal，Ta2，以及直流側(cè)電容C3和C4組成；輸出級(jí)單相全橋逆變器由功率開關(guān)管TA1，TA2，以及直流側(cè)電容C1和C2組成。這樣，該種級(jí)聯(lián)單元通過一邊PWM整流和一邊PWM逆變功能,可以實(shí)現(xiàn)有功能量的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的高功率因數(shù)運(yùn)行、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功、負(fù)序和諧波。
參見圖4， 為本發(fā)明三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器的控制框圖。
由于輸入級(jí)聯(lián)型多電平PWM整流器和輸出級(jí)聯(lián)型多電平PWM逆變器結(jié)構(gòu)對稱，兩者的控制框圖類似。從整體上講，三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器的控制框圖由電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)，相內(nèi)電壓平衡控制環(huán)及移相載波調(diào)制單元組成。
首先分別檢測A、B、C三相的級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓的平均值，有如下表達(dá):Uavea= Σ udan/N, Uaveb= Σ udbn/N, Uavec= Σ udcn/N。其中 udxn, x e [a, b, c]分別表示 A，B，C 三相第n個(gè)級(jí)聯(lián)單元的直流側(cè)電壓值，N為每相級(jí)聯(lián)單元級(jí)聯(lián)數(shù)量。
直流側(cè)電容電壓參考信號(hào)〃,分別與Α，B, C三相的級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓平均值相減，然后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，再與A，B，C三相的電壓同步信號(hào)synx，x e [a, b, c]相乘可得三相直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)指令ipa，ipb，ip。。
三相直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)指令ipa，ipb，ipc分別與期望的三相無功和有功指令信號(hào)疊加之后，可以得到電流內(nèi)環(huán)的參考指令信號(hào) ，ζ， 。輸入級(jí)聯(lián)型多電平PWM整流器和輸出級(jí)聯(lián)型多電平PWM逆變器分別通過疊加對應(yīng)的有功指令信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)有功能量的轉(zhuǎn)移。同時(shí)可以分別疊加一定的無功指令電流，這樣輸入級(jí)聯(lián)型多電平PWM整流器和輸出級(jí)聯(lián)型多電平PWM逆變器可以分別向所連接電網(wǎng)補(bǔ)償相應(yīng)的無功功率。
電流內(nèi)環(huán)指令信號(hào)ζ，ζ./I與檢測到三相輸出電流ia，ib，i。相減可以得到電流跟蹤誤差信號(hào)ea，eb, ec,電流的跟蹤誤差信號(hào)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)可以得到A，B，C三相的調(diào)制波信可 Ua, Ub, Uc。
調(diào)制波信號(hào)ua，ub, U。經(jīng)過相內(nèi)直流側(cè)電壓平衡控制可以得到A，B，C三相的各級(jí)聯(lián)單元實(shí)際調(diào)制波信號(hào)
權(quán)利要求
1.一種三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器，包括三個(gè)輸入濾波電感、輸入側(cè)三相級(jí)聯(lián)型多電平PWM整流器、輸出側(cè)三相級(jí)聯(lián)型多電平PWM逆變器和三個(gè)輸出濾波電感，其特征在于，所述輸入側(cè)三相級(jí)聯(lián)型多電平PWM整流器通過三個(gè)輸入濾波電感連接電網(wǎng)，所述輸出側(cè)三相級(jí)聯(lián)型多電平PWM逆變器通過三個(gè)輸出濾波電感連接負(fù)載或者下級(jí)電網(wǎng)；所述輸入側(cè)三相級(jí)聯(lián)型多電平PWM整流器的每一相由若干個(gè)級(jí)聯(lián)單元的輸入側(cè)串聯(lián)組成，所述三相輸出側(cè)級(jí)聯(lián)型多電平PWM逆變器的每一相由所述若干個(gè)級(jí)聯(lián)單元的輸出側(cè)串聯(lián)組成，所述級(jí)聯(lián)單元包括兩個(gè)單相橋式逆變器，所述單相橋式逆變器的交流側(cè)與隔離變壓器連接，所述兩個(gè)單相橋式逆變器通過直流側(cè)電容連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器，其特征在于，所述單相橋式逆變器為單相全橋逆變器或單相半橋逆變器。
3.—種權(quán)利要求1或2所述三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器的控制方法，其特征在于，該方法為: 1)分別檢測A、B、C三相級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓的平均值Uavea、Uaveb、Uavec:Uavea= Σ Udan/N, Uaveb= Σ Udbn/N, Uavec= Σ udcn/N，其中 udxn, x e [a, b, c]分別表示 A, B, C 三相第n個(gè)級(jí)聯(lián)單元的直流側(cè)電壓值，N為每相級(jí)聯(lián)單元級(jí)聯(lián)數(shù)量； 2)將Α，B，C三相的級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓參考信號(hào)分別與Α，B，C三相的級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓平均值相減，相減后的值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后與Α，B，C三相級(jí)聯(lián)單元的電壓同步信號(hào)相乘，得到Α，B，C三相級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓的調(diào)節(jié)指令ipa，ipb，ipc ； 3)將直流側(cè)電容電壓的調(diào)節(jié)指令ipa，ipb，ip。分別與期望的三相無功和有功指令信號(hào)im，ifc，疊加，得到電流內(nèi)環(huán)的參考指令信號(hào)1:，4% O 4)將電流內(nèi)環(huán)的參考指令信號(hào)ζ，ζ’ 與檢測到的三相輸出電流ia，ib，i。相減，得到電流跟蹤誤差信號(hào)ea，eb, ec,電流跟蹤誤差信號(hào)ea，eb, ec經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到A，B, C三相的調(diào)制波信號(hào)ua，Ub, U。； 5)利用上述調(diào)制波信號(hào)ua，ub,U。得到A，B, C三相的各級(jí)聯(lián)單元實(shí)際調(diào)制波信號(hào)<、4、u,: 6)將上述實(shí)際調(diào)制波信號(hào)U；；,<送入移相載波調(diào)制單元，得到A，B，C三相各個(gè)級(jí)聯(lián)單元的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管輸出期望的電壓電流信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器的控制方法，其特征在于，所述 步驟5)中，實(shí)際調(diào)制波信號(hào)<、％和< 的計(jì)算過程如下: 1)將檢測到的A，B,C三相級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓平均值Uavex, X e [a, b, c]分別與每相內(nèi)第η個(gè)級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓udm，x e [a, b, c]相減后進(jìn)行P調(diào)節(jié)，然后與每相的電壓同步信號(hào)synx，X e [a, b, c]相乘，得到每相第η個(gè)級(jí)聯(lián)單元的直流側(cè)電容電壓調(diào)節(jié)指令 Δ uxn, X e [a, b, c]； 2)將直流側(cè)電容電壓調(diào)節(jié)指令Διιχη,X e [a, b, c]疊加到每相的調(diào)制波信號(hào)ua, Ub, U。上，得到每相的第η個(gè)級(jí)聯(lián)單元的實(shí)際調(diào)制波信號(hào)< 二(Ha +Δ η1，...,"η +Δηο ，…，Wa +Δ )’ u； = (ub +Aubl,...0ub + Aubri,...,ub +Aum)，uc*=(uc+Δuc1,...,uc+Δucn,...,uc+ΔucN);其中uxn*,x∈[a,b,c]分別表示 A，B, C 三相的第 n個(gè)級(jí)聯(lián)單元的實(shí)際調(diào)制波信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三相高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器及其控制方法，其基本級(jí)聯(lián)單元由兩個(gè)背靠背的單相橋式逆變器組成。一邊單相橋式逆變器進(jìn)行PWM整流穩(wěn)壓吸收能量，一邊單相橋式逆變器進(jìn)行PWM逆變釋放能量，實(shí)現(xiàn)了有功能量的轉(zhuǎn)移；將N個(gè)級(jí)聯(lián)單元的輸入級(jí)和輸出級(jí)分別串聯(lián)，通過采用多電平PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)聯(lián)型多電平PWM整流和輸出級(jí)聯(lián)型多電平PWM逆變。此種結(jié)構(gòu)能直接實(shí)現(xiàn)高壓交交變換，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，可以廣泛應(yīng)于高壓變頻。與傳統(tǒng)的高壓變頻器相比，本發(fā)明的高壓級(jí)聯(lián)型AC-DC-AC雙向變換器不需要移相變壓器，可以直接進(jìn)行高壓變換，采用PWM整流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)整流，提高了配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
文檔編號(hào)H02M5/44GK103219896SQ20131012122
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者羅安, 馬伏軍, 劉月華, 何志興, 胡龍, 熊橋坡 申請人:湖南大學(xué)