本发明涉及频率变换技术领域，具体涉及一种双向频率变换器及其控制方法。
背景技术：
三相交流输入单相交流输出的电能频率变换装置在特殊场合具有多种用途，例如，将三相工频交流电变换为单相高频感应加热电源的场合、从三相50hz公用交流电网变换为16.7hz电力机车单相交流电的场合等。
现有专利文件cn108923664a(公开日：2018.11.30)公开了一种三相输入单相输出频率变换器及控制策略，这种频率变换器实现了交流-交流变换，比起交流-直流-交流变换的方案减少了中间环节，降低了系统损耗，但是无法实现输入端和输出端同频率。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种双向频率变换器及其控制方法，实现了输入输出同频率。
本发明的一方面，提出一种双向频率变换器，所述双向频率变换器包括：三相联接变压器、级联变流器a′、级联变流器b′、级联变流器c′和级联变流器d′；
所述三相联接变压器采用三角形/星形连接形式，且副边绕组的星接点连接到单相交流侧的端子n；
所述三相联接变压器的副边绕组端子a、b、c分别通过所述级联变流器a′、所述级联变流器b′、所述级联变流器c′连接到所述单相交流侧的端子x；
所述单相交流侧的端子x与端子n之间并联所述级联变流器d′；
所述三相联接变压器原边绕组的三个端子作为输入端子，所述单相交流侧的端子x和端子n作为输出端子，进而实现三相输入-单相输出；或者，
所述单相交流侧的端子x和端子n作为输入端子，所述三相联接变压器原边绕组的三个端子作为输出端子，进而实现单相输入-三相输出。
优选地，所述级联变流器a′、所述级联变流器b′和所述级联变流器c′均由m个相同的功率模块级联构成；
所述级联变流器d′由n个相同的功率模块级联构成；
其中，m和n均为正整数。
优选地，所述级联变流器a′、所述级联变流器b′、所述级联变流器c′和所述级联变流器d′均采用功率模块电容电压外环和各自电流作为内环的双闭环控制。
优选地，所述级联变流器a′中的第一个功率模块的端子t1连接到所述三相联接变压器副边绕组的端子a；所述级联变流器a′中的第k个功率模块的端子t2连接到第k+1个功率模块的端子t1，k＝1，2，…，m-1；所述级联变流器a′中的第m个功率模块的端子t2连接到所述单相交流侧的端子x；
所述级联变流器b′中的第一个功率模块的端子t1连接到所述三相联接变压器副边绕组的端子b；所述级联变流器b′中的第k个功率模块的端子t2连接到第k+1个功率模块的端子t1，k＝1，2，…，m-1；所述级联变流器b′中的第m个功率模块的端子t2连接到所述单相交流侧的端子x；
所述级联变流器c′中的第一个功率模块的端子t1连接到所述三相联接变压器副边绕组的端子c；所述级联变流器c′中的第k个功率模块的端子t2连接到第k+1个功率模块的端子t1，k＝1，2，…，m-1；所述级联变流器c′中的第m个功率模块的端子t2连接到所述单相交流侧的端子x；
所述级联变流器d′中的第一个功率模块的端子t1连接到所述单相交流侧的端子x；所述级联变流器d′中的第k个功率模块的端子t2连接到第k+1个功率模块的端子t1，k＝1，2，…，n-1；所述级联变流器d′中的第n个功率模块的端子t2连接到所述单相交流侧的端子n。
优选地，所述三相联接变压器的副边绕组端子a、b、c的电流ia、ib、ic与所述三相联接变压器原边三相电流ia、ib、ic满足下式的关系：
ia＝iab-ica＝ktr*(ia-ic)
ib＝ibc-iab＝ktr*(ib-ia)
ic＝ica-ibc＝ktr*(ic-ib)
其中，ktr为所述三相联接变压器副边与原边电压之比，且有：
iab＝ktr*ia
ibc＝ktr*ib
ica＝ktr*ic
iab、ibc、ica分别为所述三相联接变压器原边的三相绕组中流过的电流；
所述级联变流器d′内的电流id与负载电流ix、副边绕组电流ia、ib和ic之间满足下式的关系：
id＝ia+ib+ic-ix。
本发明的另一方面，提出一种双向频率变换器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
控制每个功率模块的输出电压，使得所述级联变流器a′、所述级联变流器b′和所述级联变流器c′的电压均由两个频率的交流成分组成，且满足如下关系：
uax＝uax1+uax2
ubx＝ubx1+ubx2
ucx＝ucx1+ucx2
其中，uax、ubx和ucx分别为所述级联变流器a′、所述级联变流器b′和所述级联变流器c′的电压；uax1、ubx1和ucx1的频率均与所述三相联接变压器原边三相交流侧电压频率相同，uax2、ubx2和ucx2的频率均与单相交流侧端子x、端子n间的交流电压频率相同。
优选地，所述控制方法还包括：
控制所述级联变流器d′的电压ud只含有单相侧频率的交流成分，且近似等于单相交流侧端子x与端子n间的交流电压uxn。
优选地，所述控制方法还包括：
在输入侧和输出侧频率不同的情况下，分别控制所述级联变流器a′、所述级联变流器b′和所述级联变流器c′各自的两个不同频率的电压和两个不同频率的电流形成的有功功率之和为零，并且控制所述级联变流器d′的电压和电流形成的有功功率也为零。
优选地，所述控制方法还包括：
在输入侧和输出侧频率相同的情况下，分别控制所述级联变流器a′、所述级联变流器b′、所述级联变流器c′和所述级联变流器d′各自的电压和电流形成的有功功率之和为零。
与最接近的现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明与专利文件cn108923664a一样，均实现了交流-交流变换，比起交流-直流-交流变换的方案减少了中间环节，降低了系统损耗；另外，本发明通过在单相交流侧增加级联变流器d′，实现了输入端和输出端同频率，这是专利cn108923664a的频率变换器所无法实现的。
附图说明
图1是本发明的双向频率变换器实施例的主要构成示意图；
图2是本发明的双向频率变换器实施例中功率模块的一种具体实现电路原理图；
图3是本发明的双向频率变换器的控制方法实施例的主要步骤示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置、元件或参数的相对重要性，因此不能理解为对本发明的限制。
图1是本发明的双向频率变换器实施例的主要构成示意图。如图1所示，本实施例中的双向频率变换器包括：三相联接变压器、级联变流器a′、级联变流器b′、级联变流器c′和级联变流器d′。
其中，三相联接变压器的原边绕组采用三角形连接形式，副边绕组采用星形连接形式，且副边绕组的星接点连接到单相交流侧的端子n；三相联接变压器的副边绕组端子a、b、c分别通过级联变流器a′、级联变流器b′、级联变流器c′连接到单相交流侧的端子x；单相交流侧的端子x与端子n之间并联级联变流器d′。即级联变流器a′的两端分别连接到端子a和端子x，级联变流器b′的两端分别连接到端子b和端子x；级联变流器c′的两端分别连接到端子c和端子x；级联变流器d′的两端分别连接到端子x和端子n。
图1中画出了将三相联接变压器原边绕组的三个端子作为输入端子，将单相交流侧的端子x和端子n作为输出端子，进而实现三相输入-单相输出。如果将单相交流侧的端子x和端子n作为输入端子，将三相联接变压器原边绕组的三个端子a、b、c作为输出端子，就可以实现单相输入-三相输出。
本实施例中，级联变流器a′、级联变流器b′和级联变流器c′均由m个相同的功率模块级联构成；级联变流器d′由n个相同的功率模块级联构成；其中，m和n均为正整数。级联变流器a′、级联变流器b′、级联变流器c′和级联变流器d′均采用功率模块电容电压外环和各自电流作为内环的双闭环控制。
具体地，本实施例中各级联变流器的构成如下：
级联变流器a′中的第一个功率模块pm-1的端子t1连接到三相联接变压器副边绕组的端子a；级联变流器a′中的第k个功率模块的端子t2连接到第k+1个功率模块的端子t1，k＝1，2，…，m-1；级联变流器a′中的第m个功率模块pm-m的端子t2连接到单相交流侧的端子x。
级联变流器b′中的第一个功率模块pm-1的端子t1连接到三相联接变压器副边绕组的端子b；级联变流器b′中的第k个功率模块的端子t2连接到第k+1个功率模块的端子t1，k＝1，2，…，m-1；级联变流器b′中的第m个功率模块pm-m的端子t2连接到单相交流侧的端子x。
级联变流器c′中的第一个功率模块pm-1的端子t1连接到三相联接变压器副边绕组的端子c；级联变流器c′中的第k个功率模块的端子t2连接到第k+1个功率模块的端子t1，k＝1，2，…，m-1；级联变流器c′中的第m个功率模块pm-m的端子t2连接到单相交流侧的端子x。
级联变流器d′中的第一个功率模块pm-1的端子t1连接到单相交流侧的端子x；级联变流器d′中的第k个功率模块的端子t2连接到第k+1个功率模块的端子t1，k＝1，2，…，n-1；级联变流器d′中的第n个功率模块pm-n的端子t2连接到单相交流侧的端子n。
基于双向频率变换器的上述结构，三相联接变压器的副边绕组端子a、b、c的电流ia、ib、ic与三相联接变压器原边绕组端子a、b、c的电流ia、ib、ic满足如公式(1)-(3)所示的关系：
ia＝iab-ica＝ktr*(ia-ic)(1)
ib＝ibc-iab＝ktr*(ib-ia)(2)
ic＝ica-ibc＝ktr*(ic-ib)(3)
其中，ktr为三相联接变压器副边与原边电压之比，且原边绕组中流过的电流iab、ibc、ica与副边绕组端子的电流ia、ib、ic之间满足公式(4)-(6)所示的关系：
iab＝ktr*ia(4)
ibc＝ktr*ib(5)
ica＝ktr*ic(6)
级联变流器d′内的电流id与负载电流ix、副边绕组电流ia、ib和ic之间满足公式(7)所示的关系：
id＝ia+ib+ic-ix(7)
图2是本发明的双向频率变换器实施例中功率模块的一种具体实现电路原理图。功率模块pm由直流电容cdc、开关s1-s4和二极管d1-d4构成；开关s1与开关s2的公共连接点为t1，开关s3与开关s4的公共连接点为t2，开关s1和开关s3的集电极均连接到直流电容cdc的正极，开关s2和开关s4的发射极连接到直流电容cdc的负极；开关sr的集电极与二极管dr阴极连接在一起，开关sr的发射极与二极管dr阳极连接在一起，此处的r＝1，2，3，4。
针对每一个功率模块都有相应的控制电路，均可采用常用的现有技术来实现，故图1和图2中未画出。
基于上述双向频率变换器，本发明还提出了针对该变换器的控制方法，下面进行具体说明。
图3是本发明的双向频率变换器的控制方法实施例的主要步骤示意图。如图3所示，本实施例的控制方法包括：
步骤s1，控制每个功率模块的输出电压，使得级联变流器a′、级联变流器b′和级联变流器c′的电压均由两个频率的交流成分组成，且满足如公式(8)-(10)所示的关系：
uax＝uax1+uax2(8)
ubx＝ubx1+ubx2(9)
ucx＝ucx1+ucx2(10)
其中，uax、ubx和ucx分别为级联变流器a′、级联变流器b′和级联变流器c′的电压；uax1、ubx1和ucx1的频率均与三相联接变压器原边三相交流侧电压频率相同，uax2、ubx2和ucx2的频率均与单相交流侧端子x和n间的交流电压频率相同。uax1、uax2分别为uax的第一交流成分和第二交流成分，ubx1、ubx2分别为ubx的第一交流成分和第二交流成分，ucx1、ucx2分别为ucx的第一交流成分和第二交流成分。
步骤s2，控制级联变流器d′的电压ud只含有单相侧频率的交流成分，且近似等于单相交流侧端子x与端子n间的交流电压uxn。
步骤s3，在输入侧和输出侧频率不同的情况下，分别控制级联变流器a′、级联变流器b′和级联变流器c′各自的两个不同频率的电压和两个不同频率的电流形成的有功功率之和为零，并且控制级联变流器d′的电压ud和电流id形成的有功功率也为零；在输入侧和输出侧频率相同的情况下，分别控制级联变流器a′、级联变流器b′、级联变流器c′和级联变流器d′各自的电压和电流形成的有功功率之和为零。
具体地，在输入侧和输出侧频率不同的情况下，当输出侧电流ix在级联变流器a′、级联变流器b′和级联变流器c′中均分时，满足如公式(11)-(14)所示的关系：
p(uax1,ia-ix/3)+p(uax2,ix/3)＝0(11)
p(ubx1,ib-ix/3)+p(ubx2,ix/3)＝0(12)
p(ucx1,ic-ix/3)+p(ucx2,ix/3)＝0(13)
p(ud,id)＝0(14)
实际上，在输入侧和输出侧频率不同的情况下，只要保证第一交流成分的电压和第一交流成分的电流所形成的有功功率与第二交流成分的电压和第二交流成分的电流所形成的有功功率之和为0即可，因此，更一般的关系如公式(15)-(18)所示：
p(uax1,ia-kaix)+p(uax2,kaix)＝0(15)
p(ubx1,ib-kbix)+p(ubx2,kbix)＝0(16)
p(ucx1,ic-kcix)+p(ucx2,kcix)＝0(17)
p(ud,id)＝0(18)
其中，ix为单相侧的负载电流，ka，kb，kc为系数。
具体地，在输入侧和输出侧频率相同的情况下，满足的关系如公式(19)-(22)所示：
p(uax,ia)＝0(19)
p(ubx,ib)＝0(20)
p(ucx,ic)＝0(21)
p(ud,id)＝0(22)
其中，uax为端子a、x之间的电压，ubx为端子b、x之间的电压，ucx为端子c、x之间的电压，ud为端子d、n之间的电压。
其中，函数p(x1，x2)表示关于变量x1和x2之间的有功功率，式中的ix为单相侧的负载电流。通过本步骤的控制方法，可以保证功率模块的电压稳定。
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。