一种无直流母线储能元件的交-交功率变换器的制作方法

本发明涉及功率变换器领域，特别是涉及一种无直流母线储能元件的交-交功率变换器。

背景技术

在现代电能生产和消费环节，交-交功率变换器均可以起到重要作用。例如，风力发电机产生的电压频率通常是变化的，导致发电机无法直接与公用电网相连。交-交功率变换器可以起到发电机与电网之间的接口作用，产生与电网频率相同的电压，使得变频发电机产生的电能可以传输到电力系统中。

目前在工业生产中应用最多的交-交功率变换器包括交-直-交功率变换器和双pwm变换器。这两类变换器均需要在直流母线上安装大容量的储能电容，增加了系统的体积和重量、降低了系统的功率密度。此外，，大容量的直流母线储能电容一般采用电解电容，是整个系统可靠性最为薄弱的环节，其故障率在整个功率变换器系统中占比达到30％。特别在某些工作环境苛刻的应用场合，如航空内装式起动/发电机系统，环境温度高达300℃以上，电解液易挥发，电解电容难以正常工作。

为解决这两类变换器存在的问题，学术界提出了矩阵变换器(mc)，mc包括直接式和双级式两种典型的拓扑，无需大容量直流母线储能元件，容易获得高效率的功率转换。然而，受限于功率器件的发展水平，mc所需的双向开关需由分离器件构成，其存在如下问题：1)分离器件不利于系统集成，限制了系统功率密度的进一步提高；2)分离器件构成的双向开关持续导通负载电流，导通损耗较大，限制了转换效率的进一步提高；3)双向开关采用pwm控制，频繁的开关动作产生大量的开关损耗，也对转换效率产生不利影响。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能够减小导通损耗和开关损耗的、利于集成的无直流母线储能元件的交-交功率变换器。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的无直流母线储能元件的交-交功率变换器，包括直流母线连在一起的第一三相全桥电路、第二三相全桥电路和第三三相全桥电路，第一三相全桥电路的交流输入侧输入三相电源，第一滤波电容的一端、第二滤波电容的一端以及第三滤波电容的一端相连，第一滤波电容的另一端连接第一相电源，第二滤波电容的另一端连接第二相电源，第三滤波电容的另一端连接第三相电源，三相电源中的每一相电源分别通过滤波电感连接第三三相全桥电路中每一相的交流输入侧。

进一步，所述第一三相全桥电路的控制方法包括以下步骤：

s1.1：采集三相电源电压ua、ub和uc；

s1.2：根据ua、ub和uc的大小关系决定第一三相全桥电路的开关状态，电压最大的一相上桥臂开关导通，电压最小的一相下桥臂开关导通，其余开关保持关断。

进一步，所述第二三相全桥电路的控制方法包括以下步骤：

s2.1：采集三相电源电压ua、ub和uc；

s2.2：计算直流母线电压udc；udc为三相电源电压ua、ub和uc中最大值与最小值之差；

s2.3：计算第二三相全桥电路的调制比m；m为期望的输出电压幅值uom^*与直流母线电压udc之比；

s2.4：采用空间矢量调制算法或载波调制算法产生第二三相全桥电路的开关信号。

进一步，所述第三三相全桥电路的控制方法包括以下步骤：

s3.1：采集三相电源电压ua、ub和uc；

s3.2：判断ua、ub、uc的大小关系，电压最大的一相上桥臂开关导通，下桥臂开关关断；电压最小的一相上桥臂开关关断，下桥臂开关导通；

s3.3：对于电压大小为中间的相，其上、下桥臂采用脉冲宽度调制技术。

进一步，所述步骤s3.3中，对于电压大小为中间的相，其上、下桥臂的占空比信号自于滤波电感的电流闭环控制，具体步骤如下：

s3.3.1：采集该相交流侧滤波电感的电流，作为闭环控制器的反馈信号iy；

s3.3.2：计算该相电流的参考值iy^*，步骤如下：

s3.3.2.1：根据式(1)计算出三相电源电压ua、ub和uc在两相静止坐标系下的分量uα和uβ：

s3.3.2.2：根据式(2)计算出三相电源电流在两相静止坐标系下的参考值和

式(2)中，p^*为变换器传输的有功功率，由负载决定；q^*为期望的电源无功功率；

s3.3.2.3：进一步，根据式(3)计算出三相电源电流的参考值ia^*、ib^*、ic^*：

s3.3.2.4：在ia^*、ib^*、ic^*中选择对应于电压大小为中间相的电流，以此作为电流iy的参考值iy^*；

s3.3.3：将iy^*和iy的差值作为闭环控制器的输入信号，其中闭环控制器为比例-积分控制器，产生的信号为该相滤波电感电压的期望值ul^*；

s3.3.4：根据ul^*计算出该相上桥臂开关的占空比dp和下桥臂开关的占空比dn：

式(4)中，umax为三相电源电压ua、ub和uc中的最大值，umid为三相电源电压ua、ub和uc中的中间值，umin为三相电源电压ua、ub和uc中的最小值。

有益效果：本发明公开了一种无直流母线储能元件的交-交功率变换器，具有如下有益效果：

1)无需直流母线储能元件，有利于提高系统的功率密度；

2)可采用成熟的三相全桥功率模块构建，容易实现，可提高系统的集成度；

3)第一三相全桥电路的开关频率为工频，具有非常低的开关损耗；

4)在任意时刻，第三三相全桥电路中只有一个桥臂进行斩波控制，其开关损耗也很小；

5)第一三相全桥电路和第三三相全桥电路共同导通负载电流，因此两者总的电流应力并不增加，且由于均流过较小的电流，系统的导通损耗较小。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中功率变换器的拓扑结构图；

图2为本发明具体实施方式中三相电源电压、直流母线电压和直流母线电流低频分量的示例波形；

图3为本发明具体实施方式中第一三相全桥电路和第三三相全桥电路的交流输入侧电流以及电源电流的示例波形；

图4为本发明具体实施方式中三相输出电压和电流的示例波形。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种无直流母线储能元件的交-交功率变换器，如图1所示，包括直流母线连在一起的第一三相全桥电路1、第二三相全桥电路2和第三三相全桥电路3，第一三相全桥电路1的交流输入侧输入三相电源，第一滤波电容的一端、第二滤波电容的一端以及第三滤波电容的一端相连，第一滤波电容的另一端连接第一相电源，第二滤波电容的另一端连接第二相电源，第三滤波电容的另一端连接第三相电源，三相电源中的每一相电源分别通过滤波电感连接第三三相全桥电路3中每一相的交流输入侧。其中，三个滤波电容组成的三相滤波电容4、三个滤波电感组成的三相滤波电感5也如图1所示。

第一三相全桥电路1的控制方法包括以下步骤：

s1.1：采集三相电源电压ua、ub和uc；

s1.2：根据ua、ub和uc的大小关系决定第一三相全桥电路1的开关状态，电压最大的一相上桥臂开关导通，电压最小的一相下桥臂开关导通，其余开关保持关断。

在上述第一个三相全桥电路的控制方法下，直流母线电压udc的波形如图2所示。由图可知，udc始终为电源电压的最大线电压，其不为恒定值。因此，第二个三相全桥电路的调制算法中要考虑进波动的udc。只需要在其调制算法中用udc实时修正调制比即可，具体的做法为：第二三相全桥电路2的控制方法包括以下步骤：

s2.1：采集三相电源电压ua、ub和uc；

s2.2：计算直流母线电压udc；udc为三相电源电压ua、ub和uc中最大值与最小值之差；

s2.3：计算第二三相全桥电路2的调制比m；m为期望的输出电压幅值uom^*与直流母线电压udc之比；

s2.4：采用空间矢量调制算法或载波调制算法产生第二三相全桥电路2的开关信号。

交-交功率变换器常用于驱动恒功率负载，在该情况下，第二个三相全桥电路产生的直流母线电流的低频分量亦绘制于图2中。

由于直流母线p端已被第一个三相全桥电路箝位于电压最大的输入相，n端被箝位于电压最小的输入相，因此，第三个三相全桥电路的对应相桥臂也应箝位，以防止其交流滤波电感的电流失控，具体做法为：第三三相全桥电路3的控制方法包括以下步骤：

s3.1：采集三相电源电压ua、ub和uc；

s3.2：判断ua、ub、uc的大小关系，电压最大的一相上桥臂开关导通，下桥臂开关关断；电压最小的一相上桥臂开关关断，下桥臂开关导通；

s3.3：对于电压大小为中间的相，其上、下桥臂采用脉冲宽度调制技术。

步骤s3.3中，对于电压大小为中间的相，其上、下桥臂的占空比信号自于滤波电感的电流闭环控制，具体步骤如下：

s3.3.1：采集该相交流侧滤波电感的电流，作为闭环控制器的反馈信号iy；

s3.3.2：计算该相电流的参考值iy^*，步骤如下：

s3.3.2.1：根据式(1)计算出三相电源电压ua、ub和uc在两相静止坐标系下的分量uα和uβ：

s3.3.2.2：根据式(2)计算出三相电源电流在两相静止坐标系下的参考值和

式(2)中，p^*为变换器传输的有功功率，由负载决定；q^*为期望的电源无功功率；

s3.3.2.3：进一步，根据式(3)计算出三相电源电流的参考值ia^*、ib^*、ic^*：

s3.3.2.4：在ia^*、ib^*、ic^*中选择对应于电压大小为中间相的电流，以此作为电流iy的参考值iy^*；

s3.3.3：将iy^*和iy的差值作为闭环控制器的输入信号，其中闭环控制器为比例-积分控制器，产生的信号为该相滤波电感电压的期望值ul^*；

s3.3.4：根据ul^*计算出该相上桥臂开关的占空比dp和下桥臂开关的占空比dn：

式(4)中，umax为三相电源电压ua、ub和uc中的最大值，umid为三相电源电压ua、ub和uc中的中间值，umin为三相电源电压ua、ub和uc中的最小值。

下面以ua>ub>uc的关系进行进一步详细说明，其它电压关系下变换器的工作原理类似。此时，在第一三相全桥电路1中，a相上桥臂开关和c相下桥臂开关保持导通，其余开关关断。在第三三相全桥电路3中，a相上桥臂开关保持导通，其交流侧滤波电感通过该开关流向直流母线p端；c相下桥臂开关也保持导通，其交流侧滤波电感通过该开关流向直流母线n端；b相开关的上桥臂和下桥臂进行斩波控制。

根据上述的第一三相全桥电路1和第三三相全桥电路3的控制方法可知，a相电源电流由流过第一三相全桥电路1和第三三相全桥电路3的a相上桥臂开关电流组成，c相电源电流由流过第一三相全桥电路1和第三三相全桥电路3的c相下桥臂开关电流组成。而b相电源电流只为流过第三三相全桥电路3的b相桥臂的电流。因此，为实现三相电源电流的正弦化，首先应保证b相电源电流的正弦化。根据瞬时功率理论，在两相静止坐标系下电源电流的参考值和为：

式中，p^*为变换器传输的有功功率，由负载决定；q^*为期望的电源无功功率；uα和uβ为三相电源电压(ua，ub，uc)在两相静止坐标系下的分量，其计算方法为：

根据和可计算出三相电源电流的参考值ia^*、ib^*、ic^*：

采集b相电感电流ib，将ib^*和ib的差值作为闭环控制器(如比例-积分控制器)的输入信号，该闭环控制器产生的输出信号为b相滤波电感的电压差期望值ul^*。根据图1，可知b相电路的电压满足：

其中，dp和dn为b相上桥臂和下桥臂开关的占空比，它们之和应为1，即：

dp+dn＝1(9)

由上两式可解得：

在获得dp和dn后，即可产生b相上桥臂和下桥臂的开关信号。采用该闭环控制方法，可使得b相电源电流与其期望值相同，在期望值为正弦量时，即可实现电源电流的正弦化。在三相电源电压的大小满足其它关系时，变换器的工作原理类似。

图2到图4为本发明装置的一些关键电压和电流波形示例。图2中，直流母线电压始终为电源电压最大值与最小值之差，直流母线电流的低频分量则为期望输出的功率与直流母线电压之比。图3中，第一三相全桥电路1的交流输入电流和第三三相全桥电路3的交流输入电流相加为三相电源电流，因此两个全桥电路共同承担负载电流，总的器件电流应力不增加。电源电流中的高次谐波电流可通过额外的电源侧滤波器滤除，进而获得正弦化的电源电流。图4中，三相负载电流高度正弦化，表明本发明装置能够实现交-交功率变换。