一种可双向变换的非隔离式三相变换器及其控制方法与流程

本发明涉及电力电子及电池设备领域，具体涉及一种可双向变换的非隔离式三相变换器及其控制方法。

背景技术：

1、随着当前充电桩、家庭储能、商业储能等单向或者双向使用的大功率电源越来越多，采用三相供电方式的用电设备越来越普遍，同时还要求电源可随机充放，可削峰填谷；如电池储能，在能量富裕的时候可以将太阳能以及电网的能量转换为化学能储备在电池中，在能量使用高峰或者需要的时候又将电池中的化学能转换为电能释放到电网中，因此需要设备可以作交直流的双向变换，同时还需满足电池及电网的宽范围。如果电源设备没有功率因数校正(pfc)功能就会对电网的电能质量破坏很大，严重时甚至会导致电网的瘫痪。为满足电网质量要求，减少对电网的谐波污染或者造成配网不必要的输送负担，三相用电设备必须具备pfc功能或者增加滤波装置，降低对电网电能质量的破坏。

2、一般来说，对于三相交流输入的整流变换电路，如果需要pfc功能，则通常以升压型的两电平或者三电平的有源功率因数矫正为主。但升压后，输出电压较高，对后端所接的变换器或者负载使用有所限制，如输入标称三相三线380v的交流电压，输出一般都设定在720v左右，甚至高达800v。当后端输出电压还需要变换器调整时，常规的性能较好的功率管在650v以下，近年有电压稍高且高频开关性能较好的1200v左右的sic(碳化硅)等新型开关器件，但成本高昂；为解决整流变换器后端的直流变换器的功率器件的局限性，同时又兼顾效率及其他因素，近年来类似矩阵式的单级双向交直流变换器也成为大家研究的热点，以尽可能减少高频变化和损耗，但是这种单级双向交直流变换器又面临输入开关应力大，控制复杂，电网适应性差的问题。因此，有必要发明一种电路或者变换器，可以满足三相交流直流的双向升变换以及功率因数校正功能，同时连接后端的直流变换器后还可以实现高效率。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提出一种可双向变换的非隔离式三相变换器及其控制方法，解决现有技术存在的无法满足交直流宽范围或者需要两级变换器多次变换导致损耗大，变换复杂，从而不适宜在体积有限或者成本要求相对较高的场所进行应用的技术问题。

2、根据本发明的其中一方面，提出一种可双向变换的非隔离式三相变换器，其具有交流端和直流端，所述三相变换器包括交流滤波器、三相t型逆变桥、储能滤波单元以及升降压开关单元；所述交流滤波器一端为所述交流端、另一端连接至所述三相t型逆变桥的交流侧；所述三相t型逆变桥的直流侧连接至所述储能滤波单元；所述升降压开关单元一端为所述直流端、另一端连接所述储能滤波单元；所述三相变换器被配置为能工作于整流模式或逆变模式；当所述三相变换器工作于整流模式时，所述交流端为输入端，所述直流端为输出端，所述升降压开关单元在整流模式下进行降压输出；当所述三相变换器工作于逆变模式时，所述直流端为输入端，所述交流端为输出端，所述升降压开关单元在逆变模式下进行升压输入。

3、根据本发明的另一方面，还提出一种控制方法，用于控制三相变换器，所述三相变换器是前述的可双向变换的非隔离式三相变换器；所述控制方法包括如下步骤：s1、根据输入的三相三线电源电压信号的锁相或者程序设定的离网交流输出相位表，分析各相电源当前时刻所处的相位和区间段；并根据所述相位分析各所述区间段中各相电源的电压瞬时值大小；s2、在整流模式下，三相交流电源通过所述三相t型逆变桥中的二极管进行自然整流导通，或者控制所述三相t型逆变桥进行同步整流；在逆变模式下，根据三相交流电源的相位，对三相交流电源输出正半周中幅值最高相所连接的三相t型逆变桥中上桥臂施加驱动信号使其导通，对三相交流电源负半周中输出幅值最高相所连接的三相t型逆变桥中下桥臂施加驱动信号使其导通；无论是整流模式还是逆变模式下，根据三相交流电源的相位对三相t型逆变桥的中间桥臂施加驱动信号，使其在所连接的交流为中间相或者幅值最低相时保持直通；s3、在整流模式，并已完成对三相t型逆变桥的上、下桥臂及中间桥臂驱动导通后，根据当前相间电压瞬时差值的大小，确定最高相与次高相的输出电压值，如果中间相电压为正，则升降压开关单元中的第八开关管为升压开关管，第七开关管为续流管；当中间相电压变为负，则所述第七开关管为升压开关管，所述第八开关管为续流管；然后对升降压开关单元中的第七开关管或第八开关管施加驱动信号进行导通，使幅值最高相与中间相对升降压开关单元中的第四电感进行储能；然后关闭第七开关管或第八开关管的驱动信号，同时相应地对第八开关管或第七开关管施加驱动信号进行同步整流导通，使中间相电压与第四电感的释能电压进行串联，对储能滤波单元的电容充电，或对负载放电，与幅值最高相形成输入供电环路，完成三相交流的包络电压整流变换或六倍频脉动直流输出；s4、在逆变模式，直流端输入电源已按照三相交流的包络电压逆变变换或六倍频脉动所需直流进行供电，在完成对应的三相t型逆变桥的上、下桥臂及中间桥臂驱动导通后，根据当前幅值最高相与次高相的差值推算各相输出电压设定，并确定所需输出的相间电压瞬时差值的大小；如果中间相电压为正，则所述第七开关管为降压开关管，所述第八开关管为续流整流管；当中间相电压变为负，则所述第八开关管为降压开关管，所述第七开关管为续流整流管；然后对升降压开关单元中的第七开关管或第八开关管施加驱动信号进行导通，使第四电感与中间相电压进行串联，并与幅值最高相形成输出供电环路，输入电压为储能滤波单元的电容或直流端输入电源，此时第四电感进行分压储能；然后关闭第七开关管或第八开关管的驱动信号，相应地对第八开关管或第七开关管施加驱动信号进行同步整流导通，此时第四电感释能，对幅值最高相和中间相形成输入供电环路。

4、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果体现在：本发明提出的三相变换器的主功率输出或者输入是低频控制通路，只有部分功率(中间相)是需要通过高频变换完成，因此相对传统的整流器或者逆变器的高频损耗小，效率高，器件相对易选型，控制也相对简单，因此适用于后级有恒功率隔离稳压变换或者非隔离的稳压单元的双向变换的交直流电压场合。此外：(1)从结构及性能上，克服了传统的升压式三相整流变换电路后端高电压的弊端，即输出电压介于1.5×2倍至3×2倍输入相电压范围内，使得后端的直流变换器功率器件的受限性降低，可选余地更大；(2)改变了传统升压或者降压式三相整流变换电路的高频开关实现形式，主要功率通过全桥整流输入或者开关管直通逆变输出，直流端电压为6倍频的包络电压，只有中间相电压需要通过高频升压或者降压变换，大大降低了开关损耗；(3)从成本及性能上，由于该变换器保持了电流连续性和低纹波，相对降压型输入电流断续型所需的滤波器更小，相比传统升压型三相t型桥臂的开关管性能也降低，可以充分利用后端的负载或者变换器的特性，综合性价比更高。

技术特征：

1.一种可双向变换的非隔离式三相变换器，其具有交流端和直流端，其特征在于：

2.如权利要求1所述的可双向变换的非隔离式三相变换器，其特征在于：所述三相t型逆变桥包括三个交流t型桥臂，分别连接电源的三相；所述三个交流t型桥臂均分别包括上桥臂、中间桥臂和下桥臂，所述三个交流t型桥臂的三个上桥臂的第一端连接在一起，作为第一正端(rec+)；三个下桥臂的第二端连接在一起，作为第一负端(rec-)；三个中间桥臂的第二端连接在一起，作为中间端(m0)；每个所述交流t型桥臂的上桥臂的第二端连接至该交流t型桥臂的中间桥臂的第一端及下桥臂的第一端。

3.如权利要求2所述的可双向变换的非隔离式三相变换器，其特征在于：所述三个上桥臂分别为第一至第三开关管(q1～q3)，所述三个下桥臂分别为第四至第六开关管(q4～q6)，所述三个中间桥臂分别为第一至第三开关(k1～k3)；第一至第三开关管(q1～q3)的漏极连接在一起，为所述第一正端(rec+)；第四至第六开关管(q4～q6)的源极连接在一起，为所述第一负端(rec-)；第一至第三开关管(q1～q3)的源极分别连接第一至第三开关(k1～k3)的第一端，还分别连接第四至第六开关管(q4～q6)的漏极；第一至第三开关(k1～k3)的第二端连接在一起，为所述中间端(m0)。

4.如权利要求3所述的可双向变换的非隔离式三相变换器，其特征在于：所述储能滤波单元包括第二滤波电感(l2)、第三滤波电感(l3)以及第一至第三储能滤波电容(c1～c3)；

5.如权利要求4所述的可双向变换的非隔离式三相变换器，其特征在于：所述升降压开关单元包括第四电感(l4)、第七开关管(q7)及第八开关管(q8)；第四电感(l4)的第一端连接至所述中间端(m0)，第二端连接第七开关管(q7)的源极和第八开关管(q8)的漏极；第七开关管(q7)的漏极连接至所述第二储能滤波电容(c2)的第一端，还连接至所述直流端的正极(p+)；第八开关管(q8)的源极连接至所述第三储能滤波电容(c3)的第二端，还连接至所述直流端的负极(n-)。

6.如权利要求5所述的可双向变换的非隔离式三相变换器，其特征在于：第一至第八开关管(q1～q8)均为内部设置有反并联二极管的开关管。

7.如权利要求2所述的可双向变换的非隔离式三相变换器，其特征在于：当所述三相变换器仅作整流使用时，所述三个上桥臂分别为第一至第三二极管，所述三个下桥臂分别为第四至第六二极管，所述三个中间桥臂分别为第一至第三开关；第一至第三二极管的正极连接在一起，为所述第一正端(rec+)；第四至第六二级管的负极连接在一起，为所述第一负端(rec-)；第一至第三二极管的负极分别连接第一至第三开关的第一端，还分别连接第四至第六二极管的正极；第一至第三开关的第二端连接在一起，为所述中间端(m0)。

8.如权利要求1所述的可双向变换的非隔离式三相变换器，其特征在于：所述直流端连接恒功率等效负载或等效包络电源；且所述恒功率等效负载或等效包络电源具备如下特征a或b或c：

9.一种控制方法，用于控制三相变换器，其特征在于：所述三相变换器是权利要求1-8任一项所述的可双向变换的非隔离式三相变换器；所述控制方法包括如下步骤：

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于：在步骤s3和s4中，对升降压开关单元的第七开关管所施加的驱动信号，是以幅值最高相和中间相的电压差幅值与直流端的包络电压幅值的升降压关系计算开环的导通占空比；同时以中间相与幅值最高相或次高相的相位关系所对应的各相的电流比例关系来作为闭环控制调节依据，微调导通占空比或者闭环控制导通占空比；

技术总结
本发明公开了可双向变换的非隔离式三相变换器及其控制方法，该变换器具有交流端和直流端，包括交流滤波器、三相T型逆变桥、储能滤波单元以及升降压开关单元；交流滤波器一端为所述交流端、另一端连接至三相T型逆变桥的交流侧；三相T型逆变桥的直流侧连接至储能滤波单元；升降压开关单元一端为所述直流端、另一端连接储能滤波单元；所述三相变换器被配置为能工作于整流模式或逆变模式；当所述三相变换器工作于整流模式时，所述交流端为输入端，所述直流端为输出端，升降压开关单元在整流模式下进行降压输出；当所述三相变换器工作于逆变模式时，所述直流端为输入端，所述交流端为输出端，升降压开关单元在逆变模式下进行升压输入。

技术研发人员：刘斌,陈乾宏,李婞慧
受保护的技术使用者：深圳市迪威电气有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15