[發明專利]一種雙極性AC-AC變換器拓撲及調制方法

有效

• 申請號: 201910318393.3
• 申請日: 2019-04-19
• 公開（公告）號: CN110011545B
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 劉闖;蔡國偉;汪鵬;郭東波;王藝博
• 申請（專利權）人: 東北電力大學
• 主分類號: H02M5/293
• 分類號: H02M5/293
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 涂秀清

本發明公開的一種雙極性AC?AC變換器拓撲結構，包括單相系統交流電源、dual?buck功率變換單元、LC低通濾波單元及信號控制單元。其中功率變換單元包括正極性橋臂和負極性橋臂，正極性橋臂的輸出端A和負極性橋臂的輸出端B連接LC低通濾波器，LC低通濾波器的輸出端接入負載。本發明的變換器能夠更好的輸出與輸入電壓同相位或反相位的電壓，并且在輸出與輸入電壓同相位還是反相位電壓時都工作在相同的buck/boost工作模式下，使變換器無需采用大容值的電容就能維持輸出側電流的連續。本發明還公開了該結構的調制方法，使輸入電壓的每半個周期內都有最少的開關管做高頻開關動作，降低了總開關損耗，提高變換器的效率。

技術領域

本發明屬于電能變換技術領域，具體涉及一種雙極性dual-buck型直接式AC-AC變換器拓撲結構，還涉及一種雙極性dual-buck型直接式AC-AC變換器拓撲結構的調制方法。

背景技術

電壓作為電能質量的核心指標之一，其穩定無論是對電力系統的安全穩定運行，還是對用戶側用電設備的正常運行，都起著至關重要的作用。隨著以分布式光伏、風電等為代表的可再生能源并網容量的不斷增大，改變了原有電網的潮流流動，可能會出現潮流的反向流動，引起電網過電壓問題；此外，負荷的不斷增大又容易引起低電壓的問題。隨著技術的不斷發展，以高精密制造業、醫療行業等為代表的敏感負荷對電壓穩定性又提出了更高的要求，過電壓或低電壓對這類負荷都會產生巨大的影響，造成重大的經濟損失或人員傷害。同時，電壓的波動也會影響到電網的安全運行和消納可再生能源的能力。為解決因電壓波動帶來的一系列問題，提出一種能夠同時解決過電壓和低電壓問題的雙極性dual-buck型直接AC-AC變換器拓撲結構與調制方法。

現階段對于交流電壓補償而言，均通過以下幾種途徑實現：(1)利用工頻變壓器增加分接頭開關，以此得到成比例的交流電壓，但此種方法所得到的交流電壓為階躍電壓，做不到柔性調壓，而且分接頭的動態響應速度慢不能適應電壓的快速變化；(2)通過AC-DC-AC的電力電子開關裝置得到交流電壓，此種方法獲得電壓速度快且能進行連續調節，相比于第一種方法已有很大改善。但是由于設備存在直流環節，一方面導致設備的體積增加，直流環節大電容的維護也負擔也較重；另一方面由于功率進行了兩級變換，導致整個設備的變換效率低；(3)通過直接AC-AC結構的電力變換器得到交流電壓，這種結構控制簡單、響應快、變換效率高，可實現連續、柔性的電壓調節。

傳統的AC-AC交流變換器存在換流過程繁瑣、開關管在死區時間時的換流問題及重疊時間的直通問題等，可能會造成開關管乃至整個裝置的損壞。針對該問題，普遍采用的兩種方案，一是采用有損耗的RC(Resistor-Capacitor)緩沖電路，二是采用特殊的軟換流策略。前者會使得變換器的變換效率降低，后者在輸入電壓存在畸變，尤其是過零點時，并不能保證變化器安全換流。此外，目前的變換器大部分都僅僅能實現電壓的單極性輸出，因此只能解決低電壓或者過電壓問題，而不能同時解決這兩種問題，限制了變換器的應用。為實現變換器雙極性電壓的輸出，國內外專家和學者提出了一些可行方案。例如，有國內學者提出在工頻變壓器的一次側增加雙向晶閘管來改變輸出電壓的極性，但這種方案增大了開關損耗，同時輸出電壓極性反轉動態響應速度慢；韓國學者提出的采用開關管單元結構來解決變換器的換流問題，同時能夠輸出雙極性電壓，但是輸入輸出端不共地，且結構采用了較多的無源元件，不利于大功率場合的應用；此外，又有學者提出了采用雙向開關管的變換器結構來實現雙極性電壓輸出，但在實現雙極性功能的同時卻又引入了換流問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種雙極性dual-buck型直接式AC-AC變換器拓撲結構，解決了現有AC-AC變換器結構固有的換流問題、單極性電壓輸出問題及變換器需要設置死區時間造成的調制比利用率低的問題。

本發明的另一目的是提供一種雙極性dual-buck型直接式AC-AC變換器拓撲結構的調制方法。