The invention provides a current-mode single-stage isolated three-phase bidirectional AC/DC converter and its modulation strategy, including an AC-side LC filter, an AC-side three-phase bridge arm, an isolation transformer, a DC-side bridge arm, a DC-side energy storage inductor and a DC-side filter capacitor. The LC filter on AC side consists of three inductors and three capacitors. The three-phase bridge arm on AC side consists of eighteen switch tubes, the isolation transformer consists of three transformers, and the DC side bridge arm consists of six switch tubes.
【技术实现步骤摘要】
电流型单级隔离三相双向AC/DC变换器及其调制策略
本专利技术涉及一种AC/DC变换器技术，特别是一种适用于大功率场合的电流型单级隔离三相双向AC/DC变换器及其调制策略。
技术介绍
为了实现低碳环保以及经济的可持续发展，太阳能发电、风力发电等新能源发电技术已经得到了广泛的应用。但是电网自身并不具备存储能量的功能，由于自然条件的影响会使光伏、风电等新能源发电出现较大的波动性，因此需要储能装置来维持系统的稳定性。蓄电池作为一种储能装置具有电压稳定、供电可靠、安装灵活等诸多优点，在微网系统中有着广泛应用。蓄电池组可以在电网发电量不足时放出储存电量；在发电网电量多余时吸收补充电量。为了实现蓄电池组与电网之间能量的双向流动需要在二者之间设置一个变换器。在大功率场合，往往需要采用三相双向AC/DC变换器。隔离型三相AC/DC变换器可以实现高频电气隔离，但这些变换器大多采用单个变压器。在处理大功率时，变压器以及原副边开关管电压以及电流应力均比较大，不利于功率器件的选型以及变压器磁芯的选择，从而影响变换器的设计。为了降低器件应力，通常采用多模块并联，但却增加了体积成本，并且需要考虑并联均流的问题，使得控制也更加复杂。为延长蓄电池的使用寿命，将双向变换器中带有大电感呈电流源特性的一侧与蓄电池相连以降低直流侧电流纹波。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电流型单级隔离三相双向AC/DC变换器及其调制策略，该变换器和调制策略可以降低开关管电流应力，降低变压器处理功率以及降低直流侧电流的纹波。实现本专利技术目的的技术方案一为：一种电流型单级隔离三相双向AC/DC变换器及其调...
【技术保护点】
1.一种电流型单级隔离三相双向AC/DC变换器及其调制策略，其特征在于，包括交流侧电路、隔离变压器、直流侧电路；交流侧电路包括交流侧滤波电感、交流侧滤波电容、交流侧三相桥臂，直流侧包括直流侧桥臂、直流侧储能电感和直流侧滤波电容，隔离变压器由三个变压器构成；交流侧每一相电路的桥臂包括上双向开关、中双向开关、下双向开关，交流侧每一相电路的桥臂的上双向开关、中双向开关、下双向开关相连的一端分别与对应滤波电感的一端连接且与相应滤波电容的一端连接，交流侧每一相电路的桥臂的上双向开关、中双向开关、下双向开关的另一端分别与其它两相对应的双向开关的另一端相连构成了三个公共连接点，再分别与隔离变压器原边绕组的三个相应对外连接的端口相连，交流侧的三个滤波电感的另一端分别与交流侧电源(整流或并网逆变)或者三相负载连接(独立逆变)，交流侧的三个滤波电容另一端之间相连；直流侧的每个桥臂由两个开关管串联组成且每一个桥臂的中点分别与隔离变压器副边绕组的相应对外连接的端口相连，三个桥臂并联，桥臂一端与直流侧储能电感串联后连接直流侧滤波电容的正端，桥臂另一端连接直流侧滤波电容的负端。
【技术特征摘要】
1.一种电流型单级隔离三相双向AC/DC变换器及其调制策略，其特征在于，包括交流侧电路、隔离变压器、直流侧电路；交流侧电路包括交流侧滤波电感、交流侧滤波电容、交流侧三相桥臂，直流侧包括直流侧桥臂、直流侧储能电感和直流侧滤波电容，隔离变压器由三个变压器构成；交流侧每一相电路的桥臂包括上双向开关、中双向开关、下双向开关，交流侧每一相电路的桥臂的上双向开关、中双向开关、下双向开关相连的一端分别与对应滤波电感的一端连接且与相应滤波电容的一端连接，交流侧每一相电路的桥臂的上双向开关、中双向开关、下双向开关的另一端分别与其它两相对应的双向开关的另一端相连构成了三个公共连接点，再分别与隔离变压器原边绕组的三个相应对外连接的端口相连，交流侧的三个滤波电感的另一端分别与交流侧电源(整流或并网逆变)或者三相负载连接(独立逆变)，交流侧的三个滤波电容另一端之间相连；直流侧的每个桥臂由两个开关管串联组成且每一个桥臂的中点分别与隔离变压器副边绕组的相应对外连接的端口相连，三个桥臂并联，桥臂一端与直流侧储能电感串联后连接直流侧滤波电容的正端，桥臂另一端连接直流侧滤波电容的负端。2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，直流侧的每个桥臂的替代方案为：直流侧包括三个桥臂，三个桥臂并联，每个桥臂包含一个储能电感与一个开关管串联，其中储能电感一端与隔离变压器副边绕组对应的对外连接的端口连接且另一端连接直流侧滤波电容的正端，开关管的集电极与隔离变压器副边绕组对应的对外连接的端口连接且发射极连接直流侧滤波电容的负端。3.根据权利要求1或2所述的变换器，其特征在于，所述隔离变压器包括三个变压器，变压器的原边绕组、副边绕组采用的连接方式为星形连接或三角形连接；其中星形连接为三个变压器的绕组异名端相连且同名端作为对外连接的三个端口；三角形连接为相邻变压器绕组的同名端与异名端相连作为对外连接的三个端口。4.根据权利要求1或2所述的变换器，其特征在于，若采用原边星形-副边三角形连接则提供2:1额外降压比；若采用原边三角形-副边星形连接则提供1:2额外升压比；若采用原边星形-副边星形连接和原边三角形-副边三角形连接则不提供额外升降压比。5.根据权利要求1或2所述的变换器，其特征在于，交流侧每个双向开关包括两个相连的开关管和两个二极管；其中两个开关管的发射极相连，两个开关管的一个集电极连接交流侧该相电路的交流侧电感且另一个集电极连接隔离变压器原边绕组对应的对外连接端口，或者，两个开关管的集电极相连，两个开关管的一个发射极连接交流侧该相电路的交流侧电感且另一个发射极连接隔离变压器原边绕组对应的对外连接端口，每个二极管的阳极与对应开关管的发射极连接且阴极与集电极连接。6.根据权利要求1或2所述的变换器，其特征在于，每个开关管的二极管为寄生二极管或每个开关管的二极管为反并二极管。7.根据权利要求1或2所述的变换器，其特征在于，开关管可以是三极管或者IGBT，开关管的集电极对应三极管或者IGBT的集电极，开关管的发射极对应三极管或者IGBT的发射极；开关管也可以是MOSFET，开关管的集电极对应MOSFET的漏极，开关管的发射极对应MOSFET的源极。8.一种根据权利要求1所述变换器的SVPWM调制策略，其特征在于，不区分控制交流侧的每个双向开关的两个开关管，包括以下步骤：步骤1，采用的格式定义开关状态，Sa、Sb、Sc分别代表交流侧三相桥臂中十八个开关管的开关状态，A、B、C分别代表A、B、C三相变压器两端电压方向，Sd、Se、Sf分别代表直流侧桥臂的六个开关管Qs1,2、Qs3,4、Qs5,6的开关状态；步骤2，将所有不同组合的开关状态所合成的空间电流矢量组成六边形，将整个平面划分成6个扇区；步骤3，根据划分的扇区进行矢量合成，按照开关状态切换次数最少以及保证三个变压器伏秒平衡的原则确定开关状态切换次序以及获得各个开关状态的时间；所述交流侧三相桥臂由十八个开关管组成，三相桥臂中的每相桥臂分别由六个开关管组成，其中A相桥臂包括第一至第六开关管(Qa2、Qa1、Qa3、Qa4、Qa5、Qa6)，B相桥臂包括第七至第十二开关管(Qb2、Qb1、Qb3、Qb4、Qb5、Qb6)，C相桥臂包括第十三开关管至第十八开关管(Qc2、Qc1、Qc3、Qc4、Qc5、Qc6)；第一开关管(Qa2)的发射极与第二开关管(Qa1)的发射极相连作为A相的上双向开关，第三开关管(Qa3)的发射极与第四开关管(Qa4)的发射极相连作为A相的中双向开关，第五开关管(Qa5)的发射极与第六开关管(Qa6)的发射极相连作为A相的下双向开关，第二开关管(Qa1)的集电极与第三开关管(Qa3)的集电极、第五开关管(Qa5)的集电极相连，第七开关管(Qb2)的发射极与第八开关管(Qb1)的发射极相连作为B相的上双向开关，第九开关管(Qb3)的发射极与第十开关管(Qb4)的发射极相连作为B相的中双向开关，第十一开关管(Qb5)的发射极与第十二开关管(Qb6)的发射极相连作为B相的下双向开关，第八开关管(Qb1)的集电极与第九开关管(Qb3)的集电极、第十一开关管(Qb5)的集电极相连，第十三开关管(Qc2)的发射极与第十四开关管(Qc1)的发射极相连作为C相的上双向开关，第十五开关管(Qc3)的发射极与第十六开关管(Qc4)的发射极相连作为C相的中双向开关，第十七开关管(Qc5)的发射极与第十八开关管(Qc6)的发射极相连作为C相的下双向开关，第十四开关管(Qc1)的集电极与第十五开关管(Qc3)的集电极、第十七开关管(Qc5)的集电极相连，第一开关管(Qa2)的集电极与第七开关管(Qb2)的集电极、第十三开关管(Qc2)的集电极相连作为连接变压器的一个端口，第四开关管(Qa4)的集电极与第十开关管(Qb4)的集电极、第十六开关管(Qc4)的集电极相连作为连接变压器的一个端口，第六开关管(Qa6)的集电极与第十二开关管(Qb6)的集电极、第十八开关管(Qc6)的集电极相连作为连接变压器的一个端口；所述直流侧桥臂由六个开关管组成，其中第十九开关管(Qs1)的发射极与第二十开关管(Qs2)的集电极相连，第二十一开关管(Qs3)的发射极与第二十二开关管(Qs4)的集电极相连，第二十三开关管(Qs5)的发射极与第二十四开关管(Qs6)的集电极相连，第十九开关管(Qs1)的集电极与第二十一开关管(Qs3)的集电极、第二十三开关管(Qs5)的集电极相连，连接直流侧储能电感后与直流侧滤波电容的正端相连，第二十开关管(Qs2)的发射极与第二十二开关管(Qs4)的发射极、第二十四开关管(Qs6)的发射极相连，连接直流侧滤波电容的负端；步骤1中，交流侧的每个双向开关包括两个相连的开关管，当Qi1导通时Si为-1，当Qi2导通时Si为-1，当Qi3导通时Si为0，当Qi4导通时Si为0，当Qi5导通时Si为1，当Qi6导通时Si为1，当Qi1～6全部不导通时，Si为x，其中i＝a、b、c分表代表A相、B相、C相；当开关管Qs1导通时Sd＝1，当开关管Qs2导通时Sd＝0，当开关管Qs1、Qs2都不导通时Sd＝x，当开关管Qs3导通时Se＝1，当开关管Qs4导通时Se＝0，当开关管Qs3、Qs4都不导通时Se＝x，当开关管Qs5导通时Sf＝1，当开关管Qs6导通时Sf＝0，当开关管Qs5、Qs6都不导通时Sf＝x，当工作在整流模式时可以选择不控制直流侧开关管；当A相变压器同名端电压为正时A为+，当A相变压器同名端电压为负时A为-，当A相变压器两端电压为零时A为0，当B相变压器同名端电压为正时B为+，当B相变压器同名端电压为负时B为-，当B相变压器两端电压为零时B为0，当C相变压器同名端电压为正时C为+，当C相变压器同名端电压为负时C为-，当C相变压器两端电压为零时C为0；步骤2中，将所有不同组合的开关状态所合成的空间电流矢量组成六边形，该六边形包含6个非零电流矢量、零电流矢量，由6个非零电流矢量方向将整个六边形分成6个扇区；非零电流矢量和零电流矢量均定义为基本电流矢量；步骤3的具体过程在于：步骤3.1，在每个扇区边界的两个基本电流矢量方向上各选择非零电流矢量对应的3个开关状态和零电流矢量对应的3个开关状态共9个开关状态，将9个开关状态分成三组，每组包括两个基本电流矢量方向上的各1个开关状态以及零电流矢量对应的1个开关状态，每组三个开关状态的总作用时间为三分之一个开关周期；步骤3.2，分别获取每组三个开关状态对应的基本电流矢量的作用时间；步骤3.3，根据矢量合成的原理和变压器伏秒平衡的原则获得各个开关状态的时间与基本电流矢量的作用时间之间的关系方程组；步骤3.4，解上述方程组获得各个开关状态对应的时间。9.一种根据权利要求1所述变换器的SVPWM调制策略，其特征在于，区分控制交流侧的每个双向开关的两个开关管，包括以下步骤：步骤1，采用的格式定义开关状态，Sa、Sb、Sc分别代表交流侧三相桥臂中十八个开关管的开关状态，A、B、C分别代表A、B、C三相变压器两端电压方向，Sd、Se、Sf分别代表直流侧桥臂的六个开关管Qs1,2、Qs3,4、Qs5,6的开关状态；步骤2，将所有不同组合的开关状态所合成的空间电流矢量组成六边形，将整个平面划分成6个扇区；步骤3，根据划分的扇区进行矢量合成按照开关状态切换次数最少以及保证三个变压器伏秒平衡的原则确定开关状态切换次序以及获得各个开关状态的时间；所述交流侧三相桥臂由十八个开关管组成，三相桥臂中的每相桥臂分别由六个开关管组成，其中A相桥臂包括第一至第六开关管(Qa2、Qa1、Qa3、Qa4、Qa5、Qa6)，B相桥臂包括第七至第十二开关管(Qb2、Qb1、Qb3、Qb4、Qb5、Qb6)，C相桥臂包括第十三开关管...
【专利技术属性】
技术研发人员：顾玲，彭凯，蒋雪峰，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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