适用于大功率场合三相双向AC/DC变换器及控制方法技术

本发明专利技术提供了一种适用于大功率场合的三相双向AC/DC变换器，包括交流侧滤波电感、交流侧三相桥臂、隔离变压器、直流侧三相桥臂、输出滤波电容。交流侧滤波电感包含三个电感，交流侧三相桥臂由十八个开关管构成，隔离变压器包含三个变压器，直流侧三相桥臂由六个开关管构成。本发明专利技术解决了现有技术中单级式隔离型三相AC/DC变换器在处理大功率时存在的开关管电流应力过大以及单个变压器处理功率过大的问题。

【技术实现步骤摘要】
适用于大功率场合三相双向AC/DC变换器及控制方法
本专利技术涉及一种AC/DC变换器，特别是一种适用于大功率场合三相双向AC/DC变换器及控制方法。
技术介绍
能耗严重是目前制约数据中心发展的重要因素，而供电系统是数据中心能耗的主要来源之一。与传统220V交流母线相比，380V直流母线数据中心供电系统可以大大减少功率变换环节，提高系统功率密度、效率以及可靠性，在引入太阳能、风能等可再生能源后的系统中其优势更为显著。由于可再生能源的不稳定性，当直流母线数据中心供电系统引入可再生能源后，在电网和母线之间需要一个接口变换器，以实现电网与系统之间能量的双向传递。在大功率场合，往往需要采用三相双向AC/DC变换器。三相双向AC/DC变换器的传统解决方案是采用三相电压型PWM整流器，该变换器的输入电流连续，网侧功率因数较高。但输出呈升压特性，通常三相380V交流输入电压经其变换后输出电压达600～800V，且变换器本身未实现电气隔离。因此需要通过工频变压器并网或者两级式的结构——加DC/DC变换器进行降压和隔离才能接到直流母线上。为了使前级变换器的输出尽量接近380V直流电压，也可采用三相电流型PWM整流器，其输出电压可以低于输入电压峰值。但该变换器由于输入电流不连续，功率因数较低，因此输入侧需加LC二阶滤波器以滤除电流谐波，从而增加了变换器的体积及成本。为了实现高频电气隔离，一些隔离型三相AC/DC变换器被提出，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，这就增加了体积成本，并且需要考虑并联均流的问题，使得控制也更加复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于大功率场合的三相双向AC/DC变换器，该变换器可以降低开关管电流应力以及降低变压器处理功率。实现本专利技术目的的技术方案为：一种适用于大功率场合的三相双向AC/DC变换器，其特征在于，交流侧电路、隔离变压器和直流侧电路，交流侧每一相电路包括电感、桥臂，直流侧包括三相桥臂和输出滤波电容，隔离变压器由三个变压器构成，原、副边分别有三个对外连接的端口；交流侧每一相电路的桥臂包括上双向开关、中双向开关、下双向开关三个双向开关，其中上双向开关、中双向开关、下双向开关的一端分别相连后与对应的电感的一端相连，每相桥臂的上双向开关、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对外连接的端口相连；直流侧三相桥臂包含三个桥臂，其中每个桥臂分别由两个开关管串联组成，三个桥臂的中点分别与隔离变压器副边绕组的三个对外连接的端口相连。三个桥臂并联，一端连接输出滤波电容的正端，另一端连接输出滤波电容的负端。一种针对上述变换器的空间矢量控制方法，包括以下步骤：步骤1，采用的格式定义开关状态；步骤2，将所有不同组合的开关状态所合成的空间电压矢量组成六边形，将整个平面划分成6个扇区，并根据三相电流方向进一步划分成12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，B相桥臂包括第七至第十二开关管，C相桥臂包括第十三开关管至第十八开关管；第一开关管的发射极与第二开关管的发射极相连作为A相的上双向开关，第三开关管的发射极与第四开关管的发射极相连作为A相的中双向开关，第五开关管的发射极与第六开关管的发射极相连作为A相的下双向开关，第二开关管的集电极与第三开关管的集电极、第五开关管的集电极相连，第七开关管的发射极与第八开关管的发射极相连作为B相的上双向开关，第九开关管的发射极与第十开关管的发射极相连作为B相的中双向开关，第十一开关管的发射极与第十二开关管的发射极相连作为B相的下双向开关，第八开关管的集电极与第九开关管的集电极、第十一开关管的集电极相连，第十三开关管的发射极与第十四开关管的发射极相连作为C相的上双向开关，第十五开关管的发射极与第十六开关管的发射极相连作为C相的中双向开关，第十七开关管的发射极与第十八开关管的发射极相连作为C相的下双向开关，第十四开关管的集电极与第十五开关管的集电极、第十七开关管的集电极相连，第一开关管的集电极与第七开关管的集电极、第十三开关管的集电极相连作为连接变压器的一个端口，第四开关管的集电极与第十开关管的集电极、第十六开关管的集电极相连作为连接变压器的一个端口，第六开关管的集电极与第十二开关管的集电极、第十八开关管的集电极相连作为连接变压器的一个端口；所述直流侧三相桥臂由六个开关管组成，其中第十九开关管的发射极与第二十开关管的集电极相连，第二十一开关管的发射极与第二十二开关管的集电极相连，第二十三开关管的发射极与第二十四开关管的集电极相连，第十九开关管的集电极与第二十一开关管的集电极、第二十三开关管的集电极相连，连接输出滤波电容的正端，第二十开关管的发射极与第二十二开关管的发射极、第二十四开关管的发射极相连，连接输出滤波电容的负端；步骤1中Sa、Sb、Sc分别代表交流侧三相桥臂中十八个开关管Qa1～6、Qb1～6、Qc1～6的开关状态，交流侧的每一双向开关管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-，其中i＝a、b、c分表代表A相、B相、C相；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，当开关管Qs1导通时Sd＝1+，当开关管Qs2导通时Sd＝1-，当开关管Qs1、Qs2都不导通时Sd＝0，当开关管Qs3导通时Se＝1+，当开关管Qs4导通时Se＝1-，当开关管Qs3、Qs4都不导通时Se＝0，当开关管Qs5导通时Sf＝1+，当开关管Qs6导通时Sf＝1-，当开关管Qs5、Qs6都不导通时Sf＝0；A、B、C分别代表A、B、C三相变压器两端电压方向，当A相变压器两端电压的同名端为正时A为+，当A相变压器两端电压的同名端为负时A为-，当A相变压器两端电压为零时A为0，当B相变压器两端电压的同名端为正时B为+，当B相变压器两端电压的同名端为负时B为-，当B相变压器两端电压为零时B为0，当C相变压器两端电压的同名端为正时C为+，当C相变压器两端电压的同名端为负时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压矢量组成六边形，该六边形包含6个非零电压矢量、零电压矢量，由6个非零电压矢量方向将整个六边形分成6个大扇区，对每个大扇区按照三相电流方向进一步划分为2个小扇区；非零电压矢量和零电压矢量均定义为基本电压矢量；步骤3的具体过程在于：步骤3.1，在每个大扇区边界的两个基本电压矢量方向上各选择非零电压矢量对应的3个开关状态和零电压矢量对应的3个开关状态共9个开关状态，将9个开关状态分成三组，每组包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于大功率场合的三相双向AC/DC变换器，其特征在于，交流侧电路、隔离变压器和直流侧电路，交流侧每一相电路包括电感、桥臂，直流侧包括三相桥臂和输出滤波电容，隔离变压器由三个变压器构成，原、副边分别有三个对外连接的端口；交流侧每一相电路的桥臂包括上双向开关、中双向开关、下双向开关三个双向开关，其中上双向开关、中双向开关、下双向开关的一端分别相连后与对应的电感的一端相连，每相桥臂的上双向开关、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对外连接的端口相连；直流侧三相桥臂包含三个桥臂，其中每个桥臂分别由两个开关管串联组成，三个桥臂的中点分别与隔离变压器(3)副边绕组的三个对外连接的端口相连。三个桥臂并联，一端连接输出滤波电容的正端，另一端连接输出滤波电容的负端。

【技术特征摘要】
1.一种适用于大功率场合的三相双向AC/DC变换器，其特征在于，交流侧电路、隔离变压器和直流侧电路，交流侧每一相电路包括电感、桥臂，直流侧包括三相桥臂和输出滤波电容，隔离变压器由三个变压器构成，原、副边分别有三个对外连接的端口；交流侧每一相电路的桥臂包括上双向开关、中双向开关、下双向开关三个双向开关，其中上双向开关、中双向开关、下双向开关的一端分别相连后与对应的电感的一端相连，每相桥臂的上双向开关、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对外连接的端口相连；直流侧三相桥臂包含三个桥臂，其中每个桥臂分别由两个开关管串联组成，三个桥臂的中点分别与隔离变压器(3)副边绕组的三个对外连接的端口相连。三个桥臂并联，一端连接输出滤波电容的正端，另一端连接输出滤波电容的负端。2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，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端口。3.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，交流侧每一双向开关管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电感输出端且另一个集电极接隔离变压器原边绕组对应的对外连接端口，每一二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。4.根据权利要求3所述的变换器，其特征在于，A相桥臂包括第一至第六开关管(Qa1、Qa2、Qa3、Qa4、Qa5、Qa6)，B相桥臂包括第七至第十二开关管(Qb1、Qb2、Qb3、Qb4、Qb5、Qb6)，C相桥臂包括第十三开关管至第十八开关管(Qc1、Qc2、Qc3、Qc4、Qc5、Qc6)；第一开关管(Qa1)的发射极与第二开关管(Qa2)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(Qa2)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(Qb1)的发射极与第八开关管(Qb2)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(Qb2)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(Qc1)的发射极与第十四开关管(Qc2)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(Qc2)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(Qa1)的集电极与第七开关管(Qb1)的集电极、第十三开关管(Qc1)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。5.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述直流侧三相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，连接输出滤波电容的正端，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，连接输出滤波电容的负端。6.根据权利要求3所述的变换器，其特征在于，每一开关管的二极管为寄生二极管或每一开关管的两个二极管为反并二极管。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。7.根据权利要求2所述的变换器，其特征在于，若原边绕组、副边绕组采用原边星形且副边三角形的连接方式则提供2:1额外降压比；若原边绕组、副边绕组采用原边三角形且副边星形连接方式则提供1:2额外降压比。8.一种针对权利要求1所述变换器的空间矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，采用的格式定义开关状态；步骤2，将所有不同组合的开关状态所合成的空间电压矢量组成六边形，将整个平面划分成6个扇区，并根据三相电流方向进一步划分成12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(Qa1、Qa2、Qa3、Qa4、Qa5、Qa6)，B相桥臂包括第七至第十二开关管(Qb1、Qb2、Qb3、Qb4、Qb5、Qb6)，C相桥臂包括第十三开关管至第十八开关管(Qc1、Qc2、Qc3、Qc4、Qc5、Qc6)；第一开关管(Qa1)的发射极与第二开关管(Qa2)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(Qa2)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(Qb1)的发射极与第八开关管(Qb2)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(Qb2)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(Qc1)的发射极与第十四开关管(Qc2)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(Qc2)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(Qa1)的集电极与第七开关管(Qb1)的集电极、第十三开关管(Qc1)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；所述直流侧三相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...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾玲，杨飞，李强，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32