单相双极性AC-AC变换器拓扑结构及其调制方法技术

本发明专利技术公开的单相双极性AC‑AC变换器拓扑结构，包括单相系统交流电源、功率变换单元、LC低通滤波器、负载部分和信号控制单元；单相系统交流电源的输出端与功率变换单元的输入端连接，功率变换单元包括正极性桥臂和负极性桥臂，正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接LC低通滤波器的输入端，LC低通滤波器的输出端连接负载部分。本发明专利技术公开的拓扑结构解决了现有AC‑AC变换器拓扑结构中存在换流问题，以及只能输出单极性电压或者输出双极性电压范围窄的问题，采用PWM调制策略，使得在每个变换周期内仅有2个开关管在做开关动作，有效降低了总的开关损耗，提高了变换器的效率。

【技术实现步骤摘要】
单相双极性AC-AC变换器拓扑结构及其调制方法
本专利技术属于电能变换
，涉及单相双极性AC-AC变换器拓扑结构及其调制方法。
技术介绍
高比例可再生能源并网容量的不断增加，增大了电网电压越限的风险，可再生能源固有的间歇性、波动性加剧了电网电压出现低电压和过电压的问题。然而，一方面随着负荷多样性的增加，部分负荷对电网电压的要求精度较高，电压的波动将给这一类敏感负荷带来严重的经济损失；另一方面，电压的波动也限制了电网消纳可再生能源的能力。为了解决电网电压的波动问题，满足负荷端对电压的要求，需要增加一种能够实现电压调节的设备。目前，获得工频交流电压的途径主要有以下几种：(1)在传统工频变压器原边或者副边增加分接头开关获得交流电压，这种方法获得交流电压的速度慢，不能与电压波动的时间尺度相匹配，同时获得的交流电压是阶跃性的不能实现连续调控；(2)通过AC-DC-AC或者DC-AC结构的电力电子装置获得工频交流电压，虽然AC-DC-AC或者DC-AC类拓扑结构都能实现快速、连续的获得工频交流电压，但是AC-DC-AC类拓扑结构两级功率变换，变换效率低，直流环节的存在增大了装置的体积；DC-AC类拓扑结构输出交流电压的能力依赖于外部储能元件的容量，因此该类拓扑结构的装置不能做到长时、深度的输出交流电压；(3)通过直接AC-AC类型拓扑结构的电力电子装置获得工频交流电压，该类型拓扑结构、控制都比较简单，并且无直流环节，单级功率变换，变换效率高，输出交流电压的能力不受外部储能元件的限制，同时输出交流电压连续、响应速度快，该类型拓扑结构可以实现无级、平滑的电压调节。然而，传统AC-AC变换器都不可避免的存在着换流问题，为了解决变换器的换流问题通常采用有损耗的缓冲电路或者特殊的软换流策略，前者会降低变换器的变换效率，后者在输入电压有畸变时也不能实现安全换流。并且，传统AC-AC变换器不能实现双极性电压的输出，限制了变换器只能用于单极性调压。为了实现变换器双极性电压的输出，国内外专家和学者提出了一些改进：金楠课题组(基于直接AC/AC变换的动态电压恢复器研究.电工技术学报，2015，30(11):71-77.)在工频变压器原边增加双向晶闸管来改变输出电压的极性，但是这种方案增大了开关损耗，同时输出电压极性反转动态响应速度慢；还有学者提出Z有源变换器，但是这种方案需要有损耗的缓冲电路或者换流策略来解决换流问题；文献(IEEETransactionsonPowerElectronics,2018,PP(99):1-1.)采用开关管单元结构解决了变换器的换流问题，同时能够输出双极性电压，但是输入输出端不共地，同时采用了较多的无源元件，不利于大功率场合的应用；文献(IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2017,PP(99):1-1.)采用双向开关管的变换器实现双极性电压输出的同时又引入了换流问题；文献(IEEETransactionsonIndustryApplications,2016,52(6):4878-4887.)采用高频变压器的结构也实现了双极性电压的输出，但是输出电压最大仅为输入电压的一半，输出电压范围窄，限制了其应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种单相双极性AC-AC变换器拓扑结构及其调制方法，解决了现有AC-AC变换器拓扑结构中存在换流问题，以及只能输出单极性电压或者输出双极性电压范围窄的问题。本专利技术所采用的技术方案是，单相双极性AC-AC变换器拓扑结构，包括单相系统交流电源、功率变换单元、LC低通滤波器、负载部分和信号控制单元；单相系统交流电源的输出端和功率变换单元的输入端之间连接输入电容C，单相系统交流电源的输出端与功率变换单元的输入端连接，功率变换单元包括正极性桥臂和负极性桥臂，正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接LC低通滤波器的输入端，LC低通滤波器的输出端连接负载部分。本专利技术的其他特点还在于，正极性桥臂包括四个全控型功率开关管IGBT和1个箝位电容C1，四个全控型功率开关管IGBT包括开关管S2，开关管S2的发射极与单相交流电源的正极相连，开关管S2的集电极与开关管S1的集电极相连，开关管S1的发射极与开关管S1c的集电极相连，开关管S1c的发射极与开关管S2c的发射极相连，开关管S2c的集电极与单相交流电源的负极相连，箝位电容C1一端与开关管S1的集电极相连，箝位电容C1另一端与开关管S1c的发射极相连，开关管S1的发射极与开关管S1c的集电极之间引出输出端A。负极性桥臂包括四个全控型功率开关管IGBT和1个箝位电容C2，四个全控型功率开关管IGBT包括开关管S2p，开关管S2p的发射极与单相交流电源的正极相连，开关管S2p的集电极与开关管S1p的集电极相连，开关管S1p的发射极与开关管S1cp的集电极相连，开关管S1cp的发射极与开关管S2cp的发射极相连，开关管S2cp的集电极与单相交流电源的负极相连，箝位电容C2一端与开关管S1p的集电极相连，箝位电容C2另一端与开关管S1cp的发射极相连，开关管S1p的发射极与开关管S1cp的集电极之间引出输出端B。信号控制单元包括单相系统交流电源的过零比较电路，用于产生8个独立的PWM信号波，驱动对应的开关管S1、S1c、S2、S2c、S1p、S1cp、S2p和S2cp的接通或关断。LC低通滤波器包括输出滤波电容Cf，输出滤波电容Cf连接输出滤波电感Lf，输出滤波电容Cf与输出滤波电感Lf连接构成LC低通滤波器的输入端口和输出端口，输入端口与正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接，输出端口与负载部分连接。本专利技术的另一技术方案是，一种单相双极性AC-AC变换器拓扑结构的调制方法，采用PWM控制，单相系统交流电源输入电压Vin与0电位经比较电路产生50Hz的方波信号I，输出方波信号I中的一路信号经过取反，另一路信号不变；调制波d1或d2与三角载波Uc经比较电路产生方波信号II，同样输出方波信号II中的一路信号经过取反，另一路信号不变；方波信号I和方波信号II做逻辑或运算产生PWM驱动信号，当驱动信号为高电平时，对应的开关管S1、S1c、S2、S2c、S1p、S1cp、S2p和S2cp开通，当驱动信号为0电平时，对应的开关管S1、S1c、S2、S2c、S1p、S1cp、S2p和S2cp关断；其中，Vin为单相系统交流电源的输入电压；Vref为负载部分期望获得的电压；d1和d2分别为正极性桥臂和负极性桥臂的调制比；Uc为的三角载波。调制比d1和d2的值由负载部分期望获得电压Vref的幅值决定，当负载部分期望获得电压Vref为正极性电压时，令d1>d2；当负载部分期望获得电压Vref为负极性电压时，令d1<d2；三角载波Uc频率为12kHz，峰值0到1，正极性桥臂和负极性桥臂采用相同的三角载波。本专利技术的有益效果是，单相双极性AC-AC变换器拓扑结构及其调制方法，解决了现有AC-AC变换器拓扑结构中存在换流问题，只能输出单极性电压或者输出双极性电压范围窄的问题。与传统AC-AC变换器拓扑结构相比，具有以下优势：(1)本专利技术中的拓扑结构无需采用有损耗的RC缓冲电路，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.单相双极性AC‑AC变换器拓扑结构，其特征在于，包括单相系统交流电源、功率变换单元、LC低通滤波器、负载部分和信号控制单元；所述单相系统交流电源的输出端和所述功率变换单元的输入端之间连接输入电容C，所述单相系统交流电源的输出端与所述功率变换单元的输入端连接，所述功率变换单元包括正极性桥臂和负极性桥臂，正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接所述LC低通滤波器的输入端，所述LC低通滤波器的输出端连接负载部分。

【技术特征摘要】
1.单相双极性AC-AC变换器拓扑结构，其特征在于，包括单相系统交流电源、功率变换单元、LC低通滤波器、负载部分和信号控制单元；所述单相系统交流电源的输出端和所述功率变换单元的输入端之间连接输入电容C，所述单相系统交流电源的输出端与所述功率变换单元的输入端连接，所述功率变换单元包括正极性桥臂和负极性桥臂，正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接所述LC低通滤波器的输入端，所述LC低通滤波器的输出端连接负载部分。2.如权利要求1所述的单相双极性AC-AC变换器拓扑结构，其特征在于，所述正极性桥臂包括四个全控型功率开关管IGBT和1个箝位电容C1，所述四个全控型功率开关管IGBT包括开关管S2，所述开关管S2的发射极与单相交流电源的正极相连，所述开关管S2的集电极与开关管S1的集电极相连，所述开关管S1的发射极与开关管S1c的集电极相连，所述开关管S1c的发射极与开关管S2c的发射极相连，所述开关管S2c的集电极与单相交流电源的负极相连，所述箝位电容C1一端与所述开关管S1的集电极相连，所述箝位电容C1另一端与所述开关管S1c的发射极相连，所述开关管S1的发射极与所述开关管S1c的集电极之间引出所述输出端A。3.如权利要求2所述的单相双极性AC-AC变换器拓扑结构，其特征在于，所述负极性桥臂包括四个全控型功率开关管IGBT和1个箝位电容C2，所述四个全控型功率开关管IGBT包括开关管S2p，所述开关管S2p的发射极与单相交流电源的正极相连，所述开关管S2p的集电极与开关管S1p的集电极相连，所述开关管S1p的发射极与开关管S1cp的集电极相连，所述开关管S1cp的发射极与开关管S2cp的发射极相连，所述开关管S2cp的集电极与单相交流电源的负极相连，所述箝位电容C2一端与所述开关管S1p的集电极相连，所述箝位电容C2另一端与所述开关管S1cp的发射极相连，所述开关管S1p的发射极与所述开关管S1cp的集电极之间引出所述输出端B。4.如权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘闯，蔡国伟，郭东波，单任仲，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22