專利名稱：直流鏈路的單相交流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種直流鏈路的單相交流 變換器。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，電力電子電能變換技術(shù)在改善交直流驅(qū)動性能、提 高各類電源性能和節(jié)約能源等方面起到了積極和重要的作用。但是，電力電子電能變換技 術(shù)的應(yīng)用卻成為電網(wǎng)和用電設(shè)備的主要諧波源。因此，電力電子變壓器成為相關(guān)領(lǐng)域的研 究熱點。電力電子變壓器采用電力電子變流技術(shù)和高頻變壓器，具有提高供電可靠性、改善 電能質(zhì)量，并且體積小、重量輕、環(huán)保效果好等一系列優(yōu)點。經(jīng)過對電力電子變壓器現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，華中科技大學(xué).“電力電子變壓 器”·申請?zhí)?2139030. 4，
公開日=2003. 03. 12 ；以及WANG JUN等，“智能電網(wǎng)技術(shù)””.IEEE Trans, on Industry Electronics Magzine (工業(yè)電子雜志)· 2009 年 6 月·中公開了一種 主要由初、次級功率變換器以及聯(lián)系二者之間的高頻變壓器組成的電力電子變壓器。電力 電子變壓器的特點為它可以實現(xiàn)對變壓器原副邊電壓幅值和相位的靈活控制，從而滿足 未來電力系統(tǒng)很多新的要求，屬于智能電網(wǎng)的重要組成部分。電力電子變壓器采用電力電 子變流技術(shù)和高頻變壓器，具有提高供電可靠性、改善電能質(zhì)量并且體積小、重量輕、環(huán)保 效果好等一系列優(yōu)點。但是經(jīng)過分析，上述文獻所涉及的技術(shù)上存在一些不足，如電路結(jié)構(gòu) 十分復(fù)雜，控制難度非常高，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制十分復(fù)雜，除了技術(shù)之外的各項指標均難以 提升。經(jīng)過文獻檢索和查新，電力電子變壓器的概念比較新穎，屬于電力電子變換器的 前沿，提出的時間雖然不長，但是日益受到關(guān)注，經(jīng)過專家分析和判斷，結(jié)合智能電網(wǎng)、電力 環(huán)保、節(jié)能降耗等發(fā)展主題，電力電子變壓器的發(fā)展前景非常明顯?；谖墨I檢索和查新結(jié) 果，目前為止，電力電子變壓器的發(fā)展仍然處于起始階段，電路拓撲和控制算法仍然處于已 有基本變換器拓撲組合和控制算法沿用階段，表現(xiàn)為拓撲復(fù)雜和控制繁瑣，功能缺陷，具有 成本高、體積大和可靠性低等不足。為此需要提出新的電路拓撲和控制算法，使電力電子變 壓器具有控制簡單和單位輸入功率因數(shù)等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種直流鏈路的單相交流變換器，通 過基于一定控制算法的單相_單相矩陣變換器和高頻變壓器，將輸入工頻交流變換為高頻 全波電壓并耦合到二次側(cè)后，經(jīng)濾波電路和波形變換電路，得到低值的直流電壓，再通過 單相逆變器還原成工頻交流輸出，供低壓電網(wǎng)用戶使用。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括交流斬波電路，降壓濾波電路， 波形變換電路和逆變?yōu)V波電路，其中交流斬波電路將高壓工頻交流電壓轉(zhuǎn)換成高頻脈沖 交流電壓并輸出至降壓濾波電路，降壓濾波電路將高頻脈沖高壓交流電壓轉(zhuǎn)換并濾波為低壓直流電壓并輸出至波形變換電路，波形變換電路通過改善輸入端交流電壓及電流波形后 輸出至逆變?yōu)V波電路，逆變?yōu)V波電路將低壓直流電壓逆變并濾波成工頻交流正弦波電壓。所述的交流斬波電路包括第一濾波電路和與之相連的用于交流斬波的單相矩陣 變換器，其中單相矩陣變換器包括四個橋接的單相變換單元，每個單相變換單元由兩個逆 向串聯(lián)的SiC IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)和與之對應(yīng)反向并聯(lián)的功率二極管組成；第一 濾波電路包括與交流斬波電路輸入端相串聯(lián)的第一電感和與交流斬波電路輸入端相并聯(lián) 的第一電容，該交流斬波電路基于單相-單相矩陣變換器概念，是一種靈活的交流斬波電 路，只要其輸出端等效負載為阻性，其輸入端的等效負載就為阻性，即可做到單位輸入功率 因數(shù)，而且可以做到降壓變換，這是其他變換器無法比擬的?？梢圆捎脝蜗郷單相矩陣變換 器的思想，也可以采用交流斬波調(diào)壓概念。所述的降壓濾波電路包括依次串聯(lián)的高頻變壓器和第二濾波電路，其中高頻 變壓器的初級繞組與交流斬波電路的輸出端相連，次級繞組與第二濾波電路的輸入端相 連；第二濾波電路包括與次級繞組相串聯(lián)連的第二電感和與次級繞組相并聯(lián)的電容。所述的波形變換電路包括第九絕緣柵雙極型晶體管和第三電感以及與絕緣柵雙 極型晶體管相并聯(lián)的第九功率二極管，該波形變換電路基于升壓型DC-DC變換器概念，采 用雙閉環(huán)控制、單周期控制等調(diào)制算法，可以做到其輸入端的等效負載就為阻性，從而確保 交流斬波電路的輸入端等效負載為阻性。升壓型DC-DC變換器還可以設(shè)計成多級交錯運行 或并聯(lián)運行，提升功率等級。所述的逆變?yōu)V波電路包括電解電容、單相逆變器和與之相連接的第三濾波電路， 其中電解電容并聯(lián)于波形變換電路的輸出端；單相逆變器由4個逆導(dǎo)型開關(guān)橋接組成；第 三濾波電路包括相互串聯(lián)的第四和第五電感以及一端連接第四與第五電感公共點的第四 電容，第五電感和第四電容的輸出端為所述變換器的輸出端。本發(fā)明用基于SiC IGBT的電力電子變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)配電變壓器，采用電力電子變 換技術(shù)對能量進行轉(zhuǎn)換與控制。具有構(gòu)思新穎、系統(tǒng)體積小、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)改善、環(huán)保效果 好等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2a為單相矩陣變換器Ml的示意圖。圖2b為單相逆變器Il的示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1所示，本實施例包括交流斬波電路1、降壓濾波電路2、波形變換電路3和 逆變?yōu)V波電路4，其中交流斬波電路1將高壓工頻交流電壓轉(zhuǎn)換成高頻脈沖交流電壓并輸 出至降壓濾波電路2，降壓濾波電路2將高頻脈沖高壓交流電壓轉(zhuǎn)換并濾波為低壓直流電 壓并輸出至波形變換電路3，波形變換電路3通過改善網(wǎng)側(cè)交流電壓及電流波形后輸出至 逆變?yōu)V波電路4，逆變?yōu)V波電路4將低壓直流電壓逆變并濾波成工頻交流正弦波電壓。
所述的交流斬波電路1包括第一濾波電路Ll和Cl和與之相連的用于交流斬波 的單相矩陣變換器M1，其中單相矩陣變換器Ml包括四個橋接的單相變換單元Ul、U2、U3 與U4，每個單相變換單元由兩個逆向串聯(lián)的SiC IGBT絕緣柵雙極型晶體管和與之對應(yīng)并 聯(lián)的功率二極管組成 Ul :S1、D1、S2 與 D2，U2 :S3、D3、S4 與 D4，U3 :S5、D5、S6 與 D6，U4 :S7、 D7、S8與D8 ；第一濾波電路Ll和Cl包括與交流斬波電路輸入端相串聯(lián)的第一電感Ll和與 交流斬波電路輸入端相并聯(lián)的第一電容Cl。所述的降壓濾波電路2包括依次串聯(lián)的高頻變壓器Tl和第二濾波電路L2和C2， 其中高頻變壓器Tl的初級繞組與交流斬波電路1的輸出端相連，次級繞組與第二濾波電 路L2和C2的輸入端相連；第二濾波電路L2和C2包括與次級繞組相串聯(lián)連的第二電感L2 和與次級繞組相并聯(lián)的電容C2。所述的波形變換電路3包括第九絕緣柵雙極型晶體管S9和第三電感L3以及與 絕緣柵雙極型晶體管相并聯(lián)的第九功率二極管D9 ；所述的逆變?yōu)V波電路4包括電解電容E1、單相逆變器Il和與之相連接的第三濾 波電路L4、L5和C3，其中電解電容El并聯(lián)于波形變換電路3的輸出端；單相逆變器Il由 4個逆導(dǎo)型開關(guān)S10、SlU S12、S13橋接組成；第三濾波電路L4、L5和C3包括相互串聯(lián)的 第四電感L4和第五電感L5以及與第四電感L4、第五電感L5公共點相連接的第三電容C3， 第五電感L5和第三電容C3的輸出端為所述變換器的輸出端。本實施例中所述的單相矩陣變換器Ml、高頻變壓器Tl、單相整流器Bl和單相逆變 器Il組成了電力電子變壓器，其作用是通過提高AC-AC變換器的工作頻率，來實現(xiàn)相比常 規(guī)變壓器體積減少、重量變輕的目標，從而大大減少無源器件的尺寸和重量。本實例中單相交流輸入電壓為10kV，單相矩陣變換器Ml、單相整流器Bl和高頻 變壓器Tl將IOkV變換為400VDC，單相逆變器Il為傳統(tǒng)的低壓電壓源逆變器，將400VDC變 換為50Hz、220V的交流電，或其他形式，其輸入端并聯(lián)電壓等級為400V的電解電容。本實施例中采用交流斬波電路和波形變換電路后，可以使得電力電子變換器的網(wǎng) 側(cè)工作在單位功率因數(shù)下，消除諧波電流對電網(wǎng)的污染，同時使得逆變電路之前線路上各 點的無功電流含量降至零點，有利于簡化電路設(shè)計、降低成本、增加效率和提高可靠性。同 時由于交流斬波電路和波形變換電路結(jié)構(gòu)簡單，控制算法成熟，實現(xiàn)起來非常容易，便于產(chǎn) 品化和推廣應(yīng)用。本例電力電子變換器還可以推廣到三相高壓交流電壓輸入的應(yīng)用場合。
權(quán)利要求
一種直流鏈路的單相交流變換器，其特征在于，交流斬波電路，降壓濾波電路，波形變換電路和逆變?yōu)V波電路，其中交流斬波電路將高壓工頻交流電壓轉(zhuǎn)換成高頻脈沖交流電壓并輸出至降壓濾波電路，降壓濾波電路將高頻脈沖高壓交流電壓轉(zhuǎn)換并濾波為低壓直流電壓并輸出至波形變換電路，波形變換電路通過改善網(wǎng)側(cè)交流電壓及電流波形后輸出至逆變?yōu)V波電路，逆變?yōu)V波電路將低壓直流電壓逆變并濾波成工頻交流正弦波電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流鏈路的單相交流變換器，其特征是，所述的交流斬波電 路包括第一濾波電路和與之相連的用于交流斬波的單相矩陣變換器，其中單相矩陣變 換器包括四個橋接的單相變換單元，每個單相變換單元由兩個逆向串聯(lián)的絕緣柵雙極型晶 體管和與之對應(yīng)反向并聯(lián)的功率二極管組成；第一濾波電路包括與交流斬波電路輸入端相 串聯(lián)的第一電感和與交流斬波電路輸入端相并聯(lián)的第一電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流鏈路的單相交流變換器，其特征是，所述的降壓濾波電 路包括依次串聯(lián)的高頻變壓器和第二濾波電路，其中高頻變壓器的初級繞組與交流斬 波電路的輸出端相連，次級繞組與第二濾波電路的輸入端相連；第二濾波電路包括與次級 繞組相串聯(lián)連的第二電感和與次級繞組相并聯(lián)的電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流鏈路的單相交流變換器，其特征是，所述的波形變換電 路包括第九絕緣柵雙極型晶體管和第三電感以及與第九功率二極管，直流升壓電路的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流鏈路的單相交流變換器，其特征是，所述的逆變?yōu)V波電 路包括電解電容、單相逆變器和與之相連接的第三濾波電路，其中電解電容并聯(lián)于波形 變換電路的輸出端；單相逆變器由4個逆導(dǎo)型開關(guān)橋接組成；第三濾波電路包括相互串聯(lián) 的第四和第五電感以及與第三電容，第五電感和第三電容的輸出端為所述變換器的輸出 端。
全文摘要
一種電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的直流鏈路的單相交流變換器，包括交流斬波電路，降壓濾波電路，波形變換電路和逆變?yōu)V波電路，其中交流斬波電路將高壓工頻交流電壓轉(zhuǎn)換成高頻脈沖交流電壓并輸出至降壓濾波電路，降壓濾波電路將高頻脈沖高壓交流電壓轉(zhuǎn)換并濾波為低壓直流電壓并輸出至波形變換電路，波形變換電路通過改善網(wǎng)側(cè)交流電壓及電流波形后輸出至逆變?yōu)V波電路，逆變?yōu)V波電路將低壓直流電壓逆變并濾波成工頻交流正弦波電壓。本發(fā)明實現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞，具有體積小、重量輕、空載損耗小、不需要絕緣油等優(yōu)點。
文檔編號H02M1/12GK101951165SQ20101028342
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者張永鑫, 楊喜軍, 田書欣, 鐘莉娟 申請人:上海交通大學(xué)