基于非对称多电平合成技术的AC/DC变换器实现方法技术

本发明专利技术基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法属于电气技术相关的AC／DC变换及控制技术，目的是研发一种低谐波、高质量、适合各种容量应用需求的AC／DC变换器，其特征是将传统12脉波AC／DC变换器的电流对称分配给两个三相变流桥进行变换的方式，用非对称的分配给两个三相变流桥的新方法来替代，按特定变换规律将直流电流分配给两个三相变流桥，使变换器三相交流进线电流为正弦波，进而采用等增量台阶形三角波电流波形近似替代理想变换，具有低谐波、晶闸管可控化、功率因数可超前滞后连续调节、系统综合效率高、适合各种容量应用需求的特点，可用于各种容量的直流电源和各种用途的有源前端变流器。

【技术实现步骤摘要】
基于非对称多电平合成技术的AC/DC变换器实现方法
本专利技术属于电气技术相关的AC／DC变换及控制技术。
技术介绍
在大容量AC／DC变换器的实际应用中，目前多采用负载换相变换器，其缺点是仅具有功功率双向控制能力、功率因数差、谐波含量高。因此，还需配备相应的功率因数补偿和滤波装置，造成了整个系统繁杂庞大，造价颇高。中小容量AC／DC变换器通常采用二极管整流、晶闸管整流，这类变换器的缺点是电源进线电流含有大量谐波，波形失真，会对电网造成污染。目前改善这种状况的方法是采用多重化技术和采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)、门极换向晶闸管(IGCT)等全控型器件及脉宽调制(PWM)控制技术，对谐波进行抑制，但这些方法的拓扑结构复杂、开关器件价格昂贵、控制系统繁杂，制约了其应用范围。由于AC／DC变换器应用范围甚广，所以它又是重要的谐波污染源之一，随着它的广泛应用，谐波污染的问题也变得日益严重，解决谐波污染的问题就成为我们面临的一个重要课题。解决AC／DC变换器的谐波污染可从两个途径获得，一个是附加滤波装置和无功补偿装置，另一个途径是研发低谐波和高功率因数的AC＼DC变换装置。显然前者是被动的补救方式，后者是积极的主动方法，本专利技术即是后一个途径的具体体现。关于AC／DC变换器的谐波抑制，当整流器件为不可控器件或半控型器件时，通常采用移相变压器增加整流脉波的方法来降低谐波的影响。根据谐波畸变率THD的理论分析，当三相整流桥整流器件为二极管时，12脉波时，其THD值为≥8.38％；18脉波时为≥3.06％；24脉波时为≥1.49％。当三相整流桥整流器件为普通晶闸管时，12脉波时，其THD值为≥8.61％；18脉波时为≥3.54％。根据理论分析结果，考虑到负载变化情况，两种整流器件在12脉波和18脉波的THD均不完全符合国家标准GB／T14549的要求，只有在24脉波及以上时才能完全满足国标要求。当三相整流桥整流器件采用全控型器件时，通常采用PWM脉宽调制控制方法与采用移相变压器增加整流脉波相结合的方法，并辅以谐波消除控制方法，以获得好的谐波抑制的效果。当采取12脉波整流时，移相变压器可以消除5、7、17、19次谐波，PWM的谐波消除方法可消除11和13次谐波，其它高次谐波可通过整流桥输入端滤波电容器加以抑制或消除，故可以将谐波抑制在国标要求的范围内。对上述谐波抑制方案进行技术经济分析，采用不可控器件或半控型器件方案时，只有在24脉波及以上时才能完全满足国标要求，其缺点是脉波数的增加，一方面要增加整流器件及控制单元，增加许多投资及增加了装置的体积，另一方面脉波数的增加使移相变压器的结构变得复杂而大大增加了成本。采用全控型器件方案时，由于全控型器件价格昂贵及控制系统复杂，特别是整流器输入端储能元件存在体积大、会引起谐波震荡，需增加阻尼控制等问题，使实际应用受到限制。综上所述，目前获得低谐波、高质量、适合各种容量应用需求的AC／DC变换器的途径是增加脉波数或采取复杂的控制手段或辅以其它装置来实现的，结果是付出了许多的经济代价，此外由于其中含有某些被动的补救方式，所以还有可能存在对整个系统产生不良影响的隐患。能否找到一种简单、经济、积极有效的方法来实现低谐波、高质量、适合各种容量应用需求的AC／DC变换器这是AC／DC变换器领域面临的一个重要课题，到目前为止还未见到创新性的研究结果。AC／DC变换器应用范围相当广泛，遍及供配电、工业、民用等领域，容量从数W到数GW，对其进行深入研究和开发意义重大，对促进国民经济的发展具有重要的现实意义和长远的影响。
技术实现思路
本专利技术研究的对象是12脉波AC／DC变换器，这是AC／DC变换器的典型结构，其移相变压器的一次侧为Y绕组，二次侧为Y和Δ两个绕组，分别与Y绕组三相变流桥和Δ绕组三相变流桥连接，Y绕组和Δ绕组的电流经移相变压器组合，在移相变压器的原边合成系统的三相交流电流。这样结构的AC／DC变换器其移相变压器绕组结构简单，出线容易，而且绕组利用率高，适合各种容量应用需求的场合，工程应用上也适合移相变压器组柜安装或单独隔离安装。本专利技术的目的是深入研究AC／DC变换器的变换机理、拓扑结构及控制技术，在综合现有技术的基础上，研发一种低谐波、高质量、适合各种容量应用需求的AC／DC变换器。本专利技术的要点是在变换器的谐波抑制、有功无功的四象限运行以及晶闸管应用方面取得了突破性的进展。本专利技术基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法的特征是采用一次侧为Y形绕组[2]，二次侧分别为Y形和Δ形两个绕组[3]和[4]的移相变压器，移相变压器二次侧分别连接两个完全相同的晶闸管三相变流桥[5]和[6]，形成12脉波AC／DC变换器，采用对两个三相变流桥进行非对称电流的控制策略，分别按(1)式和(2)式的特定变换规律控制产生互不对称的，且相位也不相同的Y绕组[3]电流和Δ绕组[4]电流，使两绕组交流合成电流，即移相变压器一次侧Y形绕组[2]的电流为正弦波电流，按(1)式和(2)式的特定变换规律控制两个三相变流桥的电流波形采用等增量台阶形三角波电流波形近似，并通过多电平直流电流控制及合成单元[7]实现，[34]是采用等增量台阶形三角波电流波形的多电平合成的Y三相变流桥输出电流波形，[35]是Δ三相变流桥输出的电流波形，但在相位上与Y三相变流桥相差30°，[36]是Y三相变流桥输出和Δ三相变流桥输出合成的直流侧电流波形，[32]是按(1)式变换规律控制得到的变压器二次侧Y绕组电流波形，[33]是按(2)式变换规律控制得到的变压器二次侧Δ绕组电流波形，[31]是变压器一次侧得到的合成电流波形，为接近正弦波波形。式中：IBY：Y桥直流电流IBΔ：Δ桥直流电流Idc：直流负载侧电流k=1，2，…附图说明附图1是基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法的拓扑结构图，图1中1是三相交流进线电源，通常为标准电压等级的电源，特殊情况下也可以是非标准电压的电源；2是12脉波移相变压器一次侧绕组，Y形接法；3是12脉波移相变压器二次侧Y形绕组；4是12脉波移相变压器二次侧Δ形绕组，与Y形绕组相差30°，线电压相同；5是Y绕组晶闸管三相变流桥；6是Δ绕组晶闸管三相变流桥；7是多电平直流电流控制及合成单元，作用是将Y三相变流桥和Δ三相变流桥的直流电流以多电平的方式进行控制及合成；8是直流侧负载。附图2是基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法在理想变换下的波形图，图2中21是三相交流进线电源侧A相IA电流波形，B相IB电流波形和C相IC电流波形与A相IA电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；22是12脉波移相变压器二次侧Y形绕组A相IaY电流波形，B相IbY电流波形和C相ICY电流波形与A相IaY电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；23是12脉波移相变压器二次侧Δ形绕组A相IaΔ电流波形，B相IbΔ电流波形和C相ICΔ电流波形与A相IaΔ电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；24是Y绕组三相变流桥输出电流IBY波形，为三角波电流；25是Δ绕组三相变流桥输出电流IBΔ波形，亦为三角波电流，但在相位上与Y三相变流桥相差30°；26是Y三相变流桥输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术基于非对称多电平合成技术的AC／DC变换器实现方法的特征是采用一次侧为Y形绕组[2]，二次侧分别为Y形和Δ形两个绕组[3]和[4]的移相变压器，移相变压器二次侧分别连接两个完全相同的晶闸管三相变流桥[5]和[6]，形成12脉波AC／DC变换器，采用对两个三相变流桥进行非对称电流的控制策略，分别按(1)式和(2)式的特定变换规律控制产生互不对称的，且相位也不相同的Y绕组[3]电流和Δ绕组[4]电流，使两绕组交流合成电流，即移相变压器一次侧Y形绕组[2]的电流为正弦波电流，按(1)式和(2)式的特定变换规律控制两个三相变流桥的电流波形采用等增量台阶形三角波电流波形近似，并通过多电平直流电流控制及合成单元[7]实现，[34]是采用等增量台阶形三角波电流波形的多电平合成的Y三相变流桥输出电流波形，[35]是Δ三相变流桥输出的电流波形，但在相位上与Y三相变流桥相差30°，[36]是Y三相变流桥输出和Δ三相变流桥输出合成的直流侧电流波形，[32]是按(1)式变换规律控制得到的变压器二次侧Y绕组电流波形，[33]是按(2)式变换规律控制得到的变压器二次侧Δ绕组电流波形，[31]是变压器一次侧得到的合成电流波形，为接近正弦波波形。IBY(ωt)=Idc{12+Σk=1∞7+4336(2k-1)2-1cos[6(2k-1)ωt]+Σk=1∞1144k2-1cos(12kωt)}---(1)]]>IBΔ(ωt)=Idc{12-Σk=1∞7+4336(2k-1)2-1cos[6(2k-1)ωt]+Σk=1∞1144k2-1cos(12kωt)}---(2)]]>式中：IBY：Y桥直流电流IBΔ：Δ桥直流电流Idc：直流负载侧电流k=1，2，…...

【技术特征摘要】
1.基于非对称多电平合成技术的AC/DC变换器实现方法，其特征在于：采用一次侧为Y形绕组(2)，二次侧分别为Y形绕组(3)和△形绕组(4)两个绕组的移相变压器，移相变压器二次侧分别连接两个完全相同的晶闸管三相变流桥，形成12脉波AC/DC变换器，采用对两个三相变流桥进行非对称电流的控制策略，分别按(1)式和(2)式的特定变换规律控制产生互不对称的，且相位也不相同的Y绕组(3)电流和△绕组(4)电流，使两绕组交流合成电流，即移相变压器一次侧Y形绕组(2)的电流为正弦波电流，按(1)式和(2)式的特定变换规律控制两个三相变流桥的电流波形采用等增量...

【专利技术属性】
技术研发人员：高毅夫，陈琳琳，刘昆，
申请(专利权)人：高毅夫，
类型：发明
国别省市：北京;11