（物理电子学专业论文）基于高频交流链接的充电技术研究及其控制器的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 电力电子装置的广泛应用给电能变换和利用带来了极大的方便，但同时也给电力 系统和其他用电设备造成了极大的谐波污染。因此，提高电力电子装置的功率因数和 降低其电流谐波含量已经成为电力电子技术的研究热点和重大课题。传统的电力电子 变换装置由于其固有缺陷，对电网注入了大量的谐波电流和无功功率，如果这些谐波 污染和无功功率得不到治理，将会引起电力系统故障或导致其他用电装置不能正常工 作。目前，解决电力无功和谐波的主要手段有：电力滤波和功率因数校正技术。这两 种解决途径都增加了系统的成本、体积和重量。 高频交流链接技术( a c - l i n k ) 是2 0 世纪末期国外学者所提出的一种新型的电力 电子变换技术。该技术省去了传统电力电子装置中的整流环节，直接对三相交流输入 进行高频变换，转换成所需要的电能形式，解决了传统电力电子装置功率因数低、谐 波含量高的问题。高频交流链接技术属于高频谐振变换，因此其开关损耗较低，d i d t 较小，提高了变换器的效率和功率密度，具有良好的电磁兼容性能。同时，高频交流 链接技术具有灵活的变换方式能够实现各个电能形式的变换，应用广泛。 本论文广泛调研了现存的各种高频交流链接变换器，对典型的高频交流链接变换 器进行了理论分析和仿真研究，得出了其电流、电压特性和控制策略。文章分析了基 于高频交流链接技术的新型充电结构，并对该种结构进行了仿真研究。结果表明，该 种充电结构适合电容充电应用，它结合了高频交流链接技术高功率因数、低谐波含量 的特性和串联谐振充电电源自然恒流的特性。同时，该变换器能够实现恒流充电和恒 功率充电两种充电模式。 最后，完成了基于f p g a 的高频交流链接技术控制器的设计，并进行了仿真验证 和实验验证。实验结果表明，在该控制器的控制下，高频交流链接变换器网侧输入电 流为正弦波，并且与相电压保持零相位差，具有很高的功率因数和很低的谐波含量。 关键词：高频交流链接；高功率因数；f p g a ；谐振变换器；恒流充电；恒功率充电； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t g r e a tc o n v e n i e n c ew a sb r o u g h tt oe l e c t r i cp o w e rc o n v e r s i o na n du t i l i z a t i o nb yw i d eu s e o fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t , b u ta l s ol o t so f h a r m o n i cp o l l u t i o nw a sb r o u g h tt ot h ep o w e r s y s t e ma n do t h e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t s t h e r e f o r e ，i m p r o v i n gt h ep o w e rf a c t o ra n dr e d u c i n g t h ec u r r e n th a r m o n i ch a sb e c o m ear e s e a r c hf o c u sa n dm a jo ri s s u e so fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y t h et r a d i t i o n a le l e c t r o n i cd e v i c e sh a v es o m ei n h e r e n td e f e c t sw h i c hb r o u g h tal a r g e n u m b e ro fh a r m o n i cc u r r e n ta n dr e a c t i v ep o w e r st ot h eg r i d i ft h ep o l l u t i o no fh a r m o n i c s a n dr e a c t i v ep o w e rw a sn o tp r o p e r l yg o v e m e d ，i tw i l lc a u s eap o w e rs y s t e mf a i l u r eo rl e a dt o t h eb r e a k d o w no fo t h e re l e c t r o n i cd e v i c e s c u r r e n t l y , t h ep r i m a r ya p p r o a c h e st os o l v et h e p r o b l e mo fh a r m o n i cp o w e ri ne l e c t r o n i cd e v i c e sl i ei nt h a t ：p o w e rf i l t e ra n dp o w e rf a c t o r c o r r e c t i o nt e c h n o l o g y b o t ho ft h et w os o l u t i o n sh a v ei n c r e a s e dt h es y s t e m sc o s t , s i z ea n d w e i g h t a c - l i n kt e c h n o l o g yi san e wt y p eo f p o w e re l e c t r o n i cc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yw h i c hh a s b e e nf i r s tp r o p o s e db yf o r e i g ns c h o l a r si nt h el a t e2 0 t l lc e n t u r y t h i st e c h n o l o g ye l i m i n a t e s t h en e e df o rt r a d i t i o n a lp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e si nt h er e c t i f y i n gp a r t , d i r e c t l yt r a n s f o r mt h e t h r e e - p h r a s ea ci n t oh i g hf r e q u e n c yp u l s e ，t h e nt r a n s f o r mt h eh i 曲f r e q u e n c yp u l s ei n t o n e e d e dp o w e rf o r m t h u sl o wp o w e rf a c t o ra n dh i g hh a r m o n i cc o n t e n tp r o b l e mo f t r a d i t i o n a l p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sw a ss o l v e d a c - l i n ki s ah i g hf r e q u e n c yr e s o n a n tt r a n s f o r m t e c h n o l o g y , t h u st h el o s sa n dd i d ti ss m a l l ，t h e nt h ee f f i c i e n c ya n dp o w e rd e n s i t yw a s e n h a n c e da n dp e r f e c te m cp e r f o r m a n c ew a so b t a i n e d m e a n w h i l e ，a c l i n ki sf l e x i b l e t r a n s f o r mt e c h n o l o g yt h a tc a nt r a n s f o r mp o w e ri na l lp o w e rf o r m v a r i e t yo fa c - l i n kc o n f i g u r a t i o nw a sw i d e l yi n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h e nt y p i c a l a c - l i n kc o n v e r t e rw a sa n a l y z e da n ds i m u l a t e da n dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n t r o l m e t h o dw a sg i v e no u t an o v e la c - l i n kc h a r g i n gt e c h n o l o g yw a sr e s e a r c h e da n d s i m u l a t e di nt h ep a p e r , t h er e s u l ts h o wt h a tt h i sn o v e lc o n f i g u r a t i o ni ss u i t a b l ef o rc a p a c i t y c h a r g i n ga p p l i c a t i o n s i t c o m b i n e sh i g hp o w e rf a c t o ra n dl o wh a r m o n i cc h a r a c t e ro f a c l i n ka n dn a t u r a lc o n s t a n tc h a r a c t e ro fd c l i n ks e r i e sr e s o n a n t c o n f i g u r a t i o n m e a n w h i l e ，t h i sn o v e lc o n f i g u r a t i o nc a l lo p e r a t ei nc o n s t a n tc u r r e n to rc o n s t a n tp o w e rm o d e f i n a l l y , af p g ab a s e dc o n t r o l l e ro fa c l i n kt e c h n o l o g yw a sf u l f i l l e d t h er e s u l to f 一i 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1ii 页 s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts h o wt h a tu n d e rt h ec o n t r o lf u l f i l l e dc o n t r o l l e rt h ee x p e r i m e n t a l e q u i p m e n tc a no p e r a t ei nag o o ds t a t ea n dh i g hp o w e rf a c t o ra n dl o w h a r m o n i cc o n t e n tw a s o b t a i n e d k e yw o r d s ：a c - l i n k ；h i g hp o w e rf a c t o r ；l o wh a r m o n d cc o n t e n t ；f p g a ；c o n s t a n tc u r r e n t ； c o n s t a n tp o w e r ； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 随着科学技术的进步工农业生产的迅猛增长，我国的电力电子技术迅速发展，电 能消耗量急剧增加，我国已经成为全球用电大国之一。随着电力电子装置的广泛应用， 各行各业对电能质量的要求也越来越高，电力部门和用户对电能质量问题也越来越重 视。自上世纪六、七十年代，世界各个国家和国际组织都相继制定了各种电能质量标 准。在这些标准中，被广泛接受的有i e e e 6 0 5 1 9 标准和i e c 6 0 5 5 5 2 标准。我国也制定 相关标准，目前比较常用的是b g l 2 3 2 5 9 0 、g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 和g b t 1 4 5 4 9 9 3 等国家标 准【l 】。然而，由于半导体开关器件的非线性特性和用电设备的多样性导致电流发生了严 重畸变，大量的谐波电流和无功电流注入网，对公用电网、用电设备和生物安全造成 了很大的影响t 2 j 。由于电力谐波造成的安全事故在电力事故中占很大部分。相关文献和 实验表明由不可控整流桥和储能电容组成的整流装置其总谐波含量高达9 0 1 3 0 ， 功率因数仅为0 5 - 0 7 t 3 。因此，抑制谐波和减小无功，提高功率因数成为电力电子技 术所研究的一个重大课题【4 j 【5 6 1 1 7 1 。 1 2 电力电子技术的发展及应用 电力电子技术是2 0 世纪后半叶诞生和发展起来的一门新型科学，他是集电子学、 电力技术和控制理论为一体的新型交叉学科f 8 】。电力电子技术的主要任务是研究各种电 力电子器件，以及这些电力电子器件所构成的各种对电能进行变换和控制的电路或装 置，实现对电、磁能量的变换、控制、传输和存贮，以能够合理、高效地使用各种形 式的电能，为人类提供高质量的电、磁能量阴。 功率半导体开关是电力电子技术发展的关键。它对电力电子装置的体积、重量、 性能和造价有极大的影响。1 9 5 8 年美国通用电器公司研制成功第一代功率半导体开关 晶闸管，晶闸管属于半可控器件，不能自关断。此后，双向晶闸管、逆导晶闸管、 光控晶闸管等相继诞生。晶闸管仍然是目前耐压最高、过流电流最大、d i d t 、d v d t 承 受能力最最强的半导体器件，广泛应用与大功率电力电子装置中。在技术和工艺的发 展以及新型功率半导体器件需求的推动之下，g t r 、g t o 、m o s f e t 等能够自关断、 全控型的半导体开关出现，被称为第二代功率半导体开关器件，其中g t o 是目前容量 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 最大的自关断半导体开关。近十几年以来，i g b t 、i g c t 、i g e t 出现，引领了电力电 子技术领域的又一次重大进展，使得电力电子装置的功率密度和性能都大大提高。 主电路拓扑结构是电力电子技术的重要研究内容。主电路的主要有a c a c 、 a c d c 、d c a c 、d c d c 以及混合变换方式。对于不同的功率容量和变换方式也有不 同的拓扑结构出现。 1 3 传统d c - l ；n k 技术中存在的缺陷和解决方法 传统的d c l i n k 电力变换器通常采用先将交流电变换为直流电，然后在进一步变 换为需要的电压或电流。将交流变换为直流环节即为整流环节。常用的整流方式有二 极管不控整流、相控整流、p w m 整流等几种整流方式。 1 3 1 二极管不可控整流 二极管不可控整流电路广泛应用于各种电力电子装置中，图1 1 所示为三相全桥 二极管不可控整流电路。整流电路的输入电流包含5 、7 、1 1 、1 3 次特征谐波，谐波的 含量与谐波次数成反比。尽管二极管整流电路具有很高的相位移因数，但电流波形为 脉冲电流，因此它向电网注入了大量的谐波电流。但是，由于二极管整流电路运行可 靠、成本低廉，因此仍然是目前应用最为广泛的整流电路。 图1 1 三相全桥二极管整流电路 1 3 2 相控整流 图1 2 所示的电路中，将二极管用晶闸管代替，通过控制晶闸管的触发角可以实 现对输入电压的控制。该中整流电路为相控整流电路。在相控整流电路中，随着触发 角的减小，功率因数会相应增加。触发角同样会影响着触发电流的幅值。这种整流电 路简单可靠，应用广泛。但同时功率因数低，向电网注入大量谐波电流。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 图1 2 相控整流电路 1 3 3p w m 整流 随着电力半导体技术的发展，高频高压大容量功率半导体开关器件的广泛应用。 高频整流技术应运而生。基于脉冲宽度调制技术( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，为p w m ) 的整流电路是目前研究和应用较多的高频整流电路。p w m 整流电路具有入电流为正 弦、输出直流电压质量较高的特点。其中最为典型的两种p w m 整流电路拓扑结构为： 电流型p w m 整拓扑和电压型p w m 整流拓扑。 ( 1 ) 电流型p w m 整流拓扑 电流型p w m 整流的典型结构如图1 3 所示。整流电路通过控制半导体开关的频率 和占空比，提供一个近似为直流输出的电流源。在交流侧，滤波电容与滤波电感一起 组成l c 滤波器。在直流侧，储能电流将脉冲电流平滑为稳定的直流电流。在这种整流 电路中需要较大的电感储能，功率损耗较大。同时也增加了电流型p w m 整流器的造 价、体积、重量以及损耗。 图1 3 电流型p w m 整流电路 ( 2 ) 电压型p w m 整流拓扑 图1 - 4 所示为电压型p w m 整流拓扑，包括6 个双向电流开关。很多文献介绍了 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 p w m 理论及其相关的控制方法。电压型p w m 整流器的工作过程中，要求控制系统实 现整流器的输出电压为稳定的直流电压和输入电流与输入电压的相位一致，保证整流 桥对交流电网呈现纯阻性。目前，各种形式的p w m 变换器中，都存在着不同程度的 偏磁问题，一般多采用在变压器原边串联电容，利用电容特有的隔直特性将原边中的 直流分量滤除。然而，所有的原边电流都要流过隔直电容，使电容的工况相当严重电 容的可靠性及寿命严重地制约着变换器的可靠性【1 0 】。 图l - 4 电压型p w m 整流电路 1 3 4 功率因数校正与电力滤波器 根据前面的分析可知，现存的整流装置都存在功率因数低、谐波含量高的缺点。 这与绿色环保的概念是相背驰的。那么如何解决上述问题呢? 目前主要有两个解决途 径：一、在电网中加入有源滤波器或无源滤波器以补偿电力电子装置产生的谐波。二、 对电力电子装置进行功率因数校正，使电力电子装置不产生谐波电流【1 1 1 1 2 】。但无论是 在电网中加入滤波器还是对电力电子装置进行功率因数校正，都将增加系统的复杂度 和成本。因此，国内外学者也在探索一些高功率因数、低谐波含量的电力电子变换技 术。高频交流链接技术( a c l i n k ) f 1 3 就是其中之一。 1 4 高频交流链接技术的研究现状 高频交流连接技术是二十世纪末期国外学者所提出的一种新型电能变换技术。目 前，有报道的主要分为两种结构：一种是由国际科学应用公司的r u d yl i m p a e c h e r , r i g o r o d r i g u e z 等人提出的串联谐振型高频交流链接技术( a c l i n k t m ) f 1 4 】。国际科学应用 公司于2 0 0 0 年申请专利，专利号为6 1 1 8 6 7 8 号美国专利。该公司经过6 8 年的研究， 技术已经比较成熟。该公司正在为美国海军研究电动力舰艇的推进、调节系统，还为 空军主动拒止技术建造了高功率密度电源。英国皇家海军资助了舰艇推进和电源调节、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 超导发电机以及机载微波系统低重量电源等方面的研究。在商业方面，新v a rl l c 公 司已经研制成功了1 0 0 k v a r 有源v a r 补偿器。e p r i 公司独立成功实验了基于该技术 的发电机驱动器，使之产权具体化。最新的文献报道，国外已将此类电源应用于高压 输电和钻井平台、不间断电源系统等【15 1 。 另一种是由德州a & m 大学先进发电机和功率电子技术实验和理想电源变换器公 司的a n a n db a l a k r i s h n a n ，w i l l i a mc a l e x a n d e r ，h a m i da t o l i y a t 等人并联谐振型高 频交流链接结构【1 6 】。目前，该项目组正在研发基于该拓扑结构的风力发电和太阳能发 电应用的变流器【1 7 】f 1 3 】。 1 5 本课题研究的目的和内容 1 5 1 研究目的 高频交流链接技术( a c l i n k ) 符合电力电子装置“绿色、环保、低碳、高效”的 发展要求，具有广阔的研究和应用前景。目前，国外已经有相关产品问世，并且证明 具有良好的性能，然而对于细节方面更详细的文献资料报道的较少。国内从事相关技 术的研究尚无文献报道。本文以电容充电电源为载体，对高频交流链接相关技术进行 研究，为基于高频交流链接的电力电子装置开发提供一些技术支撑。 1 5 2 研究内容 本论文研究的内容主要包括一下： 1 对各种高频交流链接结构的工作原理进行分析，总结出高频交流链接技术的基 本内涵。 2 对串联谐振型高频交流链接进行理论分析，得出其控制策略和其他特性参数。 3 分析电容充电的特殊性，设计出适合电容充电应用的高频交流链接结构。 4 对高频交流链接技术的控制策略进行分析，设计出总体控制方案。 5 利用f p g a 实现对高频交流链接技术的控制方案，并进行仿真分析。 6 完成控制器外围硬件电路的设计。 7 对设计的控制器进行实验验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第2 章高频交流连接技术概述 传统的电能变换器，采用“先整流，再高频逆变 的技术路线。采用该技术路线 的电源先采用整流电路和储能电容器形成一个近似稳定的直流电源，然后再采用开关 阵列和其他辅助电路进行高频逆变或变频。该种电源中网侧电压是正弦波，但由于整 流元件的非线性性导致网侧电流是脉冲电流，波形严重畸变，使得电源的功率因数大 大降低，同时对电网或其他供用电设备造成干扰和污染【l 9 1 。 高频交流链接( a c l i n k ) 技术不经过整流，通过开关整列换相提供一个近似稳定的 直流源，同时完成高频变换。高频交流链接( a c l i n k ) 技术的关键是通过适当的控制方 式使每个高频脉冲电流周期中，各相流出的电荷量与对应相的相电压保持恒定比例， 从而维持各相电流和与之对应相的相电压保持幅值成正比、相位差为零。典型的高频 交流链接( a c l i n k t m ) 变换器如图2 1 所示1 2 0 1 。与传统的大功率电能变换器相比较，高 频交流链接( a c l i n k ) 技术由于其网侧电流为正弦波，并且保证与网侧电压保持零相位 差，因此具有电流谐波含量很低、功率因数很高、对电网危害低、电磁干扰小等优点， 同时能够维持三相平衡运行，基于高频交流链接技术的变换器与传统变换器网侧电流 比较如图2 2 所示。 基于高频交流链接( a c l i n k ) 技术的变换器为“自然软开关”的谐振变换器，与传 统的p w m 变换器相比较开关损耗很小，因此允许高压大容量固态功率开关运行于较 高的开关频率。用于传统p w m 变换器与用于高频交流链接的i g b t 输入功率容量如图 2 3 所示【2 1 1 。因此其电能变换效率高、功率密度高，国外相关文献表明采用高频交流链 接( a c l i n k ) 技术的电能变换器其效率高达o 9 7 、功率密度可达2 6 m w m 3 。再次，利 用高频交流链接( a c l i n k ) 技术可以实现很灵活的配置，能够实现d c d c 、d c - a c 、 a c a c 、a c d c 等变换，应用领域广泛1 。 - 一 茫 一可一 ；矿 = 0 ：a 一 = 一- t 廿 呻 如，” ” - j 图2 1 典型的高频交流链接变换器 2 1 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 圄 ? 。o u t p u t p 。 t， 图2 5串联谐振型高频交流链接变换器的能量传输过程【2 2 】 该种拓扑结构是美国由国际科学应用公司的r u d yl i m p a e c h e r , r i g or o d r i g u e z 等人 于2 0 0 0 左右年提出的，它是在美国的所谓“星球大战”计划的支持下开发出来的，之 后又不断进行了完善，并获得了美国及大多数工业国家的专利。 2 3 1 2 4 】【2 5 】该种变换器由 输入滤波器、输入开关整列、l c l 谐振回路、输出开关整列和输出滤波器等几部分组 成。该拓扑结构中输入和输出两个谐振回路共用一个谐振电容( 中心电容) c o ，通过 串联谐振将能量从输入转移到输出，该结构的能量传输过程如图2 5 所示。该种拓扑 结构在工作过程中包含谐振充电和谐振放电两个工作环节。 ( 1 ) 谐振充电过程 充电过程中，电荷从三相输入的每一相谐振流入中心电容器，对电容器进行充电。 在这一过程中，关键是控制好三相各相流出的电荷量，要保证在一个谐振周期内，从 三相各相流出的电荷量与该相的相电压的绝对值成比例。举例说明，如图2 6 所示的 三相电压中，在某一时刻，三相线电压归一化电压分别为o 9 6 、o 3 2 和0 6 4 ，一相为 正，两相为负，绝对值之比为3 ：1 ：2 。 0 一x 厂、 、笊9 0 图2 5 归一化三相线电压 在工作过程中，首先开通电压绝对值最大和绝对值最小的两相的开关，电流在绝 对值最大相( a 相) 和绝对值最小相( b 相) 之间流动，对中心电容器谐振充电；一段 时间后，电压绝对值在中间相( c 相) 所对应的开关开通，绝对值最小相所对应的开关 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 自然的关断，电流自然地在绝对值最大相和绝对值在中间相的两相之间流入，继续对 中心电容谐振充电。合理控制电压绝对值在中间相( c 相) 所对应开关的开通时间，使 整个谐振充电周期中从电压绝对值最小相( b 相) 电压绝对值在中间相( c 相) 流出的 电荷只比为1 ：2 ，便可以消除变换器对电网注入的低次谐波电流，减小输入滤波器所 需要的功率容量，从而减小输入滤波器的体积和重量，提高变换器的功率密度和功率 因数。 图2 7 描述了一个工作周期中各个时间段的电压电流波形。t o 时刻，中心电容器上 的电压为零电压或负电压，三个输入相电容器上的电压等于各自的线电压。充电开始 时，触发开关s i l 和开关s i 4 。电容器c i l 和c i 3 上的电压差形成如图2 - 8 ( a ) 所示的电 流流动。在t 1 时刻，触发开关s i 6 ，此时，由于相电容c i 2 上的电压比相电容c i 3 上的 高，使开关s i 4 反向偏置，从而自然关断。电流从相a 和相c 继续流动，中心电容器上 的电压继续上升，直到峰值，此时电流为零( t 2 时刻) 。 通过对整个充电过程的分析可以看出：首先，在整个充电周期完成是，中心电容 器完全充满，电路中电流为零，开关零电流关断：其次，可以通过控制t l 时间来控制 从相b 和相c 输入的电流，通过选择合适的t 1 ，可以使各相流出的电流大小跟随电压； 最后，在每一个充电周期中，都是先触发相电压绝对值最大和最小的两个开关，然后 再触发电压绝对值在中间的开关，这样可以实现开关的自然关断。充电过程中的电流 流动过程如图2 8 所示。 图2 7 一个工作周期中各个时间段的电压电流波形 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 c c r l ( a )( b ) 图2 8 充电过程中的电流流动 ( 2 ) 谐振放电过程 放电过程和充电过程相似。通过控制开关切换时间( t 4 时刻) 使得三相输出的电流波 形与三相电压波形匹配。 ( a )( b ) 图2 - 9 放电过程的电流流动 充电过程和放电过程最大的区别在于开始时中心电容器上电压不同，充电过程时， 中心电容器为负电压，我们称这个负电压为“残余电压 ，它可以通过续流时间进行控 制，断开中心电容器的放电回路，阻止电流和电容器继续放电。 当中心电容器的电压为零或负电压时，触发续流开关( t 5 ) 。中心电容器上的负电 压越大，充电周期需要输入的能量就越多，因此可以通过控制残余电压来控制输入输 出的能量。f 2 6 1 基于高频交流连接的a c a c 变换器可以用于各种从交流到交流的变换应用中，包 括风能、太阳能发电变流器、电流机车、舰艇等的电机变频驱动系统等。 通过a c l i n k 的基本工作过程，可以知道，输入负载能量为： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 e 芘( y p g v ) 2 所以可以通过控制开关频率和中心电容器上的负电压来控制输出的能量。 2 1 2a c - d c 结构 基于高频交流连接的a c d c 变换器如图2 1 0 所示【捌。该种高频交流变换结构由 输入滤波器、输入开关整列、l c l 谐振回路、输出开关和输出滤波器等几部分组成。 该结构的工作原理与基于高频交流连接技术的a c a c 变换器一致，只是在输入部分不 需要将中心电容中的能量转移到不同的输出相。利用变压器变压的基于高频交流连接 的a c x t r d c 变换器如图2 1 1 所示【2 羽。在该种结构中，上下两个模块共用一个变压器， 两个模块交替工作输出功率更大，同时能够对变压器进行去磁，提高了变压器的利用 率。 基于高频交流连接的a c d c 变换器主要用于从交流到直流变换的各种应用场合。 与传统滤波+ 整流稳压及滤波+ 整流稳压+ 逆变+ 整流结构的交直变换技术相比较，基于 高频交流连接的a c d c 变换器同样采用谐振工作原理，实现了软开关状态，降低了系 统的损耗。同时，对于恒功率负载而言，由于高频交流连接技术在每一个谐振周期向 供电系统汲取的总能量是恒定的，向供电系统各相汲取的能量与该相的相电压的平方 是成比例的，因此从供电系统看变换器是瞬时恒功率系统，对供电系统的冲击很小。 图2 1 0 基于高频交流连接的a c d c 变换器 l o a d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 啭 v t l - h - 。 拦 i 。r 一 芒 运 丰 1f _ _ - - 一 币l i 。 l i 一 ，咿 1 i 1 ，一 肚。- 韶囊 孝卅 _ 御1心 1 团p - 1 辫l 1 匿 丰 过 一一- 堪 龆if 暑 下l i 凸 一 唧 堙0 ：恤 吐 a c i “t t - lo_tl l # l f 。_ 一三j 爪瓜而 一 一、兰； 了vv a ci n p u td i $ c h a r o ei n d l ic u r r e n t ( 2 - f i g u r e4a c - d c w i t ht r a n s f o r m a t i o n 图2 1 1 基于高频交流连接的a c x t r d c 变换器 2 1 3d c - a c 变换器 基于高频交流链接的d c a c 变换器如图2 1 2 所示。该种拓扑结构的工作过程与 a c a c 变换器的工作过程基本相似。该种变换器可以用于太阳能发电、电机变频驱动 等场合。 图2 1 2 基于高频交流链接的d c a c 变换器 2 1 4d c - d c 结构 基于高频交流链接的d c a c 变换器如图2 - 1 3 所示。该变换器的能量传输过程与 基于高频交流链接技术的a c a c 变换器一致。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 朋 i + 一o o 一 _ 一一 一一一 i 一 丰c o下 1 c 1 i o 图2 1 2 基于高频交流链接的d c a c 变换器 2 1 5 多端口配置 高频交流链接技术可以进行多端口配置。典型的高频交流链接多端口配置电路如 图2 1 3 所示。【2 4 】该变换器中d c 输入端口可以用于脉冲负载或电容器组充电。中间的 储能环节可以用蓄电池或电容器组。该变换器的工作工程是：当负载工作时，a c 输入 端和中间储能电容器同时对负载供电；当负载停止时，a c 输入端将能量转储到中间储 能电容器。利用该种变换器结构对脉冲负载或电容器组充电时减小了对供电系统的功 率容量需求。 图2 1 3 多端口配置的高频交流链接变换器 2 2 并联谐振型高频交流链接 并联谐振型高频交流链接变换器拓扑结构是由德州a & m 大学先进发电机和功率 电子技术实验和理想电源变换器公司的a n a n db a l a k r i s h n a n ，w i l l i a mc a l e x a n d e r ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 h a m i da t o l i y a t 等人提出的【1 6 】【1 7 】【1 8 】。该种结构在三相a c a c 电路结构中使用了1 2 个 双向开关。储能环节由一个低电抗率的“电感电容组构成。开关在零电压的时候闭 合，并且在关断时有电容器作为缓冲，这样致使开关具有小的开关损耗。相电流由精 确控制的电流脉冲组成，这些精确的电流脉冲同时也能够用来实现任何期望的输入、 输出电压或者功率因素。这种变换器能够在正向或者反向变换的场合下的进行降压和 升压工作。提出的这种拓扑结构预示着在提供比现存变换器更好性能的同时，还使尺 寸、重量的减小和成本的降低。 2 2 1a c - a c 结构 并联谐振型a c a c 高频交流链接变换器如图2 1 4 所示【1 6 】【1 羽。该变换器的输入和输 入端各有6 组双向开关组成，中间储能环节由并联电感电容组组成，输入和输出滤波 器与串联谐振型高频交流链接一致。该种结构的变换器能量传输过程与串联谐振型高 频交流变换器一致，只是将电感作为主要储能原件，电容起辅助变换作甩。 该种变换器的工作过程包含获取能量、局部谐振和释放能量三个环节。图2 - 1 5 展 、 示了该变换器的工作过程。 图2 - 1 4 并联谐振型a c - a c 高频交流链接变换器 阶段1 ( 获取能量) ：链路通过能对其正向充电的开关组合( s 3 i - s 2 i ) 连接到有较 高输入电压的一对线组( b c ) 上。链路充电直到i b i 的周期平均值与计算出的相应的 电流参考值1 1 吻合后，s 3 i 、s 2 i 关断。 阶段2 ( 局部谐振) ：关断瞬间，链路电容做为缓冲器跨接在开关上，这样就会有 较小的关断损耗。所有的开关保持关断状态的同时，链路发生谐振直到链路电压和输 入相中有次高压的线组电压相同为止。这个次高压线组是对链路下一次充电的线组。 在图2 - 1 5 示意的例子中，链路谐振直到链路电压和v a c i 相等。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 阶段3 ( 获取能量) ：开关( s 1 i 、s 2 i ) 闭合以让链路从有次高压的线组继续 正向充电。在模式2 的末尾，链路的电压和这个线组的电压相等。因此在闭合开关的 时候，相应的开关两端电压为零。这表明开关闭合出现在零电压的条件下，此时开关 正由反向偏压转成正向。在图2 - 1 5 示意的例子中，链路充电直到i c i 的周期平均值与 计算出的相应的电流参考值1 2 吻合后，开关关断。 阶段4 ( 局部谐振) ：在这个模式中链路谐振到与输出线电压中的一组相同。充完 电的链路通过向输出两线组放电实现输入端向输出端传递能量。在任一时刻输出的参 考电流之和为零。输出的三线的电流按照幅度分最高、次高和最低。例如：假设 i a o = 1 0 a ，i b o = - 7 a ，i c o = - 3 a 为三相输出的参考电流值，那么两个线组a b 和a c 被选为 用来向输出端传递能量。同时假设v a b o 和v a c o 为对应两线组的电压，v l i n k 为链 路电压，相对于链路电压差别最小的这个线组被选为第一个放电线组。例如假设 v li n k = 5 0 0 v ，v a b o = 4 0 0 v ，v a c o = 3 0 0 v ，那么a b 线组被选为第一个放电线组。 阶段5 ( 释放能量) ：输出开关在零电压条件下闭合以让链路向选定线组放电直到 输出电流的周期平均值等于相应的电流参考值为止。 阶段6 ( 局部谐振) ：所有的开关处于关断状态，同时链路发生谐振直到链路电压 和由模式4 中选定的线组电压相同。 阶段7 ( 释放能量) ：链路向选定的线组放电直到链路中剩下足够能量以让链路电 容电压能转向输入线组的最高电压。 阶段8 ( 局部谐振) ：链路电压转向输入端有最高电压的线组准备进行反向的充电。 阶段9 到1 6 和阶段l 到8 除了链路充放电的方向和之前的相反方之外其余是相似 的。由于充放电反向，和之前阶段1 到8 中使用的开关不同，阶段9 到1 6 使用了桥壁 中对应的互补开关。并联谐振型a c a c 高频交流链接变换器的工作波形如图2 1 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 甜， 多j 1 5 0 = = 隹 i s 2 ii - 厂kk cl i 埘翻 o 叫：1 扩f 仁 cilj _ 1 lic 唧v ： ：厂： v 址 ： ：广： ： ：i ： ： ： ： ：l ： ： j ： ： ： ： ： ：j ： ： 4 0 0 v 、 ： ，： ： l i o a | ；| | | l k ： ： ： ： ： 1 1 0 a ： ： ： - 、，。 i i o a：“： ： 纠： ： l ll ： ： l ： ： ： ”! i ； ； 孙 k1 曩i 卅叠 ； t ：l ：二 l d l l o 一n | | | n | | 那 l 琊 | l 为 | | | n | | | 入i l b o k 1 1 0 l ；陟ll ；肜l m 0 d c i ；1 3 ；7 ；9 ；1 i ；1 3 i 11 5 ； 图2 - 1 5 并联谐振型a c - a c 高频交流链接变换器的工作过程( 左) 及工作波形( 右) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 2 2 2d c - a c 结构 用于太阳能发电变流器的并联谐振型高频交流链接d c - a c 变换器如图2 - 1 6 所示。 与串联谐振型高频交流链接d c - a c 变换器不同，该变换器的d c 输入端又两个d c 电源 并联而成，以实现输入电流方向的变换。 图2 - 1 6 并联谐振型高频交流链接d c - a c 变换器 2 3 主要特点 通过前面的阐述，我们可以总结出高频交流链接技术的主要特点，可以归纳如下： ( 1 ) 由于高频交流链接技术中使用了谐振充电和谐振放电的拓扑结构，并采用合 适的控制策略使得功率开关可以工作在“软切换 的状态之下，因此该结构下的开关 损耗很小，使得系统损耗大大降低。提高了电源的效率。 ( 2 ) 谐振式的拓扑结构使得大容量i g b t 开关可以工作在很高的频率上( 可高达 2 0 k h z ) ，这样就可以大大减小无源器件的体积和总量，提高了系统的功率密度。 ( 3 ) 高频的“软切换 使得整流和逆变过程变得更“清洁 ，从而降低了换流器 的电磁干扰，提高了其电磁兼容水平。据介绍，采用高频交流连接技术( a c - l i n k w ) 的 变流器是唯一一个符合美国海军的e m i 和e m c 标准的变换器。 ( 4 ) 采用高频交流链接技术的变换器，三相交流侧每相的输入电流为正弦波，并 且与该相的电压保持零相位差，因此能够获得很高功率因素，接近于l 。无需进行额外 的功率因数校正。 ( 5 ) 高频交流链接技术可以进行多端口配置，易于构建复杂的电源系统。 总之，高频交流链接技术是一种新型的电力电子变换技术，具有突出的优点，可 以提高各种应用领域中电能变换器的性能。 2 4 应用前景分析 。 高频交流链接技术是一种新型的电力电子变换技术，具有非常良好的前景。本节 就高频交流链接技术在工农业生产、军事和科研等各个领域的应用进行简要概述。 叫 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 2 4 1 新能源发电 能源与环境是目前在世界范围内受到高度关注的领域，减少碳排放量成为世界各 国奋斗的目标。在几乎所有的可再生能源发电系统中，都涉及到一系列的大功率、高 效、高质量的能量转换和控制，电力电子技术是其中的关键技术之一。 目前，普林斯顿电源系统公司已经开发出一个小型风涡轮和太阳能栅格发电应用 的变流器，满足u l 1 7 4 1 、i e e e 1 5 4 7 和i e e e 1 9 9 2 规范的要求【2 6 】。德州a & m 大学先 进发电机与功率电子实验室和理想能源变换器公司联合研制的风力发电变流器拓扑结 构如图2 1 7 所示【1 7 】f 1 引。实验结果表明，该中拓扑结构非常适合用于风力发电变流器， 与传统的风力发电变流器相比较具有功率因素高、电能质量高、结构紧凑等特点，同 时能够在很短时间内实现输出电压和输出频率的变换和适应输入频率和输入电压的变 化。 图2 1 7 应用与风力发电的高频交流链接变流器 t i m e ( m i ) 图2 1 8 应用与风力发电的高频交流链接变流器的输出特性 西南交通大学硕士研究生学位论文 第19 页 2