[发明专利]一种高频AC隔离式变换器及其统一空间矢量调制策略

说明书

本发明公开了一种高频AC隔离式变换器及其统一空间矢量调制策略，所述高频AC隔离式变换器为一种高频交流隔离式三相交流‑单相交流或三相交流‑直流双向转换的通用型变换器，其三相侧是三相‑单相矩阵变换器，另一侧通过一个循环变换器获得单相交流电压或直流电压，两侧由高频交流隔离变压器连接。所提出的变换器可为单相交流或直流型分布式电源(DGs)提供可调节的电压而不需要笨重的直流环节电容器或更换变换器结构。此外，无论循环变换器侧是单相交流或直流，本发明设计的SVM方法都可较容易地实现对矩阵变换器和循环变换器的控制。

技术领域

本发明涉及电力电子变流技术领域，具体涉及一种高频AC隔离式变换器及其统一空间矢量调制策略。

背景技术

分布式发电的普及率迅速增长，这导致其对能源智能管理的需求越来越大，变压器在其中发挥着至关重要的作用。传统的线频变压器工作在50/60Hz，其体积庞大，价格昂贵，并且易受电力质量问题，如系统中断和过电压的影响。而高频隔离变压器则工作在数千赫兹，于是正受到越来越多的关注。高频隔离变压器也被称为智能变压器，其高工作频率可显著降低变压器尺寸，进而大大减少配电系统的体积和重量。与传统的低频变压器相比，高频隔离变压器的可控性更好，如可提供电压调节，功率因数校正和容错等。

基于双向有源桥式(DAB)变换器的智能变压器，在低压直流环节可以相对容易地并入可再生能源和储能设备。然而，其高压直流环节则需要大型电解电容，这有悖于体积紧凑的需求。有学者研究单相/三相矩阵变换器背靠背连接组成的智能变压器，这种直接交流-交流功率变换的方法不仅能增加寿命，还能节省空间并提高效率，因此具有很大的潜力。但是，由于这种变压器缺乏直流环节，因此它很难与直流电源/负载(如储能电池和光伏电池板)相互连接。有学者针对三相交流、单相交流和直流的分布式电源(DGs)，讨论了一种高频交流配电系统。不同的DGs配备不同的电力电子接口。例如，单相交流负载/电源与改进的循环变换器连接，而直流负载/电源则与单向H桥变换器连接。此外，所有电力电子接口都采用正弦脉宽调制(SPWM)。

有学者针对基于矩阵变换器和H桥变换器的高频隔离式三相AC-DC变换器，研究了其SPWM调制时的软开关技术。也有学者针对基于三相-三相/单相矩阵变换器的智能变压器，提出了空间矢量调制(SVM)和模型预测控制(MPC)。由于原边和副边的耦合作用，高频AC隔离式变换器的控制需要同时考虑原边和副边的运行，例如，电压电流控制、功率流动、电流换向和漏感管理等。SVM方法以占空比的形式控制变换器开关动作，是实现这些控制目标的理想选择。但是，目前由双矩阵变换器隔离组成的智能变压器的SVM方法，其占空比合成较为复杂，不利于在数字控制器中的实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高频AC隔离式变换器及其统一空间矢量调制策略，用以解决目前通用变换器缺少结构简单且可实现三相交流-单相交流/直流的双向变换的高频AC隔离式变换器的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高频AC隔离式变换器，所述高频AC隔离式变换器包括：三相-单相矩阵变换器、循环变换器、高频变压器和统一空间矢量调制器，所述三相-单相矩阵变换器位于所述高频AC隔离式变换器的原边侧并与分布式电源的三相交流电源/负载相连接，所述循环变换器位于所述高频AC隔离式变换器的副边侧与分布式电源的单相交流或直流电源/负载相连接，所述三相-单相矩阵变换器和所述循环变换器通过原副边匝数比为n₁：n₂的所述高频变压器相连，所述高频变压器分别对三相交流侧和单相交流侧或直流侧进行双向调制，所述统一空间矢量调制器分别连接至所述三相-单相矩阵变换器和所述循环变换器。

进一步地，所述三相-单相矩阵变换器带有双向开关S_ij，所述双向开关S_ij由六个双向开关管S_u1、S_u2、S_v1、S_v2、S_w1和S_w2组合连接形成，所述双向开关S_ij的表达式为：