一種低成本變換器裝置的設計與應用

范嘉晨 莫勝勝 徐群人 覃偉鋒 李振盛

摘 要：設計了一種低成本變換器裝置，可解決現(xiàn)有電力電子變壓器結(jié)構(gòu)復雜、控制困難、成本高，且無法滿足多電源場合下應用需求的技術(shù)問題。該裝置輸入直流電，同時輸出直流電和交流電，提供多端口輸出;調(diào)制使用一個載波、兩個調(diào)制波，同時調(diào)制出50 Hz正弦波和2 000 Hz交流方波;電路結(jié)構(gòu)相對簡單，不同于現(xiàn)有電力電子變壓器要先將交流電先轉(zhuǎn)化為直流電再經(jīng)過DC-DC變換器轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰闹绷麟姡撗b置涉及單元更少，裝置可靠性更高，成本更低。

關(guān)鍵詞：變換器;低成本;電路結(jié)構(gòu);控制方法

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，各種形式的電力需求不斷增長，人們對電子設備的要求逐漸提高。柔性直流輸電是基于電壓源換流器的新一代高壓直流輸電技術(shù)，其中模塊化多電平變流器因運行效率高、輸出特性好、可拓展性強，已成為當前柔性直流輸電系統(tǒng)中換流閥的首選方案[1]。然而對MMC拓撲而言，總損耗的降低并不能保證其可靠性的有效提高，因為損耗在子模塊間及子模塊內(nèi)部的分布問題亦有可能對其可靠性造成影響。功率器件的損耗及其熱應力是影響變流器可靠性的重要因素，因此如何提高MMC變流器運行的可靠性，是MMC變流器亟待解決的另一難題[2]。現(xiàn)有的多種電力電子變壓器拓撲結(jié)構(gòu)一般直接將交流電先轉(zhuǎn)化為直流電，再經(jīng)過DC-DC變換器轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰闹绷麟姡@種方式涉及的元器件多，成本高，控制復雜，可靠性低，難以實現(xiàn)大規(guī)模使用。因此，需要設計一種成本低、器件更少的變換器裝置。

1 裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本文設計的低成本變換器裝置包括直流電壓源、中心電壓電路、第一調(diào)制控制電路、第二調(diào)制控制電路、選頻電路、降壓整流電路、第一輸出電路和第二輸出電路。電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1? ? 直流電壓源

直流電壓源的兩端均與中心電壓電路連接，且分別與第一調(diào)制控制電路和第二調(diào)制控制電路連接，第一調(diào)制控制電路與選頻電路和降壓整流電路連接，第二輸出電路與降壓整流電路連接，第一輸出電路與選頻電路連接。

1.2? ? 中心電壓電路

中心電壓電路包括第一電容C1和第二電容C2，第一電容C1的一端分別與直流電壓源的正極和第一調(diào)制控制電路連接，第二電容C2的一端分別與直流電壓源的負極和第二調(diào)制控制電路連接，第一電容C1的另一端和第二電容C2的另一端均接地。

1.3? ? 第一調(diào)制控制電路

第一調(diào)制控制電路包括第一絕緣柵雙極型晶體管Q1、第二絕緣柵雙極型晶體管Q2和第五電容C5，第一絕緣柵雙極型晶體管Q1的集電極與第五電容C5的一端連接，第二絕緣柵雙極型晶體管Q2的發(fā)射極與第五電容C5的另一端、選頻電路和降壓整流電路連接，第一絕緣柵雙極型晶體管Q1的發(fā)射極和第二絕緣柵雙極型晶體管Q2的集電極均與第一電容C1的一端連接，第一絕緣柵雙極型晶體管Q1的基極和第二絕緣柵雙極型晶體管Q2的基極均與外部控制端連接。

1.4? ? 第二調(diào)制控制電路

第二調(diào)制控制電路包括第三絕緣柵雙極型晶體管Q3、第四絕緣柵雙極型晶體管Q4和第六電容C6，第三絕緣柵雙極型晶體管Q3的集電極與第六電容C6的一端連接，第四絕緣柵雙極型晶體管Q4的一端與第六電容C6的另一端和直流電壓源的負極連接，第三絕緣柵雙極型晶體管Q3的發(fā)射極和第四絕緣柵雙極型晶體管Q4的集電極均與降壓整流電路連接，第三絕緣柵雙極型晶體管Q3的基極和第四絕緣柵雙極型晶體管Q4的基極均與外部控制信號連接。

1.5? ? 選頻電路

選頻電路包括第二電感L2和第四電容C4，第四電容C4的一端與第二電感L2的一端連接并與降壓整流電路連接，第二電感L2的另一端與第二輸出電路的正極連接，第四電容C4的另一端與第二輸出電路的負極連接。

1.6? ? 降壓整流電路

降壓整流電路包括第三電容C3、第一電感L1、第三電感L3、第四電感L4、第五電感L5、第一二極管D1和第二二極管D2，第三電容C3的一端與第三電感L3的一端和第二絕緣柵雙極型晶體管Q2的發(fā)射極連接，第三電容C3的另一端經(jīng)第一電感L1與第一二極管D1的輸入端連接，第一二極管D1的輸出端與第二二極管D2的輸出端和第二電感L2的一端連接，第三電感L3的另一端分別與第五電感L5的一端和第四電感L4的一端連接，第五電感L5的另一端與第二輸出電路連接，第四電感L4的另一端與第二二極管D2的輸入端和第四電容C4的另一端連接。

2 控制方法

2.1? ? 控制流程

本文設計的低成本變換器裝置包括直流電源Udc，將中心電壓電路的電容C1、C2與直流電源Udc并聯(lián)，并通過創(chuàng)造中心連接點，直流電源Udc提供直流電流經(jīng)第一調(diào)制控制電路、第二調(diào)制控制電路，分別調(diào)制出50 Hz正弦波和2 000 Hz交流方波。其中50 Hz正弦波通過第二輸出電路的端口OUT2輸出交流電，2 000 Hz交流方波經(jīng)過降壓整流電路降壓整流從第一輸出電路的端口OUT1輸出直流電。

進一步地，與直流電源Udc并聯(lián)的電容C1、C2，一端連接直流電源Udc，另一端共同接地，創(chuàng)造中心電壓Uc，根據(jù)以下公式得到本裝置中電容C1、C2兩端電壓大小為直流電源Udc的一半。

式中：n為電容個數(shù)。

進一步地，為第一調(diào)制控制電路、第二調(diào)制控制電路分配兩個幅值相等、相位依次相差π的三角載波，將這兩個三角載波同時與一個50 Hz正弦調(diào)制波和2 000 Hz正弦調(diào)制波作比較，比較后分別得到兩個PWM脈沖即為第一調(diào)制控制電路和第二調(diào)制控制電路的觸發(fā)脈沖，得到第一調(diào)制控制電路的電壓Upj和第二調(diào)制控制電路的電壓Unj，將處于投入狀態(tài)的子模塊的輸出電壓相加即第一調(diào)制控制電路的電壓Upj和第二調(diào)制控制電路的電壓Unj，根據(jù)（Unj-Upj）/2得到電路總的輸出電壓波形，即調(diào)制出2 000 Hz交流方波和50 Hz正弦波。

使用選頻電路對調(diào)制出2 000 Hz交流方波和50 Hz正弦波的信號進行選頻，讓2 000 Hz交流方波進入降壓整流電路進行降壓整流，50 Hz正弦波不進入降壓整流電路而是直接經(jīng)過濾波輸出，設電路所需頻率為f0，電路中電容電感大小分別為C和L，根據(jù)以下公式可計算出電路中所需電容電感的乘積（C×L）大小，再選用適合電路的電容器件C3和電感器件L1。

2.2? ? 降壓整流控制

2 000 Hz交流方波進入降壓整流電路進行降壓整流，分為兩種情況：

（1）當?shù)谝徽{(diào)制控制電路輸出電壓為正，第二調(diào)制控制電路輸出電壓為負時，D2正向?qū)?，D1反向截止，2 000 Hz交流方波流經(jīng)D2，儲能電感L2被充磁，流經(jīng)電感的電流線性增加，同時給電容C4充電，第一輸出電路的端口OUT1輸出電壓。

（2）當?shù)谝徽{(diào)制控制電路輸出電壓為負，第二調(diào)制控制電路輸出電壓為正時，D2反向截止，防止電流回流，D1正向?qū)ǎ瑑δ茈姼蠰2通過續(xù)流二極管放電，電感電流線性減少，第一輸出電路的端口OUT1輸出電壓由儲能電感L2和電容C4提供。

3 結(jié)語

本文設計的低成本變換器裝置輸入直流電，同時輸出直流電和交流電，提供多端口輸出;選用兩個調(diào)制控制電路與降壓整流電路結(jié)合，使用一個載波、兩個調(diào)制波進行調(diào)制，同時調(diào)制出50 Hz正弦波和2 000 Hz交流方波，電路結(jié)構(gòu)相對簡單，不同于現(xiàn)存的電力電子變壓器要先將交流電先轉(zhuǎn)化為直流電再經(jīng)過DC-DC變換器轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰闹绷麟?，本裝置涉及單元器件更少，裝置可靠性更高，成本更低。

[參考文獻]

[1] 姚良忠，吳婧，王志冰，等.未來高壓直流電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)分析[J].中國電機工程學報，2014，34（34）：6007-6020.

[2] 董玉斐，楊賀雅，李武華，等.MMC中全橋子模塊損耗分布優(yōu)化的調(diào)制方法研究[J].中國電機工程學報，2016，36（7）：1900-1907.

收稿日期：2021-01-27

作者簡介：范嘉晨（2001—），男，浙江金華人，研究方向：模塊化多電平變換器。