[发明专利]直接AC-AC电力电子功率变换器及其控制方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种从传统的AC-DC-AC电力电子功率变换器升级至实行交流升降压调节的直接AC-AC电力电子功率变换器

背景技术：

电力电子功率变换器由于其性能的优越，被广泛地应用在电力拖动调速和各类静止电源。特别是近年来IGBT、MOSFET等新颖全控型电力电子器件及其控制芯片的性价比的明显改善，使电力电子功率变换器在工农业生产和科学研究中应用越来越广泛，已经普及到国民经济的另一重要领域——家用电器。故电力电子功率变换器成为当前各国科技界关注的热门领域，是“电力电子”及“电工理论与新技术”二个学科研究的前沿。

现代电器设备一般都含有电子线路，它的普及及其他的冲击负荷使得应用最广泛的电源——工频电网成了复杂供用电系统，造成电网污染，功率因数下降，电压波动，谐波分量多波形失真大，还常有干扰脉冲。电网供电质量差，不能满足工农业生产发展和人民生活水平提高的需求，或发生用电设备失常或失控而引发事故。

二十世纪末，随着瞬时功率理论的不断完善和发展，国外研发出电力电子功率变换器有：VVVF变压变频电源——PWM变频器、动态电压恢复器DVR(Dynamic VoltageRestorer)、并联补偿式交流稳压电源等。它们都是AC—DC—AC的电力电子功率变换器。

它们的系统内变换环节多造成电路复杂，使变换效率降低和产品的成本上升。其中AC—DC变换环节将电网交流电压Vac整流滤波成直流电压Vdc，整流后的电容低频滤波使输入电流畸变成尖峰(见图1)造成谐波污染和功率因数劣化，直接导致电站发电机组和电网功率容量的使用率下降。低频滤波电容的电解质易变质，引发变换器寿命缩短。

通断控制、相位控制和斩波器都是实行交流调压的直接AC—AC电力电子功率变换器，但它们只能实行有效值降压调节且输入电流和输出电压波形分别存在周期间断、波形缺损和波形断续(见图2)，产生谐波污染电网和负载上电压波形畸变。

为此，1980年诞生了能直接AC—AC变换的矩阵变换器。矩阵变换器的输入电流和输出电压波形均近似于正弦，被冠于“绿色变换器”之褒名；近年来成为国内、外“电力电子”和“理论电工”领域的研究热点。因一些技术问题尚未解决，如矩阵变换器的主回路拓扑决定了该变换器电压传输率(输出与输入电压之比)不能大于1，只能使输出交流电压幅度往降低方向调节，即只能实现降压调节；不能适应电网电压往往偏低时，输出交流电压幅度往升高方向调节的需求。故至今，矩阵变换器还没有工业产品问世。

发明内容：，

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种新颖的主回路拓扑可构成实行交流升降压调节的直接AC—AC电力电子功率变换器。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种直接AC-AC电力电子功率变换器，包括主回路和自动调整占空比的闭环控制系统，其特征在于主回路拓扑结构为(见图4)：输入单相低频交流正弦形电压Vin(例如：电网50Hz交流电压)的相(火)线经过二只串联的高频互补电子交流开关S1、S2连接到负载R的高电位端，负载R的低电位端与单相交流电压的零线连接。高频互补电子交流开关S1、S2串联的中点与单相交流电压的零线之间连接一只贮能电感L2，滤波电容C2并联在负载R的二端。由所述闭环控制系统自动调整占空比，实行输出交流电压Vout幅度上升、下降的调节。

可以在单相交流电压的相(火)线与电子交流开关S1之间插入一只电感L1，电感L1、高频电子交流开关S1之间的连接点与单相交流电压的零线之间插入一只电容C1(见图5)；电感L1、电容C1构成输入滤波器。输入滤波器可加也可不加；不加时，输入电流Iin波形断续；加时，可使输入电流Iin波形连续、功率因数改善。

高频互补电子交流开关S1、S2切换频率升高或增大输入端滤波器的电感L1、电容C2之值，都可将输入电流Iin上迭加的高频纹波幅度减至更小而可略。