电流型控制三电平交流变换器研究(4)
当电网向负载传递能量时，输入周波变换器将经L-C输入滤波器后的低频交流电压调制成双极性两态或三态的高频交流脉冲电压，经高频变压器隔离、传输和电压匹配后，输出周波变换器将其解调成双极性或单极性的低频交流脉冲电压，再经输出周波变换器后得到同频优质的正弦交流电；当负载向电网回馈能量时，输出周波变换器将输出的低频交流电压调制成高频交流脉冲电流，经高频变压器隔离、传输和电流匹配后，输入周波变换器将其解调成低频交流脉冲电流，经输入滤波器后回馈到电网[8]。
图1.6 半桥全波式电路结构
1.4.3功率开关器件电压应力分析
基于多电平变换技术能有效降低功率开关器件电压应力的特点，现应用于AC/AC变换器，并对其进行分析比较。与传统的两电平变换器相比较，其电路结构区别在于将输入周波变换器改为了三电平变换器。
图1.7 两电平单元结构转变为三电平单元结构
从图1.7中可以发现，三电平变换器单元中引入了一个新的四象限功率开关与原来的功率开关相串联，根据串联分压的关系每个功率开关管就只承担了原来输入电压
的一半，降低了开关管的电压应力；同时添加了一个四象限箝位功率开关，使得变压器原边增加零电平输入电压，并且其开关管电压应力也仅为输入电压的一半。现对传统的两电平AC/AC变换器与采用三电平变换技术的AC/AC变换器进行仿真比较，假定他们的输入电压范围相等、输出电压相等，滤波电感电流的脉动频率和脉动值相等、变压器原副边匝比相等。
如图1.8所示，在参数一致的情况下，传统的两电平AC/AC变换时，开关管两端电压近似为311V，而采取了三电平变换技术后，开关管两端电压为三电平电压，其最大幅值近似为155V，只有原来的一半，有效降低了开关管两端所承受的电压应力，这就为利用低压开关管来代替一只高压开关管提供了有效的研究途径。
(a)传统AC/AC变换时功率管S1a两端电压 （b）三电平AC/AC变换时功率管S1a两端电压
图1.8 开关管两端电压应力比较
2 双闭环隔离式三电平AC/AC直接变换器的电路拓扑与原理特性
2.1 引言
随着电力电子技术的发展，AC/AC变换技术不断向高压大容量方向发展，其拓扑结构也不断发展，有晶闸管调压、带有直流环节的交-直-交型变换以及基于DC/DC拓扑结构的AC/AC变换等技术，而多电平技术具有降低功率器件电压应力、改善频谱结构等优势，适合应用于高压大容量环境，因此将多电平技术应用到AC/AC直接变换中具有重要的意义。
开环控制系统的输出在电网电压和负载突变时，稳定性不高控制效果不理想，应用的场合不广泛。当前通常采用闭环控制系统。为了使逆变系统性能更加稳定，在电感电流和电压形成双闭环控制时，有利于提高系统的动态响应能力，尤其是当负载为非线性时有利于输出快速稳定。因此将双闭环应用到AC/AC直接变换中具有一定先进性。
本章深入研究了双闭环三电平AC/AC直接变换器的电路结构及其拓扑族，并详细分析了高频隔离半桥式三电平AC/AC变换器的控制策略、高频开关工作过程、稳态原理、外特性以及输出滤波器前端电压频谱结构。
2.2 高频隔离三电平AC/AC直接变换器的电路结构
2.2.1 电路结构
高频隔离式三电平AC/AC直接变换器的电路结构如图3.1所示。该电路结构由输入高压交流电源、输入滤波器、三电平变换器、高频变压器、输出周波变换器、输出滤波器、以及输出交流负载依次连接构成，具有高频电气隔离、电路拓扑简单、两级功率变换(LFAC/HFAC/LFAC)、双向功率流、负载适应能力强、适用于大功率变换场合等特点，能够将一种不稳定畸变的高压交流电变换成同频率稳定的正弦交流电压[22-23]。
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