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能量转换与管理92（2015）483-497

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能量转换和管理

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审查

不带直流储能的交流-交流电力电子变流器：审查A

摘要

随着部件数量的增加，功率转换器拓扑结构的发展似乎在现代应用中是一个有趣的选择，特别是在可靠性，效率，以及当前或条款电压失真的改善。本文侧重于不带直流链路能量存储原件的AC-AC电源转换器技术。所提出的转换器拓扑结构是充分小的被动元件，它是以滤出高频电流或电压分量的固态器件组成。本文中的转换器被分为两组：具有恒定的输出频率，和具有可变输出频率。第一组包括矩形和矩形电抗断路器的拓扑。第二组包括基于所述矩阵转换器的频率转换器，并考虑到账户间接的（间接矩阵变换器，稀疏矩阵转换器）和多级拓扑结构（三级级别 - 输出级间接矩阵变换器，间接三级稀疏矩阵转换器中，多模块矩阵转换器），以及允许在输出电压的增加的拓扑（矩阵电抗变频器）。各个转换器拓扑都依据输出电压和相位控制，输入功率因数控制，和部件的数目进行准备以及参数的设置。每个转换器的配置的功能考虑到前后相关可替代的应用于直流母线能量存储装置通常使用的转换器。

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目录

1.简介...........................................................483

2.审议关于AC-AC转换器无直流储能元件..............................485

2.1.转换器的恒定输出频率..........................................485

2.2.转换器具有可变的输出频率......................................486

2.2.1.直接矩阵变换器..............................................486

2.2.2.间接矩阵变换器..............................................487

2.2.3.多级矩阵变换器..............................................490

2.2.4.频率转换器输出电压的降压 - 升压控制.........................491

1. 总结拓扑审查....................................................494
2. 结论............................................................495

参考文献..........................................................495

1.简介

电力电子（PE）是与电力的有效转化，控制和调节相关联的技术。近几十年来，PE的不同的解决方案已经实施，除其他外，在以下几个方面：

- 工业应用[1-5]。
- 家庭应用[6,7]。
- 分布式发电（可再生能源，电能存储）[2,8-16]。
- 灵活交流输电系统[13,17,18]。
- 微电网[10,19-22]。
- 主动需求管理[22-24]。
- 汽车，物流运输[25,26]。

由于在对工业和生活领域的PE的应用增加了需要注意的是不同的拓扑结构的发展。PE在上述应用的目的是，以控制能量从电源流动到电负载，以满足以高效率，高可用性，高可靠性，小尺寸，重量轻，成本低[16特定的需要]。近年来功率半导体器件的成本每年不断减少2-4％，从而每千瓦的价格的电力电子系统同样减少。然而，还期望减小转换器的尺寸和重量，同时保持高的性能[27]。主要贡献者的尺寸和重量在转炉是功率级，而由于在微处理技术的发展，控制电路仅表示整个转换器的一小部分。功率级包含散热器和冷却系统，直流储能元件和无源滤波元件[1-26]功率半导体器件。在工业上最广泛使用的双向的，低电压，AC-AC转换器的拓扑结构是2-级电压DC链路后端到背面（B2B）的转换器（图1）[1-26] - 这是一个完善的技术[3,29]，它包括两个电压源逆变器（VSI），直流母线电容和交流输入滤波元件。由于DC链路存储元件，存在的优点是，两个转换器的阶段，整流和逆变器，是解耦的控制处理的大的程度。此外，对于工业中压装置，具有直流环节多电平变换器来实现[5]。多电平转换器是能够与较小的电压的步骤来构造输出电压波形。这些转换器的结构使跨功率半导体器件上的电压应力，以由电压电平的数量增加减小，从而使在转换为中压，高功率应用的结构中使用的中压额定半导体器件。然而，在转换器中实现的DC能量储存元件是有助于它们的尺寸和重量的主要因素，而且它是一种昂贵的元件，其在操作[31]过程中容易频繁损坏。此外DC蓄能在电解电容器的形式确定并且缩短一个转换器寿命[32]。不幸的是其通常在交流 - 交流转换器用作能量缓冲器和以滤出的交流电压波动的铝电解电容器是在功率电子电路[32]的最昂贵和最有可能失败的组件之一。 图。2显示了不同组件的电力电子电路故障分布。如我们可以看到的电解电容器具有高失败率，由于它们的参数的降解。铝电解电容器的老化是由在其内部电阻的REST的增加表示。电解电容器等效阻抗Z（s）是通过根据图1中的等效电路进行建模。图3a它由真实电容C的串联连接，代表所有AC损耗的等效串联电阻ESR，以及依赖于电容器箔的卷绕设计和等效串联电感LESL的箔是如何连接到电容器端子33,34]。电解电容器的阻抗特性Z（S）示于图3A。阻抗特性的中间部分主要是由电阻REAR（图3a）中所定义。生命周期的监测需要的等效串联电阻测试的鉴定，以及考虑到也电容器的操作温度。电解电容器的寿命周期监测几种方法已在文献中被提出。一个这样的想法是示于图3b和基于在所述电容器电压的AC分量的感测，并与随后的带通滤波来提取所述欧姆阻抗区域[34]的信号成分的电流。在电容器降解影响最大的因素是电解质的升温 - 在后果，电解质被蒸发，从而引起电参数[33,34]的劣化。由纹波电流产生的热量的消散是一个电容器的退化的最重要原因之一。此外，铝电解电容的最关键的应用的参数之一是它的电压能力，典型地在超过电压能力（甚至为几毫秒）额定或工作电压，浪涌电压，瞬态电压等来表达可导致在电容器，或它的性能的直接故障可以被降解。由于这些原因，特别注意的是，以影响这些部件的寿命的因素，特别是作为常电容器的老化导致其它部件，如开关式晶体管的破坏。由于这些原因减少，或者甚至更好，消除电解电容器的数量是一个重要的目标，因为电容器是功率转换器故障的一个突出的因素。

图2.电力部件故障的分布

图1低压直流母线后端到换流器（B2B）。

图3电解电容器：（a）的等效电路图和阻抗特性，以及（b）的基础上测试鉴定的一例的生命周期监视电路[33，34]。

如无直流储能器的实施上面讨论有助于降低成本，更小的尺寸，更高的可靠性和转换器的较长的工作寿命，以及对整个系统[30,31,35,36]。没有DC链路的转换器经常视为特定应用的未来的概念，但是，尽管几十年了深入的研究，他们直到现在实现只有低的工业渗透。这样做的原因可能是，除了技术方面（少数专用电源开关）时，更复杂的调制用DC链路的转换器[37-40]进行比较。不同的电源转换器，而不在电力系统和工业应用直流母线的属性的应用和研究是电子工程[41-69]领域的新的科学问题。有问题的转换器的性能的研究将尊重他们的潜在应用难有作为的新信息。AC-AC转换器无DC链路已经发展，在过去的半个世纪[29-37]和有几种拓扑结构具有不同功能（输出频率：FL=常数，FL = VAR）和不同的配置，例如单级（直接）和二级（间接）。这些转换器的分类示于图。4.若干这些转换器的电路配置的已探索与满足不同应用的具体要求的目的的文献中，同时保持在交流电源和输出交流负载供给的高质量水平[30,31,35,36,70–74]。

考虑到本文上述的目的是提供对三相AC-AC转换器无DC链路储能装置的拓扑进行全面审查。此外，这种转换器的最相关的特性进行了分析。该文件还总结了利用AC-AC转换器而无需跨越工业应用的整个范围直流链路相关联的技术的机会。

2.审议关于AC-AC转换器无直流储能元件

2.1.与恒定输出频率转换器

三相AC-AC矩阵斩波器的基本拓扑结构（MCH），其静态特性，理想化的和实验时间波形示于图。 5[70,71]。高频用脉宽调制（PWM）控制斩波被用来改变输出电压（UL1,. UL2，UL3）的RMS值。调节过程是通过使用两个四象限功率开关进行的，在每个相脚，串联，另一种在与负载并联连接的一个。四象限（双向）电源开关的配置进行了详细本文[37-39]第2.2.1节中讨论。所有所呈现的类型的开关可以在本转换器一起使用。输入电压被切成段（图5c和d）和输出电压电平是通过控制占空比斩波切换功能的DS调整，在那里对DS= TS / TS，TS（图5b中。） - 切换的时间开关SS1，SS2，SS3和TS - 开关周期（图5C）。交流 - 交流斩波器广泛用于应用，如工业加热，灯光控制，感应电动机和速度控制器，用于风机和水泵[70,71]的软起动。对于交流 - 交流斩波，不可能增加供应电压[70]上面的负载电压。作为DC-DC转换[75]，直接交流 - 交流基质电抗切碎机（MRC）的扩展[73]已经提出，它具有增加了的AC源电压高于AC负载电压的能力。MRC系列，同样以DC-DC转换器[75]，包括降压，升压，降压 - 升压（带额外的输入LC滤波器）的Cuk，SEPIC和Zeta拓扑。 MRC拓扑的家族示于图。 6[73]。如表1中呈现的理想化电压（KU）和电流（KI）增益被定义。
静态特性和降压 - 升压MRC的示范性拓扑的时间波形示于图7。

在MRCS系列中输出电压电平是通过控制占空比DS中的交换功能的，类似地，与基质菜刀调整。然而，在这种转换器是不可能调节的输出电压的相移。如从示例性静态特性和时间波形（图7）可见，负载电压比电源电压更高的可制得。通过增加的DS比率在0.7以上，相当的电压增益比增加，大的源电流时，电感电流的幅度也增加（图7c和d）。图检查。图7a-d表示了讨论MRFC的应用具有高的DS是不利的，但是，由于在这种情况下发生的电感器磁芯的磁饱和。芯的长期磁饱和通常导致电感器或转换器的损害，因此，电感器电流的电平必须被考虑到了设计过程。它建议以不超过0.7的序列脉冲占空因数的DS工作。

图4.三相交流 - 交流转换器无DC链路的拓扑分类

图5.三相交流 - 交流矩阵斩波：（a）电源电路，（b）静态特性KU 电压增益， 源电压和输出电压，分别的RMS值，（c）理想化输出电压的时间波形，以及（d ） 实验结果。

2.2.具有可变输出频率转换器

2.2.1.直接矩阵变换器

频率转换器（FC）代表不带DC链路电源转换器的第二组。这些转换器转换成一个频率的交流电源为另一频率（FL = VAR）[3,29,30]。此外，FC的允许在输出电压相位角的变化。

如上所述，该组直接变频器包括矩阵变换器（MC）的结构[29-31,35,36]。取决于电源（电压或电流源）中，MC可以配置为分别电压源矩阵转换器（上华）或电流源矩阵变换器（上华），[35,74]。大多数研究涉及的MC VSMC模式，通常这种结构为“矩阵变换器引用。通常，在三相系统中，MC是与九个双向开关，允许任何负载相的任意源相（图8a）的连接器阵列的单级转换器。在MC应该有一个源滤波器，以尽量减少在输入电流的高频分量，并减少从电网[38,39]来的扰动的影响。

作为MC拓扑如上所述，使用双向四象限开关，其能够传导电流和阻断两种极性的电压的构成。有双向开关[37-40]，（图8B）的四个主要拓扑：二极管桥的IGBT结构中，共发射极反并联IGBT结构中，公共的集电极反并联IGBT配置，和抗并联反向阻断IGBT的（RB-IGBT）配置[37]。最简单的控制，并且在具有最半导体器件是在同一时间与一个单相二极管电桥和一个IGBT的开关单元。这是因为需要对每个开关单元[38,39]只有一个晶体管的栅极驱动电路本方法减少功率级的成本。此外，该换向过程的复杂性是很简单的。只需要关断和接通双向开关单元的控制信号之间的死区时间。这种开关单元的缺点是，在导通损耗相对较高和的电流通过开关单元中的方向是无法控制的。两个二极管和两个版权被连接以反平行构是另两类开关单元的成分：共发射极反并联IGBT结构和公共集电极反并联IGBT配置。二极管被包括以提供反向阻断能力。两个控制设备（两个IGBT）用于开关电流方向的独立控制。相比于二极管电桥开关单元时，需要为每个IGBT两个栅极驱动电路。在此开关元件的配置的传导损耗降低，因为只有两个设备中的每个传导路径进行[38,39]与RB-IGBT的最后一个配置的。主要特征是其反向电压阻挡能力，从而消除使用二极管[37]。半导体的特殊设计可以减少谨慎元件和传导损耗的数量。在任何时刻

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