基于直接AC-AC变换的对称式双向无线电能传输三相电路

技术领域

本发明涉及无线电能传输与电力电子技术领域，尤其是涉及一种基于直接AC-AC变换的对称式双向无线电能传输三相电路，它利用无线电能传输实现能量传递与输入输出隔离，利用直接AC-AC实现三相变压变频输出。

背景技术

无线电能传输变频器可在轨道交通、电动汽车、采矿业、智能家居等领域有极广泛应用。采用AC-AC直接变换可以省去整流环节降低损耗并减少成本，如用于无线电能传输变频器可提高系统效率并增加无线电能传输技术竞争力。

有人对双向无线电能传输系统效率优化进行研究，主要研究了如何通过系统中三个控制自由度的协调组合，对双向无线电能传输系统的运行状态和整体效率进行优化的控制策略，其中的无线电能传输系统的两端均为直流。刘方，陈凯楠，蒋烨，赵争鸣，“双向无线电能传输系统效率优化控制策略研究”，2019,34(05):891-901。

目前，基于直接AC-AC变换的对称式双向无线电能传输三相电路尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种基于直接AC-AC变换的对称式双向无线电能传输三相电路，它基于双向直接AC-AC变换器，无线电能传输模块的前后级均省去传统直流环节可提高系统效率并降低成本。

本发明的目的是这样实现的：

基于直接AC-AC变换的对称式双向无线电能传输三相电路，特征是：包括：依次连接的输入/输出端UVW、三相/单相AC-AC模块、无线电能传输模块、单相/三相AC-AC模块、输入/输出端ABC，本发明系统电路具备无线电能传输双向能量传输能力。

三相/单相AC-AC模块，正向能量传输时即能量从UVW输出至ABC时，工作于三相/单相直接AC-AC变换工况，充当无线电能传输的激励源并可调节输出大小；反向能量传输时即能量从ABC输出至UVW时，工作于单相/三相直接AC-AC变换工况，实现三相变压变频输出；

无线电能传输模块，进行双向无线电能传输；

单相/三相AC-AC模块，正向能量传输时即能量从UVW输出至ABC时，工作于单相/三相直接AC-AC变换工况，实现三相变压变频输出；反向能量传输时即能量从ABC输出至UVW时，工作于单相/三相直接AC-AC变换工况，充当无线电能传输的激励源并可调节输出大小；

所述三相/单相AC-AC模块采用双向开关Q1--Q6构建的三相全桥电路拓扑，Q1与Q4、Q3与Q6、Q5与Q2分别构成三个桥臂，Q1与Q4的中点为U1、Q3与Q6的中点为V1、Q5与Q2的中点为W1，U1通过电感L1与U相连，V1通过电感L2与V相连，W1通过电感L3与W相连，UVW为单相/三相AC-AC模块的输入/输出端；Q1、Q3、Q5的公共交点为D，Q2、Q4、Q6的公共交点为E，DE为三相/单相AC-AC模块与无线电能传输模块的连接端；电感L1、L2、L3为同一磁芯的三相集成电感。

所述单相/三相AC-AC模块采用双向开关S1--S6构建的三相全桥电路拓扑，S1与S4、S3与S6、S5与S2分别构成三个桥臂，S1与S4的中点为A1、S3与S6的中点为B1、S5与S2的中点为C1，A1通过电感L4与A相连，B1通过电感L5与B相连，C1通过电感L6与C相连，ABC为单相/三相AC-AC模块的输入/输出端；S1、S3、S5的公共交点为F，S2、S4、S6的公共交点为G，FG为单相/三相AC-AC模块与无线电能传输模块的连接端；电感L4、L5、L6为同一磁芯的三相集成电感。

根据实际需求，ABC与UVW端均可加装电容或电容与电感的组合与原电感一并构成LC滤波器、LCL滤波器或其它类型滤波器，滤波器电路拓扑选择依据实际需求，并不限定具体拓扑类型。

依据实际需求，所述无线电能传输模块的电路拓扑可采用包括串联-串联、串联-并联、并联-并联、并联-串联以及多线圈拓扑类型在内的各类拓扑，并不限定具体拓扑类型。

本发明ABC与UVW对称，三相/单相AC-AC模块与单相/三相AC-AC模块对称，无线电能传输模块自对称：即u

本发明系统电路有两类基本工况：正向能量传输工况与反向能量传输工况，正向能量传输工况即能量从UVW输出至ABC时，能量流向为：UVW→三相/单相AC-AC模块→无线电能传输模块u

当正向能量传输时即能量从UVW输出至ABC时，UVW为输入三相电源并连接三相/单相AC-AC模块，三相/单相AC-AC模块的输出侧与无线电能传输模块的输入侧相连；无线电能传输模块的输出侧与单相/三相AC-AC模块的输入侧相联，单相/三相AC-AC模块的输出ABC即为本发明整个系统输出，输出可变压变频三相交流；

当反向能量传输时即能量从ABC输出至UVW时，ABC为输入三相电源并连接单相/三相AC-AC模块，单相/三相AC-AC模块的输出侧与无线电能传输模块的输入侧相连，无线电能传输模块的输出侧与三相/单相AC-AC模块的输入侧相联，三相/单相AC-AC模块的输出UVW即为本发明整个系统输出，输出可变压变频三相交流。

所述三相/单相AC-AC模块与单相/三相AC-AC模块均有两类工况：当正向能量传输时即能量从UVW输出至ABC时，三相/单相AC-AC模块实现升压式三相/单相直接AC-AC变换，单相/三相AC-AC模块实现降压式单相/三相直接AC-AC变换；当反向能量传输时即能量从ABC输出至UVW时，单相/三相AC-AC模块实现升压式三相/单相直接AC-AC变换，三相/单相AC-AC模块实现降压式单相/三相直接AC-AC变换。

由于本发明针对三相电路，所述三相/单相AC-AC模块与单相/三相AC-AC模块的波形拟合控制均采用线电压拟合控制方式，且波形拟合不同于传统PWM/PFM控制方式。

正向能量传输时，三相/单相AC-AC模块控制方式：选择即时最高线电压接入u

正向能量传输时，单相/三相AC-AC模块采用单相高频正弦波拟合三相低频正弦波，采用过零截取方式进行波形截取并实现软开关，即以高频正弦半波为一个基本截取单元，由于正弦半波过零点，因而以高频正弦半波为基本截取单元时，将自然实现软开关。波形的截取依据为面积等效原则，即在相应的分段区间内，所截取不要求一定是整数的若干个u

利用对称性，反向能量传输时，三相/单相AC-AC模块采用高频交流正弦波拟合低频交流正弦波，采用过零截取方式进行波形截取并实现软开关，即以高频正弦半波为一个基本截取单元，由于正弦半波过零点，因而以高频正弦半波为基本截取单元时，将自然实现软开关。波形拟合的截取依据为面积等效原则但非传统PWM控制方式，即在相应的分段区间内，所截取不要求一定是整数的若干个u

反向能量传输时，单相/三相AC-AC模块控制方式为截取最高线电压的方式进行高频正弦波形拟合，利于减小电流，提高系统效率。通过控制双向开关S1--S6实现三相/单相AC-AC模块正弦波形拟合，通过控制周期时间实现变频输出。

本发明的有益效果是：本发明完成无线电能传输的双向三相变压变频，采用直接AC-AC变换可有效提高系统，且由于采用了软开关技术进一步提升系统效率，电路新颖、实用；

本发明的特点是：

1、本发明的双向拓扑基于双向直接AC-AC变换器，无线电能传输模块的前后级均省去传统直流环节以提高系统效率；

2、本发明的系统电路为双向三相对称拓扑，可以简化控制与设计：输入ABC与输出UVW对称，无线电能传输模块的前后级可以拓扑互换，三相/单相AC-AC模块与单相/三相AC-AC模块对称，无线电能传输模块自对称；

3、本发明系统电路的两类基本工况对称：正向能量传输工况与反向能量传输工况且正向能量传输工况与反向能量传输工况对称；

4、单相/三相AC-AC模块与三相/单相AC-AC模块在不同工作方式下具备不同工况；

5、当正向能量传输时即能量从UVW输出至ABC时，三相/单相AC-AC模块实现升压式三相/单相直接AC-AC变换；单相/三相AC-AC模块实现降压式单相/三相直接AC-AC变换；当反向能量传输时即能量从ABC输出至UVW时，单相/三相AC-AC模块实现升压式三相/单相直接AC-AC变换，三相/单相AC-AC模块实现降压式单相/三相直接AC-AC变换；

6、本发明的控制方式，不论正向或反向能量传输，所述三相/单相AC-AC模块与单相/三相AC-AC模块的波形拟合控制均采用线电压拟合控制方式，且波形拟合不同于传统PWM/PFM控制方式；

7、正向能量传输时，三相/单相AC-AC模块采用动态最大线电压拟合控制方式，控制方式为截取最高线电压的方式进行高频正弦波形拟合，以利于减小电流，提高系统效率。

本发明基于直接AC-AC变换的对称式双向无线电能传输三相电路可广泛应用于交通行业及各类工矿企业的三相交流应用。

附图说明

图1为本发明基于直接AC-AC变换的对称式双向无线电能传输三相电路示意图；

图2为本发明基于直接AC-AC变换的对称式双向无线电能传输三相电路电路拓扑；

图3为三相/单相AC-AC模块的电路拓扑；

图4为正向能量传输且u

图5为正向能量传输且u

图6为正向能量传输且u

图7为正向能量传输且u

图8为正向能量传输且u

图9为正向能量传输且u

图10为正向能量传输且u

图11为正向能量传输且u

图12为正向能量传输且u

图13为正向能量传输且u

图14为正向能量传输且u

图15为正向能量传输且u

图16为单相/三相AC-AC模块的电路拓扑；

图17是正向能量传输时，单相/三相AC-AC模块波形控制示意图；

图18为正向能量传输ωt∈(0,π/3)时，单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；

图19为正向能量传输ωt∈(π/3,2π/3)时，单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；

图20为正向能量传输ωt∈(2π/3,π)时，单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；

图21为正向能量传输ωt∈(π,4π/3)时，单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；

图22为正向能量传输ωt∈(4π/3,5π/3)时，单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；

图23为正向能量传输ωt∈(5π/3,2π)时，单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；

图24为三相/单相AC-AC模块加装LC滤波电路拓扑图；

图25为单相/三相AC-AC模块加装LC滤波电路拓扑图；

图26为单相/三相AC-AC模块与三相/单相AC-AC模块均加装电感拓扑图；

图27为UVW三相线电压波形；

图28为ABC三相电压波形。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明基于直接AC-AC变换的对称式双向无线电能传输三相电路示意图。

本发明基于直接AC-AC变换的对称式双向无线电能传输三相电路具备无线电能传输双向能量传输能力，包括：依次连接的输入/输出端UVW、三相/单相AC-AC模块、无线电能传输模块、单相/三相AC-AC模块、输入/输出端ABC。

三相/单相AC-AC模块，正向能量传输时即能量从UVW输出至ABC时，工作于三相/单相直接AC-AC变换工况，谁充当无线电能传输的激励源并可调节输出大小；反向能量传输时即能量从ABC输出至UVW时，工作于单相/三相直接AC-AC变换工况，实现三相变压变频输出；

无线电能传输模块，进行双向无线电能传输；

单相/三相AC-AC模块，正向能量传输时即能量从UVW输出至ABC时，工作于单相/三相直接AC-AC变换工况，实现三相变压变频输出；反向能量传输时即能量从ABC输出至UVW时，工作于单相/三相直接AC-AC变换工况，谁充当无线电能传输的激励源并可调节输出大小。

本发明当正向能量传输时即能量从UVW输出至ABC时，UVW为输入三相电源并连接三相/单相AC-AC模块，三相/单相AC-AC模块的输出侧与无线电能传输模块的输入侧相连；无线电能传输模块的输出侧与单相/三相AC-AC模块的输入侧相联，单相/三相AC-AC模块的输出ABC即为本发明整个系统输出，输出可变压变频三相交流；

当反向能量传输时即能量从ABC输出至UVW时，ABC为输入三相电源并连接单相/三相AC-AC模块，单相/三相AC-AC模块的输出侧与无线电能传输模块的输入侧相连，无线电能传输模块的输出侧与三相/单相AC-AC模块的输入侧相联，三相/单相AC-AC模块的输出UVW即为本发明整个系统输出，输出可变压变频三相交流。

本发明系统电路采用对称结构，ABC与UVW对称，三相/单相AC-AC模块与单相/三相AC-AC模块对称，无线电能传输模块自对称：即u

本发明系统电路有两类基本工况：正向能量传输工况与反向能量传输工况，且正向能量传输工况与反向能量传输工况对称。

三相/单相AC-AC模块与单相/三相AC-AC模块均采用三相全桥电路拓扑，依据实际需求，无线电能传输模块的电路拓扑可采用包括串联-串联、串联-并联、并联-并联、并联-串联以及多线圈拓扑类型在内的各类拓扑，并不限定具体拓扑类型；能量传输方向与三相/单相AC-AC模块、单相/三相AC-AC模块工况表如表1所示。

表1能量传输方向与模块工况

三相/单相AC-AC模块与单相/三相AC-AC模块均有两类工况：当正向能量传输时即能量从UVW输出至ABC时，三相/单相AC-AC模块实现升压式三相/单相直接AC-AC变换，单相/三相AC-AC模块实现降压式单相/三相直接AC-AC变换；当反向能量传输时即能量从ABC输出至UVW时，单相/三相AC-AC模块实现升压式三相/单相直接AC-AC变换，三相/单相AC-AC模块实现降压式单相/三相直接AC-AC变换。

所述三相/单相AC-AC模块与单相/三相AC-AC模块的波形拟合控制均采用线电压拟合控制方式。

图2为本发明基于直接AC-AC变换的对称式双向无线电能传输三相电路电路拓扑。

三相/单相AC-AC模块与单相/三相AC-AC模块均采用全桥拓扑，图中无线电能传输模块为串联-串联拓扑，实际应用中可采用不同类型的其它拓扑。

图3为三相/单相AC-AC模块的电路拓扑；

所述三相/单相AC-AC模块采用双向开关Q1--Q6构建的三相全桥电路拓扑，Q1与Q4、Q3与Q6、Q5与Q2分别构成三个桥臂，Q1与Q4的中点为U1、Q3与Q6的中点为V1、Q5与Q2的中点为W1，U1通过电感L1与U相连，V1通过电感L2与V相连，W1通过电感L3与W相连，UVW为三相/单相AC-AC模块的输入/输出端；Q1、Q3、Q5的公共交点为D，Q2、Q4、Q6的公共交点为E，DE为三相/单相AC-AC模块与无线电能传输模块的连接端；电感L1、L2、L3为同一磁芯的三相集成电感。

当正向能量传输时即能量从UVW输出至ABC时，三相/单相AC-AC模块实现三相/单相直接AC-AC变换；当反向能量传输时即能量从ABC输出至UVW时，三相/单相AC-AC模块实现单相/三相直接AC-AC变换。

当正向能量传输时所述三相/单相AC-AC模块采用动态最大线电压拟合控制方式。表2为UVW三相线电压u

表2UVW三相线电压u

/>

正向能量传输工况的三相/单相AC-AC模块为低频输入、高频输出，三相/单相AC-AC模块采用动态最大线电压拟合控制方式，控制方式为截取最高线电压的方式进行高频正弦波形拟合，以利于减小电流，提高系统效率。通过控制双向开关Q1--Q6实现高频正弦波形拟合，通过改变周期时间T实现变频输出。双向开关Q1--Q6开关状态如表3所示，表中，“0”表示关断，“1”表示导通，“0/1”表示可能导通且同一行列表所对应双向开关同时导通或关断，导通与否依据正弦波拟合控制算法。u

表3正向能量传输工况下Q1～Q6开关状态

/>

图4为正向能量传输且u

图4(a)为u

式中，u

所述正向能量传输时三相/单相AC-AC模块的输入输出电压关系仅以此为例，其它工况类同，不再赘述。

图5为正向能量传输且u

图5(a)为u

图6为正向能量传输且u

图6(a)为u

图7为正向能量传输且u

图7(a)为u

图8为正向能量传输且u

图8(a)为u

图9为正向能量传输且u

图9(a)为u

图10为正向能量传输且u

图10(a)为u

图11为正向能量传输且u

图11(a)为u

图12为正向能量传输且u

图12(a)为u

图13为正向能量传输且u

图13(a)为u

图14为正向能量传输且u

图14(a)为u

图15为正向能量传输且u

图15(a)为u

图16是所述单相/三相AC-AC模块的主电路拓扑。

所述单相/三相AC-AC模块采用双向开关S1--S6构建的三相全桥电路拓扑，S1与S4、S3与S6、S5与S2分别构成三个桥臂，S1与S4的中点为A1、S3与S6的中点为B1、S5与S2的中点为C1，A1通过电感L4与A相连，B1通过电感L5与B相连，C1通过电感L6与C相连，ABC为单相/三相AC-AC模块的输入/输出端；S1、S3、S5的公共交点为F，S2、S4、S6的公共交点为G，FG为单相/三相AC-AC模块与无线电能传输模块的连接端；电感L4、L5、L6为同一磁芯的三相集成电感或各自独立的分立电感。

当正向能量传输时即能量从UVW输出至ABC时，单相/三相AC-AC模块实现单相/三相直接AC-AC变换；当反向能量传输时即能量从ABC输出UVW时，单相/三相AC-AC模块实现三相/单相直接AC-AC变换。

所述单相/三相AC-AC模块的波形拟合控制采用线电压拟合控制而非相电压拟合控制。正向能量传输工况下单相/三相AC-AC模块为高频输入、低频输出。双向开关S1～S6开关状态如表4所示，表中，“0”表示关断，“0/1”表示可能导通且同一行列表所对应双向开关同时导通或关断，导通与否依据正弦波拟合控制算法。“+”表示对应区间为正值，“-”表示对应区间为负值。

表4正向能量传输工况下S1～S6开关状态

图17是正向能量传输时，单相/三相AC-AC模块波形控制示意图。

由于三相交流电的对称性，仅以u

图17(a)为正向能量传输时，单相/三相AC-AC模块高频正弦波拟合低频正弦半波示意图，波形的截取依据为面积等效原则，即在相应的分段区间内，所截取不要求一定是整数的若干个u

图17(b)为正向能量传输时，单相/三相AC-AC模块的变频输出示意图，图17(b)中，采用不同多个u

单相/三相AC-AC模块的控制方案是令工作电流最小以提高系统效率且简化控制。因而当正向能量传输时，对三相/单相AC-AC模块的控制目标为u

正向能量传输时，单相/三相AC-AC模块采用高频交流正弦波拟合低频交流正弦波，采用过零截取方式进行波形截取并实现软开关，即以高频正弦半波为一个基本截取单元，由于正弦半波过零点，因而以高频正弦半波为基本截取单元时，将自然实现软开关。波形的截取依据为面积等效原则，即在相应的分段区间内，所截取不要求一定是整数的若干个u

正向能量传输时单相/三相AC-AC模块采取分段主动整流方式。

图18为正向能量传输ωt∈(0,π/3)时，单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；图18(a)为u

图18(a)为u

图18(c)为u

图19为正向能量传输ωt∈(π/3,2π/3)时，单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；图19(a)为u

图19(a)为u

图19(c)为u

图20为正向能量传输ωt∈(2π/3,π)时，单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；图20(a)为u

图20(a)为u

图20(c)为u

图21为正向能量传输ωt∈(π,4π/3)时，单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；图21(a)为u

图21(a)为u

图21(c)为u

图22为正向能量传输ωt∈(4π/3,5π/3)时，单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；图22(a)为u

图22(a)为u

图22(c)为u

图23为正向能量传输ωt∈(5π/3,2π)时，单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；图23(a)为u

图23(a)为u

图23(c)为u

本发明系统电路有两类基本工况：正向能量传输工况与反向能量传输工况，正向能量传输工况即能量从UVW输出至ABC时，能量流向为：UVW→三相/单相AC-AC模块→无线电能传输模块u

利用ABC与UVW对称、三相/单相AC-AC模块与单相/三相AC-AC模块对称、u

图24为三相/单相AC-AC模块加装LC滤波电路拓扑图；

根据实际需求，三相/单相AC-AC模块在ABC端可加装滤波电路，比如LC滤波电路，L1、L2、L3可以是独立电感也可以是集成电感。根据实际需求滤波电路也可是LCL滤波电路或其它类型滤波电路。

图25为单相/三相AC-AC模块加装LC滤波电路拓扑图；

根据实际需求，单相/三相AC-AC模块在UVW端可加装滤波电路，比如LC滤波电路，L4、L5、L6可以是独立电感也可以是集成电感。根据实际需求滤波电路也可是LCL滤波电路或其它类型滤波电路。

根据实际需求，ABC与UVW端均可加装LC滤波器、LCL滤波器或其它类型滤波器，滤波器电路拓扑选择依据实际需求，并不限定具体拓扑类型。

图26基于直接AC-AC变换的对称式双向无线电能传输三相电路ABC与UVW端均加装电感的电路拓扑；

根据实际需求，ABC与UVW端均可加装电感。

无线电能传输模块，图中所示为串联-串联拓扑，实际使用可为任意合适的拓扑，具体选择依据实际需求。

电力电子双向开关采用了金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET反向串联而成电路结构，即上管的源极与下管的漏极相联，上管的漏极与下管的源极为主电流端口且上下两管的栅级驱动控制分开。以Q1为例，当G1施加驱动信号时，上管Q

本发明中的电力电子双向开关不仅可以是由金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET反向串联而成，还可以由两个反向阻断绝缘栅双极型晶体管RB-IGBT(无反并联二极管)反向并联而成，进一步，可以是任意能够完成交流开关任务的电力电子器件构成。

图27为UVW三相线电压波形。

为便于查看，给出UVW端三相线电压波形，图27的波形相位与表2相对应。

图28为ABC三相电压波形。

为便于查看，给出ABC端三相电压波形，图28的波形相位与表3相对应。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。