CN108390572A - 有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形优化拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形优化拓扑结构，包括三相交流电源、输入滤波器、电压选择器IVS、母线滤波器、三次谐波注入电路、电流型逆变器CSI、三相交流负载、输出滤波电感；所述电压选择器包括整流级和三个双向开关，整流级包括全控型器件组成的三个桥臂，所述三次谐波注入电路包括全控型器件组成的y桥臂和一个谐波注入电流滤波电感Ly，所述拓扑结构在母线上设有母线滤波器。该拓扑结构能够有效抑制有源三次谐波注入矩阵变换器由于高频的母线电流与低频的谐波注入电感电流的切换导致的输入电流扇区切换畸变，改善输入电流波形。

Description

有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形优化拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种电能变换装置，特别涉及一种能够改善有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形的拓扑结构。
背景技术
矩阵变换器(MC)是一种无需大容量储能元件的AC-AC功率变换器，具有体积小、重量轻、可靠性高、能量可双向流动和正弦化输入输出等优点，在世界范围内被广泛研究。双级式矩阵变换器是矩阵变换器的一种子类，具有箝位电路简单、换流控制策略容易实现等优点，但是存在输入功率因数角控制范围小，无功功率控制能力弱的局限性。在这样的背景下，基于有源三次谐波注入技术的新型矩阵变换器有源三次谐波注入矩阵变换器(H3IMC)被研究人员提出，如附图1所示。有源三次谐波注入矩阵变换器也无需大容量储能元件，因此继承了双级式矩阵变换器的大部分优点，但H3IMC包含的谐波注入电路也能够向输入电源中注入期望的无功功率，这使其在理论上突破了传统MC无功功率控制能力弱的局限性。
然而，附图1所示的拓扑结构输入电流在扇区切换处存在着畸变，仿真波形如图4所示。这是由于在扇区切换处，发生换流的两相，一相为母线电流，受逆变器影响而呈斩波状，另一相为谐波注入电路滤波电感电流，经过电感滤波因此主要为低频电流。这二者切换时，由于母线斩波电流在换流点处瞬时值不确定，与低频的电感电流之间的切换会产生电流突变，引起输入滤波器震荡，从而使输入电流畸变。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种能够改善有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形的拓扑结构，能够有效抑制有源三次谐波注入矩阵变换器由于高频的母线电流与低频的谐波注入电感电流的切换导致的输入电流扇区切换畸变，改善输入电流波形。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
为了实现以上功能，本发明提供了一种有源三次谐波注入矩阵变换器改进拓扑结构，包括三相交流电源、输入滤波器、电压选择器IVS、母线滤波器、三次谐波注入电路、电流型逆变器CSI、三相交流负载、输出滤波电感；
电压选择器包括整流级和三个双向开关，整流级包括全控型器件组成的三个桥臂，三次谐波注入电路包括全控型器件组成的y桥臂和一个谐波注入电流滤波电感Ly；
三相交流电源通过输入滤波器接在电压选择器的三相输入端，电压选择器IVS的x、z两端通过母线滤波器接到电流型逆变器CSI的直流端p、n，y端通过三次谐波注入电路接到双向开关，三相交流负载通过输出滤波电感接到电流型逆变器CSI的三相交流输出端。
母线滤波器包括两个滤波电感Lx、Lz、两个阻尼电阻Rx、Rz和一个滤波电容Cpn。滤波电感Lx、Lz分别接在电压选择器IVS输出的x、z两端，并分别连接电流型逆变器CSI的直流侧p、n两端，阻尼电阻Rx、Rz并联在滤波电感Lx、Lz两端，滤波电容Cpn直接跨接在电流型逆变器CSI的直流侧p、n两端。
输入滤波器仅包括三个输入滤波电感，不包括输入滤波电容和阻尼电阻。
电压选择器IVS包括整流级和三个双向开关，整流级包括全控型器件组成的三个桥臂，每个双向开关均由两个全控型器件共射级构成，每个全控型器件反并联一个体二极管。
三次谐波注入电路包括全控型器件组成的y桥臂和一个谐波注入电流滤波电感Ly，y桥臂跨接在电流型逆变器CSI的直流侧p、n两端，谐波注入电流滤波电感Ly连接y桥臂和双向开关。
有益效果：
(1)本发明的有源三次谐波注入矩阵变换器拓扑结构，将母线电流高频成分滤除，解决了母线高频电流与低频电感电流切换时的电流突变引起输入滤波器震荡的问题，输入电流扇区切换处的畸变得到了有效抑制。
(2)本发明的有源三次谐波注入矩阵变换器拓扑结构，由于直接对母线进行滤波，输入电流等于母线电流时电流纹波明显减小。
(3)本发明的有源三次谐波注入矩阵变换器拓扑结构，增加了母线上的两个滤波电感和一个滤波电容，减少了输入侧的三个滤波电容，增加的器件体积重量较小，故总体上减小了***的体积、重量。
(4)本发明的有源三次谐波注入矩阵变换器改进拓扑结构，增加阻尼电阻时，***响应更快，无超调；不加阻尼电阻时，仍为过阻尼***，具有较强的稳定性。
(5)本发明的有源三次谐波注入矩阵变换器改进拓扑结构，只需修改电感和电容的位置、大小，且无需修改原有拓扑的控制策略，十分简单有效。
附图说明
图1是现有的有源三次谐波注入矩阵变换器拓扑结构；
图2是本发明提供的一种能够改善有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形的拓扑结构(无阻尼电阻)；
图3是本发明提供的一种能够改善有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形的拓扑结构(含阻尼电阻)；
图4是本发明采用的双向开关结构图；
图5是本发明提供的拓扑结构(无阻尼电阻)与原拓扑结构的输入电流仿真结果对比图；
图6是本发明提供的拓扑结构在无阻尼电阻和有阻尼电阻时的动态特性仿真结果对比图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明提出的有源三次谐波注入矩阵变换器改进拓扑结构如附图2和附图3所示。三相交流电源通过输入滤波器接在电压选择器的三相输入端，电压选择器IVS的x、z两端通过母线滤波器接到电流型逆变器CSI的直流端p、n，y端通过三次谐波注入电路接到双向开关，三相交流负载通过输出滤波电感接到电流型逆变器CSI的三相交流输出端。
附图2中的母线滤波器包括两个滤波电感Lx、Lz和一个滤波电容Cpn。滤波电感Lx、Lz分别接在电压选择器IVS输出的x、z两端，并分别连接电流型逆变器CSI的直流侧p、n两端，滤波电容Cpn跨接在电流型逆变器CSI的直流侧p、n两端。这样设计母线滤波器可以直接对母线进行滤波，若Li，i＝x、z，与Cpn满足下式：
其中ωn为母线电流谐波角频率(对于有源三次谐波注入矩阵变换器，母线电流谐波分布在逆变器开关频率及其倍数次附近)，Li，i＝x、z，和Cpn分别为母线滤波电感和滤波电容，则母线滤波电感对母线电流谐波的阻抗将远远大于母线滤波电容，因此母线电流的高频成分大部分流向母线滤波电容，而流向电压选择器IVS输出x，z两端的电流的高频成分很少。如此，电压选择器IVS的三端x，y，z电流均已经过滤波，因此在扇区切换时，输入侧两相间的换流并不会引起输入电流的突变，输入电流扇区切换畸变从根本上得到了抑制。另外，由于直接对母线进行滤波，滤波效果好于对三相输入电流进行滤波。附图5为附图1和附图2中的拓扑结构仿真结果对比，输入电流THD从3.37％降低到了1.34％。
附图2中所示的拓扑结构相对于附图1，增加了母线上的两个电感和一个电容，减少了输入侧的三个电容，从器件的数量上来说并没有减少，但是增加的电容仅起滤波作用，取很小的电容也可以达到旁路母线高频电流的效果，因此总体上***体积、重量有所降低。
无阻尼电阻时，***阻尼系数偏小，稳定性较差，故采用滤波器设计常用的无源阻尼方式，在母线滤波电感两端并联阻尼电阻以增强***的稳定性。如附图3所示，阻尼电阻Rx、Rz并联在滤波电感Lx、Lz两端。在母线滤波电感两端并联较大的阻尼电阻即可达到增强***稳定性的目的，电阻本身消耗的功率很小，通过的高频电流很少，对输入电流波形质量的影响非常有限。附图6为附图2和附图3所示的拓扑结构的动态特性仿真结果对比。
附图2中所示的拓扑结构，三个双向开关为四象限开关，可流过双向电流，也可阻断双向电压。本发明采用的双向开关结构如附图4所示，每个双向开关由两个全控型器件(包含体二极管)共射级串联形成。选择这样的双向开关可减少隔离驱动电源的数量，简化驱动电路的设计，减小线路杂散电感。
附图2中所示的拓扑结构，只需对电容电感的大小、位置做一些修改，而无需修改原拓扑的控制策略。电压选择器IVS的x，y，z端分别选择输入电压的最大项、中间相、最小相，谐波注入电路通过对谐波注入电感电流闭环控制来达到输入电流正弦和PFC的目的，电流型逆变器采用载波调制策略。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形优化拓扑结构，包括三相交流电源、输入滤波器、电压选择器(IVS)、母线滤波器、三次谐波注入电路、电流型逆变器(CSI)、三相交流负载、输出滤波电感；所述电压选择器包括整流级和三个双向开关，整流级包括全控型器件组成的三个桥臂，所述三次谐波注入电路包括全控型器件组成的y桥臂和一个谐波注入电流滤波电感(Ly)，其特征在于：所述拓扑结构在母线上设有母线滤波器，所述输入滤波器包括三个输入滤波电感。
2.如权利要求1所述的一种有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形优化拓扑结构，其特征在于：所述三相交流电源通过输入滤波器接在电压选择器的三相输入端，电压选择器(IVS)的x、z两端通过所述母线滤波器接到电流型逆变器(CSI)的直流端p、n，所述y桥臂端通过三次谐波注入电路接到双向开关，三相交流负载通过输出滤波电感接到电流型逆变器(CSI)的三相交流输出端。
3.如权利要求1所述的一种有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形优化拓扑结构，其特征在于：
所述母线滤波器包括两个母线滤波电感(Lx、Lz)和滤波电容(Cpn)；
所述母线滤波电感(Lx、Lz)分别接在电压选择器(IVS)输出的x、z两端，并分别连接电流型逆变器(CSI)的直流侧p、n两端，滤波电容(Cpn)跨接在电流型逆变器(CSI)的直流侧p、n两端。
4.如权利要求3所述的一种有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形优化拓扑结构，其特征在于：所述母线滤波器还包括两个阻尼电阻(Rx、Rz)，所述阻尼电阻(Rx、Rz)分别并联在滤波电感(Lx、Lz)两端。
5.如权利要求1所述的一种有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形优化拓扑结构，其特征在于：
所述输入滤波器包括三个输入滤波电感，连接三相输入电源和电压选择器(IVS)的三相输入端。
6.如权利要求1所述的一种有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形优化拓扑结构，其特征在于：
所述电压选择器(IVS)包括整流级和三个双向开关，整流级包括全控型器件组成的三个桥臂，每个双向开关均由两个全控型器件共射级构成，每个全控型器件反并联一个体二极管。
7.如权利要求1所述的一种有源三次谐波注入矩阵变换器输入电流波形优化拓扑结构，其特征在于：
所述三次谐波注入电路包括全控型器件组成的桥臂和一个谐波注入电流滤波电感(Ly)，y桥臂跨接在电流型逆变器(CSI)的直流侧p、n两端，谐波注入电流滤波电感(Ly)连接y桥臂和双向开关。
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