CN106849710A - 一种电压型四桥臂高频链矩阵式整流器及补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种电压型四桥臂高频链矩阵式整流器及补偿方法，由输入交流电压信号，输入滤波器、中线、四桥臂矩阵变换器、高频变压器、不控整流桥、输出滤波器及负载组成。其中四桥臂矩阵变换器的每个桥臂均由两组双向开关构成，每组双向开关由2个单向可控开关背靠背连接而成。并且基于此拓扑实现电网谐波补偿的功能，通过检测非线性负载上的谐波电压和电流从而得到谐波功率，在四桥臂高频链矩阵式整流器的控制环节中进行谐波功率补偿，从而起到补偿电网总电流中谐波的作用。本发明所述的带有补偿功能的电压型四桥臂高频链矩阵式整流器不仅相较于三桥臂整流器在应对电网不平衡情况时更具优势，同时还可以对电网谐波进行一定的补偿，具有重要意义。

Description

一种电压型四桥臂高频链矩阵式整流器及补偿方法

技术领域

本发明涉及电力电子功率变换器拓扑及控制领域，尤其是一种带补偿功能的电压型四桥臂高频链矩阵式整流器以及基于上述拓扑的谐波补偿方法。

背景技术

整流器是一种可以实现交流到直流电能变换的拓扑装置。电压型四桥臂高频链矩阵式整流器是由三相高频链矩阵式整流器演化而来，其不仅具有传统电压型PWM整流器可实现单位功率因数，正弦电流以及绿色电能变换的优点，而且具有电气隔离，更广的变压范围，能量双向流动以及更好的应对时常发生的电网不平衡问题。相较于传统PWM整流器具有明显优势。

然而，随着电力电子设备及变流装置、新能源等的迅速发展和广泛使用，对电网造成的压力和污染不断增加，而整流环节广泛存在于各类设备中，因此其成为了治理电网污染的一个有效切入点。由于上述优势，对带补偿功能的四桥臂矩阵式整流器进行研究，并实现其在电网不平衡时可以输出直流电压的同时，又可以在一定程度上缓解电网污染的功能具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种既可以在电网不平衡情况下实现正常的整流功能、又可以对电网谐波电流进行一定补偿的电压型四桥臂高频链矩阵式整流器及补偿方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述整流器由三相电网电动势e_a、e_b、e_c、滤波电感L_a、滤波电感L_b、滤波电感L_c、中线电感L_m、寄生电阻R_a、寄生电阻R_b、寄生电阻R_c、中线寄生电阻R_m、可控开关管S_pah、可控开关管S_pbh、可控开关管S_pch、可控开关管S_pdh、可控开关管S_pal、可控开关管S_pbl、可控开关管S_pcl、可控开关管S_pdl、可控开关管S_nah、可控开关管S_nbh、可控开关管S_nch、可控开关管S_ndh、可控开关管S_nal、可控开关管S_nbl、可控开关管S_ncl、可控开关管S_ndl、双绕组高频变压器、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、电容滤波器C_dc、负载R_dc组成；

可控开关管S_nah的集电极与可控开关管S_pal的集电极相连，可控开关管S_nah的发射极与可控开关管S_pah的发射极相连，可控开关管S_pal的发射极与可控开关管S_nal的发射极相连，可控开关管S_pah、可控开关管S_nah、可控开关管S_pal、可控开关管S_nal组成A相桥臂；A相电网电动势e_a与滤波电感L_a、寄生电阻R_a顺次连接，寄生电阻R_a另一端分别与A相桥臂的中点a相连；

可控开关管S_nbh的集电极与可控开关管S_pbl的集电极相连，可控开关管S_nbh的发射极与可控开关管S_pbh的发射极相连，可控开关管S_nbl的发射极与可控开关管S_pbl的发射极相连，可控开关管S_pbh、可控开关管S_nbh、可控开关管S_pbl、可控开关管S_nbl的组成B相桥臂；B相电网电动势e_b与滤波电感L_b、寄生电阻R_b顺次连接，寄生电阻R_b另一端分别与B相桥臂的中点b相连；

可控开关管S_nch的集电极与可控开关管S_pcl的集电极相连，可控开关管S_nch的发射极与可控开关管S_pch的发射极相连，可控开关管S_ncl的发射极与可控开关管S_pcl的发射极相连，可控开关管S_pch、可控开关管S_nch、可控开关管S_pcl、可控开关管S_ncl的组成C相桥臂；C相电网电动势e_c与滤波电感L_c、寄生电阻R_c顺次连接，寄生电阻R_c另一端分别与C相桥臂的中点c相连；

可控开关管S_ndh的集电极与可控开关管S_pdl的集电极相连，可控开关管S_ndh的发射极与可控开关管S_pdh的发射极相连，可控开关管S_pdl的发射极与可控开关管S_ndl的发射极相连，可控开关管S_pdh、可控开关管S_ndh、可控开关管S_pdl、可控开关管S_ndl的组成第四桥臂；三相电网电动势公共接点与中线上的中线电感L_m相连，中线电感L_m另一端与中线寄生电阻R_m一端相连，中线寄生电阻R_m另一端与第四桥臂的中点d相连；

可控开关管S_pah的集电极分别与可控开关管S_pbh的集电极、可控开关管S_pch的集电极、可控开关管S_pdh的集电极、双绕组高频变压器原边一端相连；

可控开关管S_nal的集电极分别与可控开关管S_nbl的集电极、可控开关管S_ncl的集电极、可控开关管S_ndl的集电极、双绕组高频变压器原边另一端相连；

二极管D₁的阳极与二极管D₂的阴极相连组成不控整流桥的第一桥臂，双绕组高频变压器副边一端与不控整流桥第一桥臂的中点e连接；

二极管D₃的阳极与二极管D₄的阴极相连组成不控整流桥的第二桥臂，双绕组高频变压器副边另一端与不控整流桥第二桥臂的中点f连接；

二极管D₁的阴极分别与二极管D₃的阴极、电容滤波器C_dc一端、负载R_dc一端相连；二极管D₂的阳极分别与二极管D₄的阳极、电容滤波器C_dc另一端、负载R_dc另一端相连。

进一步的，所述双绕组高频变压器是变比为1：n的变压器。

本发明所述的补偿方法，具体步骤如下：

步骤1，对非线性负载侧的电压电流进行检测，得到含有谐波分量的电压电流，并通过计算得到谐波补偿功率信号；

步骤2，将得到的谐波补偿功率信号作为电压型四桥臂高频链矩阵式整流器的控制环节中的功率指令值q^*，其通过变换矩阵M得到内环电流指令信号进行内环控制；

步骤3，通过对电压型四桥臂高频链矩阵式整流器的控制，实现交流侧电流具有电网电流所需的谐波补偿量，从而实现对电网电流的补偿功能。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：采用带补偿功能的四桥臂高频链矩阵式整流器拓扑，具有电气隔离，变压范围更宽，体积小、重量轻等优点，而且通过合理的控制策略，不仅比三桥臂整流器能更好的应对电网不平衡情况，同时还可以实现在电网不平衡情况下对电网进行谐波补偿。

附图说明

图1为本发明所述整流器的电路拓扑图。

图2为本发明所述整流器的补偿结构图。

图3为本发明所述整流器的控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，所述整流器由三相电网电动势e_a、e_b、e_c、滤波电感L_a、滤波电感L_b、滤波电感L_c、中线电感L_m、寄生电阻R_a、寄生电阻R_b、寄生电阻R_c、中线寄生电阻R_m、可控开关管S_pah、可控开关管S_pbh、可控开关管S_pch、可控开关管S_pdh、可控开关管S_pal、可控开关管S_pbl、可控开关管S_pcl、可控开关管S_pdl、可控开关管S_nah、可控开关管S_nbh、可控开关管S_nch、可控开关管S_ndh、可控开关管S_nal、可控开关管S_nbl、可控开关管S_ncl、可控开关管S_ndl、双绕组高频变压器、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、电容滤波器C_dc、负载R_dc组成；

可控开关管S_nah的集电极与可控开关管S_pal的集电极相连，可控开关管S_nah的发射极与可控开关管S_pah的发射极相连，可控开关管S_pal的发射极与可控开关管S_nal的发射极相连，可控开关管S_pah、可控开关管S_nah、可控开关管S_pal、可控开关管S_nal组成A相桥臂；A相电网电动势e_a与滤波电感L_a、寄生电阻R_a顺次连接，寄生电阻R_a另一端分别与A相桥臂的中点a相连；

可控开关管S_nbh的集电极与可控开关管S_pbl的集电极相连，可控开关管S_nbh的发射极与可控开关管S_pbh的发射极相连，可控开关管S_nbl的发射极与可控开关管S_pbl的发射极相连，可控开关管S_pbh、可控开关管S_nbh、可控开关管S_pbl、可控开关管S_nbl的组成B相桥臂；B相电网电动势e_b与滤波电感L_b、寄生电阻R_b顺次连接，寄生电阻R_b另一端分别与B相桥臂的中点b相连；

可控开关管S_nch的集电极与可控开关管S_pcl的集电极相连，可控开关管S_nch的发射极与可控开关管S_pch的发射极相连，可控开关管S_ncl的发射极与可控开关管S_pcl的发射极相连，可控开关管S_pch、可控开关管S_nch、可控开关管S_pcl、可控开关管S_ncl的组成C相桥臂；C相电网电动势e_c与滤波电感L_c、寄生电阻R_c顺次连接，寄生电阻R_c另一端分别与C相桥臂的中点c相连；

可控开关管S_ndh的集电极与可控开关管S_pdl的集电极相连，可控开关管S_ndh的发射极与可控开关管S_pdh的发射极相连，可控开关管S_pdl的发射极与可控开关管S_ndl的发射极相连，可控开关管S_pdh、可控开关管S_ndh、可控开关管S_pdl、可控开关管S_ndl的组成第四桥臂；三相电网电动势公共接点与中线上的中线电感L_m相连，中线电感L_m另一端与中线寄生电阻R_m一端相连，中线寄生电阻R_m另一端与第四桥臂的中点d相连；

可控开关管S_pah的集电极分别与可控开关管S_pbh的集电极、可控开关管S_pch的集电极、可控开关管S_pdh的集电极、双绕组高频变压器原边一端相连；

可控开关管S_nal的集电极分别与可控开关管S_nbl的集电极、可控开关管S_ncl的集电极、可控开关管S_ndl的集电极、双绕组高频变压器原边另一端相连；

二极管D₁的阳极与二极管D₂的阴极相连组成不控整流桥的第一桥臂，双绕组高频变压器副边一端与不控整流桥第一桥臂的中点e连接；

二极管D₃的阳极与二极管D₄的阴极相连组成不控整流桥的第二桥臂，双绕组高频变压器副边另一端与不控整流桥第二桥臂的中点f连接；

二极管D₁的阴极分别与二极管D₃的阴极、电容滤波器C_dc一端、负载R_dc一端相连；二极管D₂的阳极分别与二极管D₄的阳极、电容滤波器C_dc另一端、负载R_dc另一端相连。

如图2所示，图2中方框圈出的上下两部分分别为三相电网及其所带的非线性负载部分和带补偿功能的电压型四桥臂高频链矩阵式整流器部分。其中，非线性负载部分提供所需谐波电压电流，带补偿功能的电压型四桥臂高频链矩阵式整流器部分通过合理的控制策略，实现电网不平衡情况下的整流器功能，同时得到包含所需谐波补偿信息的三相交流电流，从而对电网谐波进行补偿。

如图3所示，首先通过对三相电网电压和流入带补偿功能的电压型四桥臂高频链矩阵式整流器的交流电流进行检测和变换，得到正序电压e_d ⁺和e_q ⁺，负序电压e_d ^-和e_q ^-，零序电压e_d ⁰和e_q ⁰，零序电流i_d ⁰和i_q ⁰以及除零序分量外的交流电流dq轴分量i_d ⁺和i_q ⁺。图3中，第I部分为谐波补偿功率指令计算部分，其作用是通过检测获得非线性负载中的谐波电压和电流并通过计算得到谐波补偿功率信号；第II部分为带补偿功能的电压型四桥臂高频链矩阵式整流器的电压外环部分，其作用是获得有功功率指令信号；之后，通过第I、II部分获得的p^*，q^*通过变换矩阵M得到内环电流指令信号。第III、IV部分分别为电流内环控制框图，通过PI调节器分别对电流dq轴分量进行控制，实现电流跟踪，两部分控制方式相同；之后将得到的电压控制指令信号v_d ^*、v_q ^*、v_d ^0*、v_q ^0*通过解结耦调制策略实现对带补偿功能的电压型四桥臂高频链矩阵式整流器开关的控制。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种电压型四桥臂高频链矩阵式整流器，其特征在于：所述整流器由三相电网电动势e_a、e_b、e_c、滤波电感L_a、滤波电感L_b、滤波电感L_c、中线电感L_m、寄生电阻R_a、寄生电阻R_b、寄生电阻R_c、中线寄生电阻R_m、可控开关管S_pah、可控开关管S_pbh、可控开关管S_pch、可控开关管S_pdh、可控开关管S_pal、可控开关管S_pbl、可控开关管S_pcl、可控开关管S_pdl、可控开关管S_nah、可控开关管S_nbh、可控开关管S_nch、可控开关管S_ndh、可控开关管S_nal、可控开关管S_nbl、可控开关管S_ncl、可控开关管S_ndl、双绕组高频变压器、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、电容滤波器C_dc、负载R_dc组成；

可控开关管S_nah的集电极与可控开关管S_pal的集电极相连，可控开关管S_nah的发射极与可控开关管S_pah的发射极相连，可控开关管S_pal的发射极与可控开关管S_nal的发射极相连，可控开关管S_pah、可控开关管S_nah、可控开关管S_pal、可控开关管S_nal组成A相桥臂；A相电网电动势e_a与滤波电感L_a、寄生电阻R_a顺次连接，寄生电阻R_a另一端分别与A相桥臂的中点a相连；

可控开关管S_nbh的集电极与可控开关管S_pbl的集电极相连，可控开关管S_nbh的发射极与可控开关管S_pbh的发射极相连，可控开关管S_pbl的发射极与可控开关管S_nbl的发射极相连，可控开关管S_pbh、可控开关管S_nbh、可控开关管S_pbl、可控开关管S_nbl的组成B相桥臂；B相电网电动势e_b与滤波电感L_b、寄生电阻R_b顺次连接，寄生电阻R_b另一端分别与B相桥臂的中点b相连；

可控开关管S_nch的集电极与可控开关管S_pcl的集电极相连，可控开关管S_nch的发射极与可控开关管S_pch的发射极相连，可控开关管S_pcl的发射极与可控开关管S_ncl的发射极相连，可控开关管S_pch、可控开关管S_nch、可控开关管S_pcl、可控开关管S_ncl的组成C相桥臂；C相电网电动势e_c与滤波电感L_c、寄生电阻R_c顺次连接，寄生电阻R_c另一端分别与C相桥臂的中点c相连；

可控开关管S_ndh的集电极与可控开关管S_pdl的集电极相连，可控开关管S_ndh的发射极与可控开关管S_pdh的发射极相连，可控开关管S_pdl的发射极与可控开关管S_ndl的发射极相连，可控开关管S_pdh、可控开关管S_ndh、可控开关管S_pdl、可控开关管S_ndl的组成第四桥臂；三相电网电动势公共接点与中线上的中线电感L_m相连，中线电感L_m另一端与中线寄生电阻R_m一端相连，中线寄生电阻R_m另一端与第四桥臂的中点d相连；

可控开关管S_pah的集电极分别与可控开关管S_pbh的集电极、可控开关管S_pch的集电极、可控开关管S_pdh的集电极、双绕组高频变压器原边一端相连；

可控开关管S_nal的集电极分别与可控开关管S_nbl的集电极、可控开关管S_ncl的集电极、可控开关管S_ndl的集电极、双绕组高频变压器原边另一端相连；

二极管D₁的阳极与二极管D₂的阴极相连组成不控整流桥的第一桥臂，双绕组高频变压器副边一端与不控整流桥第一桥臂的中点e连接；

二极管D₃的阳极与二极管D₄的阴极相连组成不控整流桥的第二桥臂，双绕组高频变压器副边另一端与不控整流桥第二桥臂的中点f连接；

二极管D₁的阴极分别与二极管D₃的阴极、电容滤波器C_dc一端、负载R_dc一端相连；二极管D₂的阳极分别与二极管D₄的阳极、电容滤波器C_dc另一端、负载R_dc另一端相连。

2.根据权利要求1所述的一种电压型四桥臂高频链矩阵式整流器，其特征在于：所述双绕组高频变压器是变比为1：n的变压器。

3.一种基于权利要求1所述电压型四桥臂高频链矩阵式整流器的补偿方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

步骤1，对非线性负载侧的电压电流进行检测，得到含有谐波分量的电压电流，并通过计算得到谐波补偿功率信号；

步骤2，将得到的谐波补偿功率信号作为电压型四桥臂高频链矩阵式整流器的控制环节中的功率指令值q^*，其通过变换矩阵M得到内环电流指令信号进行内环控制；

步骤3，通过对电压型四桥臂高频链矩阵式整流器的控制，实现交流侧电流具有电网电流所需的谐波补偿量，从而实现对电网电流的补偿功能。