CN109713884A - 一种z源-apf的拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种Z源‑APF的拓扑结构，还包括Z源结构；Z源结构包括两个电感L1、L2与两个电容C1、C2；APF结构的直流电容的正端与电感L1的一端相连，电感L1的另一端连接到APF结构的三相逆变桥的上桥臂；APF结构的直流电容的负端与电感L2的一端相连，电感L2的另一端连接到APF结构的三相逆变桥的下桥臂；电容C1的一端连接电感L1的一端，电容C1的另一端连接在电感L2的另一端；电容C2的一端连接电感L1的另一端，电容C2的一端连接在电感L2的一端。本发明利用Z源结构嵌于APF的直流侧和三相逆变桥臂之间能够防止逆变器上下桥臂在直通状态时所引起的电流瞬增现象对IGBT进行保护。

Description

一种Z源-APF的拓扑结构

技术领域

本发明属于电力电子在电力系统应用技术领域，具体涉及一种Z源-APF的拓扑结构。

背景技术

随着电力电子技术的发展，电网上的非线性负荷逐渐增加，会向电网中注入大量的谐波，影响电力系统的电能质量。为了解决电网日益严重的谐波问题，可以采取无缘滤波和有源滤波等方式，但是无缘滤波只能滤除指定次和指定范围次，且容量固定无法调节，有源滤波器(APF)的引入即是利用逆变器检测电网中的电流谐波分量，再通过APF对其进行补偿，可以对各阶次的谐波进行全部补偿和单独补偿，但为了保护IGBT，常规的APF都会在调制时加入死区时间，从而避免同相上下桥臂同时导通，这样就会降低直流电压的利用率，同时逆变电流也会产生畸变。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

针对如上问题，本发明拟提出一种新型拓扑结构，能够有效保护IGBT在直通状态下不会被烧毁。

2.技术方案：

一种Z源-APF的拓扑结构，包括APF的本体拓扑结构；其特征在于：还包括Z源结构；所述Z源结构包括两个电感L1、L2与两个电容C1、C2；所述APF结构的直流电容的正端与电感L1的一端相连，所述电感L1的另一端连接到APF结构的三相逆变桥的上桥臂；所述APF结构的直流电容的负端与电感L2的一端相连，所述电感L2的另一端连接到APF结构的三相逆变桥的下桥臂；电容C1的一端连接电感L1的一端，电容C1的另一端连接在电感L2的另一端；电容C2的一端连接电感L1的另一端，电容C2的一端连接在电感L2的一端。

进一步地，所述的APF的本体拓扑结构包括直流侧电容，电压源型三相桥式逆变器，LCL型滤波电路。

进一步地，所述Z源结构嵌于所述直流侧电容与三相逆变桥臂之间。

3.有益效果：

(1)本发明采用新型拓扑结构，利用Z源结构嵌于常规APF的直流侧和三相逆变桥臂之间。能够有效防止逆变器的上下桥臂在直通状态时所引起的电流瞬增现象，从而能够对APF的IGBT进行保护。

(2)本发明能够有效的保护APF在直通状态下不会烧毁IGBT等期间，从而避免因为直通所带来的APF模块损毁问题，提高设备的使用寿命。

附图说明

图1是常规APF并联接入电力系统的示意图；

图2是常规APF运行时的A相电流示意图；

图3是常规APF运行时的B相电流示意图；

图4是常规APF运行时的C相电流示意图；

图5是本发明提出的新型Z源-APF拓扑结构示意图；

图6是本发明提出的新型Z源-APF的两种运行态示意图；

图7是本发明提出的Z源-APF的直通态等效示意图；

图8是本发明提出的Z原-APF的等效仿真模型示意图；

图9是常规APF直通状态下的IGBT电流波形图；

图10是本发明提出的新型Z源-APF直通状态下的IGBT电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

常规APF采用两电平逆变器，采用并联的方式接于电力系统中，如图1所示。通过电流互感器采集负载侧电流I_la，I_lb，I_lc或系统侧的电流I_sa，I_sb，I_sc，利用FFT算法进行分解提取基波电流和谐波分量，进而采用全补偿或是指定次补偿的方式对谐波分量进行补偿，补偿电流为I_ha，I_hb，I_hc。电流满足式(1)，通过补偿谐波电流使得电网电流满足电能质量要求。

APF根据采用与计算得到补偿电流I_ha，I_hb，I_hc，ABC三相在进行补偿输出时的IGBT通断情况与电流的方向表示如图2、图3、图4所示，可知同桥臂的两个IGBT不会同时导通，此时利用上桥臂与其他相的下桥臂形成通路，经过外部负载与LCL形成回路，电流为可控电流，系统能正常运行。

在常规设计中为了避免同桥臂的IGBT同时导通，会在调制的过程中加入死区，但是死区的加入会降低直流侧的利用率。同时由于器件在运行时可能存在着延时，可能会产生同桥臂的直通现象，直通时直流侧与直通相的IGBT构成回路，电流过大会损毁器件，引起炸机。

针对如上问题，本发明提出了一种新型拓扑结构，具体示意图如图5所示，在逆变桥的前端加入了由两个电感和电容交叉而成的对称阻抗源网络，即Z源网络。

Z源网络的引入，可以允许APF的上下桥臂同时导通，如下将分别分析Z源-APF的两种运行态：直通状态与非直通状态。

为了方便分析，设定L₁＝L₂＝L，C₁＝C₂＝C；在直通状态时，可知L1与C1并联，L2与C2并联，之后两者串联。

在一个开关周期中，假设逆变桥工作在直通状态的时间为T₀，且T₀＝D₀T(T₀为一个开关周期)，D₀为直通占空比。根据图6(a)可得此时的电压关系如式(2)。

同理，在非直通状态时，逆变器的工作时间为T₁＝1-D₀T，有等效电路图6(b)可得：

根据电感的伏秒平衡原理可知，在一个开关周期中，稳态工作时电感两端的平均电压为零。因此，由式(2)、式(3)可得

即：

逆变器上的直流电压峰值为其中k>1，因此在直通状态时IGBT两端的电压为0，非直通状态时的电压为kU_dc。APF的并网电压要保证和电网电压相同，当IGBT处于直通态时，可以通过调节逆变器的调制因子来维持输出电压稳定。

如下分析直通状态的IGBT电流情况，等效电路图如图7所示，由于流过电感的电流值不能突变，电容两端的电压也不能突变，因此该Z源结构会在直通的瞬间有一个暂态的二阶电路响应过程，电流会缓升，避免电流过大超过IGBT的电流应力，可用于实现对IGBT的保护。

利用MATLAB对该发明进行仿真分析，搭建如图8所示的等效仿真模型，其中电感取值为8mH，电容取值为50uF，谐振频率仿真时间为0.1秒，在0.05秒时出现直通状态。得到直接导通和经过Z源模型两种拓扑结构下的电流波形如图9和图10所示。

其中图9为普通APF在直通状态下的电流值，可知在直通瞬间电流急剧上升，峰值可达到750kA。图10为Z源-APF为在直通状态下的电流值，在直通瞬间，电流会出现高频震荡，但是峰值只有314A，之后衰减，在IGBT的电流应力之内。由对比可知本发明提出的新型Z源-APF可以有效的抑制APF在直通状态下通过IGBT的电流值。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (3)

1. 一种Z源-APF的拓扑结构，包括APF的本体拓扑结构；其特征在于：还包括Z源结构；所述Z 源结构包括两个电感L1、L2与两个电容C1、C2；所述APF结构的直流电容的正端与电感L1的一端相连，所述电感L1的另一端连接到APF结构的三相逆变桥的上桥臂；所述APF结构的直流电容的负端与电感L2的一端相连，所述电感L2的另一端连接到APF结构的三相逆变桥的下桥臂；电容C1的一端连接电感L1的一端，电容C1的另一端连接在电感L2的另一端；电容C2的一端连接电感L1的另一端，电容C2的一端连接在电感L2的一端。

2.根据权利要求1所述的一种Z源-APF的拓扑结构，其特征在于：所述的APF的本体拓扑结构包括直流侧电容，电压源型三相桥式逆变器，LCL型滤波电路。

3.根据权利要求2所述的一种Ｚ源-APF的拓扑结构其特征在于，所属述Z 源结构嵌于所述直流侧电容与三相逆变桥臂之间。