TWI492514B - 三相整流模組、其適用的系統及諧波抑制方法 - Google Patents

Description

三相整流模組、其適用的系統及諧波抑制方法

本發明涉及一種電力電子技術中使用的有源整流裝置，尤其涉及一種基於電感-電容-電感(LCL)濾波的三相整流模組、其適用的系統及抑制整流系統中諧波的方法。

功率半導體開關器件技術的進步，促進了電力電子變流裝置技術的迅速發展，出現了以脈寬調製(Pulse-width modulation，簡稱PWM)控制為基礎的各類變流裝置。具有高功率因數和低輸入電流畸變率(Total Harmonic Distortion,THD)的綠色無污染的有源整流裝置已廣泛應用於電力電子技術領域中。

三相PWM整流器是目前市面上常見的一種三相整流器。三相PWM整流器由三個並聯的單相橋臂組成，每組單相橋臂上串接了大量的開關元件。當上下橋臂的開關元件同時閉合時，會出現橋臂直通的現象，容易導致整流器元件的損傷。這種三相PWM整流器，開關元件較多，結構複雜，而且價格通常也較高，常用在有能量回饋需求的場合。

三相PWM整流器中的開關元件在執行開關動作會產生開關次的諧波電壓和電流，對電網造成諧波污染。因此，三相PWM整流器消除諧波分量問題的研究同樣引起了業界的高度關注。

為滿足三相PWM整流器在工作時需要無源器件對能量進行存儲的特性，同時減小交流輸電網側電流在有源整流模組開關頻率附近的諧波分量，需在三相PWM整流器與電網之間串接一無源器件，用於濾波。

請參閱圖1，圖1為現有技術中基於電感L濾波單元的三相PWM整流單元2與電網1及負載3連接的電路示意圖。三相PWM整流單元通過電感L濾波單元與三相電網耦接，將三相電網上具有固定工作頻率的交流輸入電壓轉換為直流輸出電壓。濾波單元中的電感L一方面作為儲能元件，使三相整流模組具有升壓(Boost)的工作特性，另一方面電感L可對開關諧波起到濾波作用。

當選擇電感L為濾波單元時，在所有頻率範圍內對諧波都是以-20dB/Dec的速率衰減，速率比較慢。然而，在大功率的應用場合，由於開關頻率比較低，對諧波需要有比較快的衰減速率，為了實現對開關諧波更好的濾波效果，要求增加電感值。眾所周知，電感值的增加，不僅會降低整個系統的回應時間，導致系統動態性能降低，且隨著有源整流單元功率的增加，電感L的體積和造價也隨之迅速增加，這限制了其在大功率場合的應用。

因此，如何發展出一種能應用在中高壓大功率場合，所用電感量小，同時開關元件少，結構簡單，無橋臂直通風險、價格較低的三相整流模組，實為目前迫切需要解決的課題。

本發明的目的在於，針對三相整流模組對無橋臂直通風險的需求，以及避免因開關器件切換帶來高次諧波和失控區帶來低次諧波的產生，在中高壓大功率場合，引入三相單向整流單元以及LCL濾波單元代替傳統的L型濾波單元來濾除諧波，通過設計LCL濾波單元的參數，實現在較少的電感量下滿足高次諧波的衰減要求，且還能抑制三相單向整流單元低次諧波的產生。

為實現上述目的，本發明三相整流模組的技術方案如下：一種三相整流模組，與三相交流源側連接，其包括三相單向整流單元、三組LCL濾波單元和用於控制三相交流源側的功率因數大於或等於預設閾值和三相單向整流單元直流側電壓的整流器控制單元。三相單向整流單元包括三組單相整流橋臂，三組單相整流橋臂並聯電連接，在每組單相整流橋臂上，至少串接了一個使橋臂電流具有單向性的換流二極體；每組LCL濾波單元包括第一電感、第二電感以及容性支路，第一電感的一端和第二電感的一端串聯，容性支路至少包括第一電容，容性支路一端電連接於第一電感和第二電感之間，另一端與其他兩組的容性支路共接於一點；第一電感的另一端電連接於三相交流源側中的一相交流源側，第二電感的另一端電連接于一組單相整流橋臂；其中，三相交流源側的功率因數與LCL濾波單元匹配使得三相單向整流單元交流側輸入電壓和電流的相位差的絕對值接近或等於預設閾值。

為實現上述目的，本發明三相整流模組應用系統的技術方案為：一種三相整流模組的應用系統，包括：用於將交流轉換成直流的三相整流模組、逆變器以及與逆變器電連接的負載；該三相整流模組為上述技術方案中的任何一種三相整流模組，逆變器與三相整流模組電連接，用於將直流轉換成交流。

為實現上述目的，本發明三相整流模組抑制諧波的技術方案為：

一種三相整流模組的諧波抑制方法，該方法包括：

步驟1：依據三相單向整流單元工作的開關頻率，設置LCL濾波單元中第一電感、容性支路中元件和第二電感的參數抑制三相單向整流單元的開關次諧波，獲得LCL濾波單元參數的第一參數值組合集；

步驟2：調整三相電源側的功率因數，獲得第一參數值組合集中每組參數值組合所對應的三相單相整流單元輸入的相電壓與相電流的相位差與功率因數的關係曲線；以及

步驟3：根據步驟2的關係曲線，獲得功率因數大於等於預設值同時相位差接近或等於預設閾值的第二參數值組合集，選取一組第二參數值組合作為LCL濾波單元參數以抑制三相單向整流單元的低次諧波。

本發明的三相整流模組不僅具有良好的功率因數校正和直流電壓控制能力外，還具有結構簡單、輸入電流THD低、開關器件少、無橋臂直通風險、可靠性高等特點，非常適用於對於要求體積小、成本低而無能量回饋需求的場合。本發明的LCL濾波單元對諧波是以-60dB/dec的速率衰減，該速率為單電感L濾波單元對諧波衰減速率的三倍左右。因此，LCL濾波單元不僅在總電感量較小的條件下實現了相同的濾波效果，減小了濾波單元的體積、降低了製造成本，且動態性能得到了較大的改善。

體現本發明特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敍述。應理解的是本發明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非用以限制本發明。

請參閱圖2，圖2為本發明基於LCL濾波的三相整流模組的控制方框圖。如圖所示，本發明實施例中三相整流模組與三相交流源側連接，三相整流模組包括三組LCL濾波單元、三相單向整流單元21以及整流器控制單元22。三組LCL濾波單元電連接於三相單向整流單元21與三相交流源側之間。整流器控制單元22控制三相交流源側的功率因數，以及三相單向整流單元21直流側電壓Udc1、Udc2。三相交流源可以是電網或者其他形式的交流源，以下描述僅是以三相交流源為電網為例。

三相單向整流單元包括三組單相整流橋臂。三組單相整流橋臂並聯連接。在每組單相整流橋臂上，至少串接了一個使橋臂電流具有單向性的換流二極體。並且，單相整流橋臂上至少還包括一開關元件，以及控制各個單相整流橋臂上開關元件執行開關動作的控制器。須補充說明的是，于本發明內容中所提到的換流二極體是指在三相單向整流單元工作的開關頻率下，若橋臂上的開關元件關斷之後，負載電流全部轉移流入的二極體為換流二極體。此外，因為換流二極體的存在限制了橋臂電流的方向性，即使同相橋臂有兩個開關元件且兩個開關元件同時開啟或同時關閉亦不會發生直通現象，即不會影響有效開關元件的正常工作。三相單向整流單元與一般的PWM整流器相比，在控制上簡單可靠，開關元件少，結構簡單。當此三相單向整流器應用於中高壓大功率場合時，例如三相單向整流器電連接的三相交流源直接為中高壓電網，其相對應用於中高壓大功率場合的PWM整流器價格優勢明顯。

本發明實施例以三相整流模組應用于全波整流為例，且三相單向整流單元中單相整流上下橋臂至少各包含一個換流二極體。具有此典型結構的三相單向整流單元以三相維也納整流器為代表。請參閱圖3和圖4中的兩種三相維也納整流器具體結構示意圖，維也納整流器的開關元件的控制器未在圖中示意出。

三相單向整流單元特性與一般的PWM整流器不同。在此以維也納整流器與一般的PWM整流器比較為例，請參閱圖5和圖6。圖5為一般PWM整流器的交流側電壓以及流過此PWM整流器側電流的波形示意圖。如圖5所示，相電流ir相對於相電壓Ur的波形超前一個相位角Δθ，在相位角Δθ期間，相電壓Ur不受相電流ir的影響。圖6為維也納整流器在交流側電壓與流過維也納整流器側電流之間具有相位差Δθ時帶來的維也納整流器交流側電壓畸變示意圖；在圖6中，相電流ir相對於相電壓Ur的波形仍然超前一個相位角Δθ。

由於維也納整流器中單相整流電路橋臂上換流二極體的存在，使其橋臂電流存在單向性，在此相位角Δθ相差的範圍內，維也納整流器交流側相電壓Ur的方向主要取決於相電流ir方向，直到相電壓Ur換向至與相電流ir同向。因此，相位差Δθ的相差區域可認為是維也納整流器的“失控區”，此區域內的維也納整流器電壓會發生畸變。該畸變會導致在相電壓Ur中含有大量的低次諧波。維也納整流器交流側電壓的低次諧波增大最終導致電網電流的低次諧波相應增大，尤其針對中高壓大功率場合，受器件特性影響，開關頻率較低，這種失控區帶來的諧波影響更加嚴重。

失控區是低次諧波產生的主要原因，失控區越大，低次諧波含量也越大。而三相單向整流單元交流側電流與電壓的相位差則可以通過前置濾波單元的參數得到補償，使得相位差Δθ最小，從而可以極大地降低低次諧波。因此，三相單向整流單元的前置濾波單元的設計則變得尤為重要。

本發明三相整流模組實施例中的前置濾波單元包括三組LCL濾波單元。每組LCL濾波單元包括第一電感Ls、第二電感Lr以及容性支路。第一電感Ls的一端和第二電感Lr的一端串聯。容性支路至少包括第一電容Cr，容性支路一端電連接於第一電感Ls和第二電感Lr之間，另一端與其他兩組的容性支路共接於一點。第一電感Ls的另一端電連接於三相交流源側中的一相交流源側，第二電感Lr的另一端電連接于一組單相整流橋臂。

為降低LCL濾波單元的電感值，同時更好的抑制三相單向整流單元的開關次諧波，在第二LCL濾波單元實施例中，容性支路還可以包括一陷波電感，如圖7中(1)所示，陷波電感Lf與第一電容Cr串聯。

為了更好地抑制LCL濾波單元的諧振現象，在第三LCL濾波單元的實施例中，容性支路還包括阻尼電阻，如圖7中(2)所示，阻尼電阻R與第一電容Cr串聯。

在第四LCL濾波單元實施例中，容性支路可同時包括陷波電感、阻尼電阻，如圖7中(3)所示，陷波電感、阻尼電阻與第一電容串聯。這樣可以在起到抑制LCL濾波單元的諧振現象同時降低LCL濾波單元中的電感值，抑制三相單向整流單元的開關次諧波。

下面以LCL濾波單元中容性支路中僅包含第一電容作為三相單向整流單元前置濾波器為例進行進一步的描述。請參閱圖8，圖8為此LCL濾波單元實施例的單相等效電路示意圖。其中，設PF代表交流源側的功率因數，可列出方程組(1)-(6)。

PF =cosθ_s 　(3)

上述方程組(1)~(6)中功率因數PF、電網側電壓Us、電網側電壓is、第一電感Ls、第二電感Lr和容性支路Cr看作已知量，將Ur、ir、Uc看作未知量。其中，Ur表示三相單向整流單元交流側相電壓，ir表示三相單向整流單元交流側相電流，Uc表示容性支路的電壓。則整流模組交流側相電流ir與相電壓Ur之間的相位差Δθ可由方程組(1)~(6)式推出，為上面方程組中的(7)式。

從上面的式子可以看出，相位差Δθ可以表示為引數為功率因數PF、三相交流源側電壓Us、三相交流源側電壓is、第一電感Ls、第二電感Lr和容性支路Cr參數值的函數。

因此，在功率因數大於或等於預設值的條件下，正確地選取與功率因數匹配的LCL濾波單元參數可實現三相單向整流單元交流側輸入電壓和電流的相位差的絕對值接近或等於預設閾值。實際操作中，為盡可能減小本實施例中三相整流模組產生的低次諧波，優選地，該三相單向整流單元中相位差預設閾值設為0。為提高三相交流源側能量利用率，優選地，功率因數的預設值為0.95。

下面結合上述三相整流模組的實施例，進一步介紹本三相整流模組適用的系統。

請參閱圖9，圖9為本發明基於三相整流模組的交-直-交(Back-to-Back)變頻器的控制方框圖。本發明三相整流模組的應用系統的實施例包括：上述實施例描述的用於將交流轉換成直流的三相整流模組10、用於將直流轉換成交流且與三相整流模組10電連接的逆變模組11，以及與逆變模組電連接的負載12。

在本發明所適用的三相整流模組的應用系統中，三相整流模組可以是上述描述的三相整流模組各個構成單元實施例的任意一組合。三相整流模組中的整流器控制單元與一般的PWM整流器的整流器控制單元原理相同，為本領域人員所熟知，因此不在這贅述。逆變模組也具有其相應的逆變器控制單元，與一般的逆變模組的逆變器控制單元原理相同，同理不在這贅述。

在另一三相整流模組的應用系統的實施例中，此應用系統還包括一電容輸出模組，用於暫存直流電壓，此電容輸出模組電連接於三相整流模組與逆變器之間。

在又一三相整流模組的應用系統的實施例中，此應用系統還包括一輸出LC濾波單元，輸出LC濾波單元電連接於負載與逆變模組之間，用於濾波。

再請參閱圖9，圖9具體為上述三種三相整流模組應用系統實施例的組合實現一基於三相整流模組10的交-直-交(Back-to-Back)的變換器。其中，逆變模組11選用三相變頻器，用於驅動作為負載12的電機。在此，逆變模組11不局限於三相變頻器，負載12也不局限為電機。由於其應用的前端三相整流模組10相對其他前端的整流模組具有開關元件少、結構和控制簡單的特點，使得整個應用系統承接此優點，且可應用於中高壓大功率場合。

以下內容再簡述一下上述所涉及到的三相整流模組實施例抑制諧波的方法。該三相整流模組抑制諧波的方法包括以下步驟：

步驟1：依據三相單向整流單元工作的開關頻率，設置LCL濾波單元中第一電感、容性支路中元件和第二電感的參數抑制三相單向整流單元的開關次諧波，獲得LCL濾波單元參數的第一參數值組合集；

步驟2：調整三相電源側的功率因數，獲得第一參數值組合集中每組參數值組合所對應的三相單相整流單元輸入的相電壓與相電流的相位差與功率因數的關係曲線；以及

步驟3：根據步驟2中的關係曲線，獲得功率因數大於等於預設值同時相位差的絕對值接近或等於預設閾值的LCL濾波單元第二參數值組合集，選取一組第二參數值組合作為LCL濾波單元參數以抑制三相單向整流單元的低次諧波。

在實際三相整流模組中，由於其前置濾波單元-LCL濾波單元有不同的設計方式，以下先以LCL濾波單元的容性支路僅包括第一電容為例進行說明。即LCL濾波單元由第一電感、第二電感和第一電容組成。

根據美國電氣和電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，簡稱IEEE-519)給出的用電設備對電網產生諧波污染的限制規定，三相整流模組對電網產生的諧波污染主要體現在電網電流的開關次諧波和低次諧波分量上。因此，LCL濾波單元必須能抑制三相整流模組工作在一定開關頻率下的開關次諧波，同時要抑制三相單向整流單元產生低次諧波。

步驟1：依據三相單向整流單元的工作頻率fs，設置第一電感Ls、第二電感Lr以及第一電容Cr的參數值達到抑制三相單向整流單元的開關次諧波的目的。為達到抑制三相單向整流單元工作頻率下產生的開關次諧波，所設計的LCL濾波單元參數必須在開關頻率處滿足以下公式(8)~公式(10)。其中，S=j2πfs，i1表示電網電流is基波相電流的峰值；iTHD_Limitn表示IEEE-519對電網電流is諧波限制的規定，其中，也包括了各個頻率段的諧波成分要求；Ur_n表示整流器側相電壓Ur的第N次諧波電壓峰值。

|20log|G _IsUr |||IL _Needed |　(10)

由上述公式可以看出，實際上有若干組第一電感Ls、第二電感Lr以及第一電容Cr的參數值滿足由公式(8)~公式(10)。因此，可以獲得LCL濾波單元參數的第一參數值組合集。

在其他三相整流模組的實施例中，LCL濾波單元的容性支路可增加一陷波電感，陷波電感與第一電容串聯。請參閱圖10，圖10為本發明優選實施例中的LCL濾波單元容性支路串有電感Lf的三相整流模組的控制方框圖。

請參閱在圖11，圖11為容性支路串有陷波電感的LCL濾波單元與容性支路未串有陷波電感的LCL濾波單元所形成的兩組對照波特圖。如圖所示，曲線1表示LCL中容性支路串了陷波電感Lf的波特圖，陷波電感Lf和電容Cr構成一個串聯諧振，在諧振頻率點fLC處構造了一個下陷的諧振峰，如果把諧振點fLC放在開關頻率點fs點附近，就能大大的衰減掉開關頻率處的諧波成分。相比曲線2所示在容性支路未串陷波電感Lf的LCL濾波單元，在達到同樣的開關頻率處諧波衰減目標時，曲線1所示的LCL濾波單元所用的電感量大大減小，從而達到了減小三相整流模組的體積以及節省成本的目的。

在另一三相整流模組的實施例中，LCL濾波單元的容性支路可增加一阻尼電阻，諧振電阻與第一電容串聯。請參閱圖12，圖12為容性支路串有阻尼電阻的LCL濾波單元與容性支路未串有阻尼電阻的LCL濾波單元所形成的兩組對照波特圖。曲線1表示LCL濾波單元中容性支路串有阻尼電阻R的波特圖，曲線2表示容性支路僅有第一電容的LCL濾波單元的波特圖。相比之下，電容支路串有阻尼電阻後的LCL濾波單元能很好地抑制諧振現象的產生。

在又一三相整流模組的實施例中，LCL濾波單元的容性支路包括陷波電感、阻尼電阻和第一電容，陷波電感、阻尼電阻和第一電容串聯。該實施例中LCL濾波單元可同時具有上述兩個LCL濾波單元實施例的優點。

上述三段內容描述的三個LCL濾波單元的實施例中，設置LCL濾波單元參數值抑制三相單向整流單元的開關次諧波時，若LCL濾波單元的容性支路有增加陷波電感，則利用公式(11)至公式(14)獲得LCL濾波單元參數的第一參數組合集即可，其中陷波電感Lf和電容Cr在開關頻率點處引入了一個下陷的諧振峰，其諧振頻率為fLC，S=j2πfs。

|20log|G _IsUr |||IL _Needed |　(14)

在另一三相整流模組抑制諧波方法的實施例中，步驟1中LCL濾波單元的參數設置方法會與上述描述的抑制諧波方法的實施例有所不同。當然，LCL濾波單元參數值也需要滿足公式(8)至公式(10)或者公式(11)至公式(14)視LCL濾波單元中容性支路的具體結構而定。在此，以LCL濾波單元中容性支路僅包括第一電容Cr為例，第二電感Lr基於以下原則選擇：由於流入三相整流模組輸入側的電流相ir具有較大的脈動，超出一定的波動範圍會使得開關管過熱，進而影響開關管的壽命。第二電感Lr上流過的電流就是相電流ir，第二電感Lr越大，相電流ir的脈動就越小。一般可根據三相單向整流單元所選的開關管來確定橋臂相電流ir的波動範圍，進而確定出第二電感Lr的值，而後根據公式(8)至公式(10)獲得第一電感Ls和第一電容Cr參數值的組合集，進而獲得LCL濾波單元參數次優化的第一參數值組合集。如以上三相整流模組實施例所述，第二電感Lr相對第一電感Ls靠近三相單向整流單元，因此在通常情況下，LCL濾波單元參數優化的第一參數值組合集中的第二電感Lr的值大於或等於第一電感Ls的值，有利於降低三相單向整流單元交流側的紋波電流。因此，從理論上講，在此實施例中獲得的LCL濾波單元參數次優化或者優化的第一參數值組合集應小於上述三相整流模組實施例中步驟1所得到的LCL濾波單元參數的第一參數值組合集。在此實施例中，為使得LCL濾波單元的電感值偏小化，在確定第二電感值Lr時，是根據三相單向整流單元所選的開關元件確定橋臂上相電流ir的波動範圍，而確定第二電感Lr的最小值，將此最小值作為第二電感Lr的參數值。

步驟2：

在步驟2中，調整三相電源側的功率因數，獲得第一參數值組合集中每組參數值組合所對應的三相單相整流單元輸入的相電壓與相電流的相位差與功率因數的關係曲線。請參閱圖13，圖13例舉了三組第一參數值組合對應的相位差與功率因數的關係曲線。曲線、曲線、曲線中LCL的第二電感Lr的值相同。曲線相對曲線和曲線第一電感Ls電感值最小，容性支路第一電容Cr電容值最大。曲線相對曲線和曲線中第一電感Ls值最大，容性支路第一電容Cr電容最小。曲線中第一電感Ls、容性支路第一電感Cr值均介於曲線和曲線之間。

步驟3：

接下來進行的步驟3為根據步驟2的關係曲線，獲得功率因數大於等於預設值同時又使相位差的絕對值接近或等於預設閾值的第二參數值組合集，然後，選取一組第二參數值組合作為LCL濾波單元參數以抑制三相單向整流單元的低次諧波。

通常為獲得更好的抑制低次諧波的效果，在步驟3中會進一步選取在功率因數大於等於預設值的情況下，相位差的絕對值可等於預設閾值作為第二參數值組合集。若不考慮LCL濾波單元的體積和成本因素，通常是在第二參數值組合集中選取在相位差等於預設閾值時，對應地功率因數最大的一組參數值組合。若考慮LCL濾波單元的體積，即對LCL濾波單元的電感參數有要求，則通常是在第二參數值組合集中選取一組電感值最小的參數組合。因此，對於LCL濾波單元中參數值的最後確認可依據應用壞境的設計要求而定，不局限上述例舉的情況。

為提高三相交流源側能量的利用率，同時為達到更好的抑制三相單向整流單元產生的低次諧波，以功率因數大於或等於0.95，相位差的絕對值接近或等於零為例結合圖13進行說明。請參閱圖13，圖13中三條曲線對應的LCL濾波單元的參數組合則滿足功率因數大於或等於0.95時，相位差可等於零，則該三條曲線對應的三組LCL濾波單元參數值的組合則屬於LCL濾波單元的第二參數組合集。若不考慮LCL濾波單元的體積和成本，則可選擇曲線對應LCL濾波單元參數值組合。若考慮LCL濾波單元的體積和成本，則可選擇曲線對應的LCL濾波單元參數值組合。

在上述描述的另一三相整流模組抑制諧波方法的實施例步驟1中，可根據三相單向整流單元所選的開關元件來確定橋臂相電流ir的波動範圍，進而確定出第二電感Lr的值，從而根據公式(8)至(10)進一步確定第一電感Ls和第一電容Cr的參數值的組合集，獲得LCL濾波單元參數次優化的第一參數值組合集。或者，進一步控制第一電感Ls的電感值小於或等於第二電感值Lr，獲得LCL濾波單元參數優化的第一參數值組合集。在此描述的抑制諧波方法的實施例步驟1中，無論是次優化的第一參數值組合集還是優化的第一參數值組合集，都有可能讓此實施例對應的步驟3中無法獲得滿足預設LCL濾波單元參數條件的一組第二參數值組合，或者步驟3無法獲得LCL濾波單元的第二參數值組合集。因此，此時需返回到步驟1中，重新調整第二電感Lr的值，進而獲得重新調整後的次優化的第一參數值組合集。為使LCL濾波單元電感值偏小化，以第二電感值Lr選取依據三相單向整流單元所選的開關元件確定橋臂上相電流ir的波動範圍可選的最小值為例進行進一步說明。對應地，步驟3中無法獲得滿足預設LCL濾波單元電感值條件的一組第二參數值組合，因此，需返回步驟1中，增大第二電感Lr的值，進而獲得重新調整後的優化的第一參數值組合集，針對調整後的第一參數值組合集進行後續的步驟2和步驟3。

以上所述的僅為本發明的優選實施例，所述實施例並非用以限制本發明的專利保護範圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發明的保護範圍內。

1．．．電網

2．．．三相PWM整流單元

21．．．三相單向整流單元

22．．．整流器控制單元

3、12．．．負載

10．．．三相整流模組

11．．．逆變模組

Cr．．．第一電容

ir．．．相電流

is．．．電網電流

L．．．電感

Lf．．．陷波電感

Ls．．．第一電感

Lr．．．第二電感

R．．．阻尼電阻

Udc1、Udc2．．．直流側電壓

Ur．．．相電壓

Us．．．電網側電壓

Δθ．．．相位角

、、、1、2．．．曲線

圖1為現有技術中基於電感L濾波的三相PWM整流器與電網連接的電路示意圖；

圖2為本發明基於LCL濾波的三相整流模組的控制方框圖；

圖3為本發明基於LCL型濾波的三相整流模組一優選實施例的具體電路圖；

圖4為本發明基於LCL型濾波的三相整流模組另一優選實施例的具體電路圖；

圖5為一般PWM整流器的交流側電壓以及流過整流器側電流的波形示意圖；

圖6為維也納整流器在交流側電壓與流過維也納整流器側電流之間具有相位差Δθ時帶來的維也納整流器交流側電壓畸變示意圖；

圖7為本發明實施例中的LCL濾波單元容性支路三種變形電路示意圖；

圖8為本發明優選實施例中採用的LCL濾波單元的單相等效電路模型；

圖9為本發明基於三相整流模組的交-直-交(Back-to-Back)變頻器的控制方框圖；

圖10為本發明優選實施例中的LCL濾波單元容性支路串有電感Lf的三相整流模組的控制方框圖；

圖11為本發明優選實施例中的電容支路串電感的LCL濾波單元與電容支路沒有串電感的LCL濾波單元所形成的兩組對照波特圖；

圖12為本發明優選實施例中的電容支路串有阻尼電阻的LCL濾波單元與電容支路沒有串阻尼電阻的LCL濾波單元所形成的兩組對照波特圖；以及

圖13為本發明實施例的三組LCL濾波單元的相位差Δθ與電網側功率因數之間對應關係的示意圖。

21．．．三相單向整流單元

22．．．整流器控制單元

Cr．．．第一電容

is．．．電網電流

Ls．．．第一電感

Lr．．．第二電感

Udc1、Udc2．．．直流側電壓

Us．．．電網側電壓

Claims (25)

1. 一種三相整流模組，與三相交流源側連接，其特徵在於，包括：一維也納整流器，其包括三組單相整流橋臂，在每組所述單相整流橋臂上包括至少一具有低開關頻率之開關元件；三組LCL濾波單元，每組所述LCL濾波單元包括：第一電感、第二電感以及容性支路，所述第一電感的一端和所述第二電感的一端串聯，所述容性支路至少包括第一電容，所述容性支路一端電連接於第一電感和第二電感之間，另一端與其他兩組的容性支路共接於一點；所述第一電感的另一端電連接於所述三相交流源側中的一相交流源側，所述第二電感的另一端電連接於一組所述單相整流橋臂；以及整流器控制單元，用於控制所述三相交流源側的功率因數小於一和所述維也納整流器直流側電壓；其中，所述三相交流源側的功率因數與所述LCL濾波單元匹配使得所述維也納整流器交流側輸入電壓和電流的相位差的絕對值接近或等於零。
2. 如申請專利範圍第1項所述的三相整流模組，其特徵在於，所述容性支路還包括一陷波電感，所述陷波電感與第一電容串聯電連接。
3. 如申請專利範圍第1項所述的三組整流模組，其特徵在於，所述容性支路還包括一阻尼電阻，所述阻尼電 阻與所述第一電容串聯電連接。
4. 如申請專利範圍第3項所述的三組整流模組，其特徵在於，所述容性支路還包括一陷波電感，所述陷波電感、所述阻尼電阻與所述第一電容串聯。
5. 如申請專利範圍第1項所述的三組整流模組，其特徵在於，所述第一電感小於或等於所述第二電感。
6. 如申請專利範圍第1項所述的三組整流模組，其特徵在於，所述三相交流源側的功率因數的預設值為大於或等於0.95。
7. 如申請專利範圍第1項所述的三組整流模組，其特徵在於，輸入至所述單相整流橋臂的相電流與相電壓的相位差絕對值等於預設閾值。
8. 如申請專利範圍第1項所述的三相整流模組，其特徵在於，所述三相交流源為電網。
9. 一種三相整流模組的應用系統，其特徵在於，包括：如申請專利範圍1項所述的三相整流模組，用於將交流轉換成直流；逆變模組，與所述三相整流模組電連接，用於將直流轉換成交流；以及與所述逆變模組電連接的負載。
10. 如申請專利範圍第9項所述的三相整流模組的應用系統，其特徵在於，所述三相整流模組的應用系統還包括電容輸出模組，用於暫存直流電壓，所述電容輸出模組電連接於所述三相整流模組與所述逆變模組之間。
11. 如申請專利範圍第9項所述的三相整流模組的應用系統，其特徵在於，所述三相整流模組的應用系統還包括一輸出LC濾波單元，所述輸出LC濾波單元電連接於所述負載與所述逆變模組之間。
12. 如申請專利範圍第9項所述的三相整流模組的應用系統，其特徵在於，所述逆變模組為三相變頻器。
13. 如申請專利範圍第9項所述的三相整流模組的應用系統，其特徵在於，所述負載為電機。
14. 一種三相整流模組的諧波抑制方法，該三相整流模組如申請專利範圍第1項所述，其特徵在於，所述方法包括：步驟1：依據所述三相單向整流單元工作的開關頻率，設置所述LCL濾波單元中第一電感、容性支路中元件和第二電感的參數抑制所述三相單向整流單元的開關次諧波，獲得LCL濾波單元參數的第一參數值組合集；步驟2：調整所述三相電源側的功率因數，獲得所述第一參數值組合集中每組參數值組合所對應的所述三相單相整流單元輸入的相電壓與相電流的相位差與功率因數的關係曲線；以及步驟3：根據步驟2的關係曲線，獲得功率因數大於等於預設值同時所述相位差的絕對值接近或等於所述預設閾值的第二參數值組合集，選取一組第二參數值組合作為所述LCL濾波單元參數以抑制所 述三相單向整流單元的低次諧波。
15. 如申請專利範圍第14項所述的三相整流模組的諧波抑制方法，其特徵在於，在所述容性支路中增加陷波電感，所述陷波電感元件與所述第一電容串聯。
16. 如申請專利範圍第14項所述的三相整流模組的諧波分量抑制方法，其特徵在於，在所述容性支路中增加阻尼電阻，所述阻尼電阻與所述第一電容串聯。
17. 如申請專利範圍第14項所述的三相整流模組的諧波抑制方法，其特徵在於，在所述容性支路中同時增加陷波電感和阻尼電阻，所述陷波電感、所述阻尼電阻與所述第一電感相互之間串聯。
18. 如申請專利範圍第14項所述的三相整流模組的諧波抑制方法，其特徵在於，所述步驟1可分為以下步驟：步驟1a：參考所述三相單向整流單元中開關元件的參數，選取與所述開關元件參數匹配的所述第一參數值組合中的第二電感值；以及步驟1b：基於選取的第二電感值，以及抑制所述三相單向整流單元工作的開關頻率下的開關次諧波條件，設置所述第一參數值組合中的第一電感、所述容性支路中元件的參數值。
19. 如申請專利範圍第18項所述的三相整流模組的諧波抑制方法，其特徵在於，所述步驟1a中為選取與所述開關元件參數匹配的最小第二電感值。
20. 如申請專利範圍第18項所述的三相整流模組的諧波 抑制方法，其特徵在於，所述步驟1b中設置所述第一電感小於或等於所述第二電感，獲得所述LCL濾波單元參數優化的第一參數值組合集。
21. 如申請專利範圍第18、19或20項所述的三相整流模組的諧波抑制方法，其特徵在於，若步驟1中選取第一參數值數值組合集中無法獲得步驟3中的一組第二參數值組合，需返回值步驟1中步驟1a，調整第二電感值，進行步驟1b中第一電感和/或所述容性支路中元件參數的重新設定。
22. 如申請專利範圍第14項所述的三相整流模組的諧波抑制方法，其特徵在於，步驟3中獲得功率因數大於等於預設值同時所述相位差的絕對值等於所述預設閾值的LCL濾波單元參數組合作為所述第二參數值組合集。
23. 如申請專利範圍第14或22項所述的三相整流模組的諧波抑制方法，其特徵在於，所述相位差的預設閾值為零。
24. 如申請專利範圍第14項所述的三相整流模組的諧波抑制方法，其特徵在於，所述功率因數的預設值為0.95。
25. 如申請專利範圍第14項所述的三相整流模組的諧波抑制方法，其特徵在於，所述步驟3中選取的一組第二參數組合為所述第二參數值組合集中電感值最小的第二參數組合。