技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力电子领域，特别地，涉及一种中点自平衡三电平整流系统。
背景技术
[0002] 整流系统一般由三部分组成，
变压器、
滤波器和
整流器。当整流系统容量较小，并且进线
电压满足整流系统的匹配要求时，变压器可以省略。由于整流器大多由非线性
开关器件组成，因此不可避免的会带来谐波，为了减少对
电网的谐波污染，通常都需要根据整流器配置对应的滤波器。整流器从原理来看，可分为不可控整流，半可控整流和全控整流三类。
[0003] 不可控整流由
二极管构成，靠各相电压之间的自然换相效应来实现整流目的。半可控整流由晶闸管构成，亦称为相控整流，通过控制导通的
相位时间来完成调节整流输出，三电平直流电压可以在[0～1.35*进线电压]的范围内进行调节(半可控整流为6脉冲整流时)。全控整流由全可控管(CMOS或IGBT)构成，通过调节产生的PWM调制波的幅值与相位来达到整流的目的。全控整流可以一般可以在[1.35*进线电压～器件电压等级]范围内实现调节，其有功功率与无功功能都能方便控制，是比较优越的一种整流模式。
[0004] 整流器是基于逆变器结构上的特殊应用，其
硬件结构与逆变器基本一致，但是具有特殊配置的应用程序。对于三电平逆变器而言，主要有两种拓扑结构，二极管钳位式与飞跨电容式。
[0005] 飞跨电容式拓扑结构，如图1所示，最早由T.A.Meynard和H.Foch提出。引入悬浮的电容来替换
钳位二极管，通过灵活配置开关组合，平衡电容压差，达到
母线平衡的目的。这种拓扑结构具有独特的优点：由于存在的开关组合，因此可以用这些组合来平衡钳位电容电压平衡问题。但是缺点也很明显：此结构中大量使用了电容，但是电容是一个可靠性差、寿命短的器件，而且体积也很大；开关的选择的
自由度比较大，调制策略相对复杂。
[0006] 中点钳位拓扑结构，如图2所示，又称为二极管钳位，最早由长冈科技大学学者Nabae等人提出。它以跨接在每相桥臂上的两个
串联二极管进行钳位。二极管钳位拓扑结构可以双向控制功率流，很方便的控制功率因数。对于整流器而言，主要功能是提供一个稳定的直流电源，供逆变器调制使用。在控制
算法上，主要有间接
电流控制与直流电流控制两类。两者都是控制注入到直流侧的电容电流来实现控制三电平直流电压的目的，其中：
[0007] 间接电流控制中，整流器交流电流并不参与到控制运算中，通过自身控制的电压与电网电压的差值实现控制三电平直流电压的目的。间接电流控制算法实现简单，但是动态响应较差。
[0008] 直接电流控制中，整流器的电流参与到控制中，控制上更直接有效，因此相比于间接电流控制而言，有着优越的动态性能。
[0009] 三电平整流虽然只是比两电平整流多了一个电平，但是引入了一个不可避免的问题，两段三电平直流电压的平衡问题。因此三电平整流器不仅需要为逆变器提供一个稳定可靠的直流电源，而且还需要保证两段
直流母线的平衡性。
[0010] 三电平整流在应用中目前主要有两种方式，双
控制器和单控制器，其中：
[0011] 双控制器，顾名思义，由两个两电平整流控器串联构成，如图3所示，每个整流器负责稳定一段直流，从而达到平衡电流的效果。由于采用两个整流器构成，系统的集成度不高，并且实现成本也会较大。而且为了实现两整流器的串联，两个整流器之间是电气隔离的，通常是采用双副边绕组的变压器来实现，这也将影响实现成本。
[0012] 单控制器方法中，三电平整流器由一个控制器构成，一般采用特殊设计的开关控制策略，与飞跨电容式逆变器相似，由不同的开关组合来平衡两段直流的电压。单控制器方法集成度高，但是在实现时需要制定详细的开关规则，实现难度偏高。
[0013] 因此，现有三电平整流器存在的硬件造价高或
软件调制复杂，是一件亟待解决的技术问题。
发明内容
[0014] 本发明提供了一种中点自平衡三电平整流系统，以解决现有三电平整流器存在的硬件造价高或软件调制复杂的技术问题。
[0015] 本发明采用的技术方案如下：
[0016] 本发明提供一种中点自平衡三电平整流系统，包括变压器、滤波器、三电平整流器，其中，
[0017] 变压器，用于在副边绕组中采用星形接法，将电网电压转换成三相四线交流电压；
[0018] 滤波器，连接于变压器和三电平整流器之间，用于平衡三电平中点电压，并滤除来源于三电平整流器中的谐波分量，以减少对电网的谐波污染；
[0019] 三电平整流器，与滤波器相连，用于将滤波器滤除谐波分量的三相四线交流电压转变成可调节的稳定平衡的三电平直流电压。
[0020] 进一步地，三电平整流器包括整流器和整流控制器，
[0021] 整流器，与滤波器相连，用于将滤波器滤除谐波分量的三相四线交流电压转变为三电平直流电压；
[0022] 整流控制器，与整流器相连，用于控制整流器输出预设的PWM
波形；还用于根据母线电压来调制输出的PWM波形，使整流器输出的三电平直流电压稳定在设定的电压
阈值内。
[0023] 进一步地，中点自平衡三电平整流系统还包括三电平直流电压
采样模
块，[0024] 三电平直流电压采样模块，与整流器的输出端相连，用于采集整流器输出的三电平直流电压；
[0025] 整流控制器包括调制控
制模块和电压
控制模块，
[0026] 调制控制模块，与整流器相连，用于生成PWM调制
信号，控制整流器产生预期的电压调制信号；
[0027] 电压控制模块，与三电平直流电压采样模块相连，用于对三电平直流电压采样模块采集的三电平直流电压进行闭环控制，使整流器输出的三电平直流电压收敛于设定的电压阈值内。
[0028] 进一步地，调制控制模块包括相位调制控制单元和幅值调制控制单元，[0029] 相位调制控制单元，与整流器相连，用于控制整流器的调制电压相位滞后于电网电压相位，使有功
能量从电网涌入整流器，让整流器输出的三电平直流电压得以抬升；或控制整流器的调制电压相位超前于电网电压相位，使有功能量从整流器涌出至电网让整流器输出的三电平直流电压得以下降；
[0030] 幅值调制控制单元，与整流器相连，用于控制整流器的调制电压幅值小于电网电压幅值，使无功能量从电网涌入整流器，让整流器对外呈感性；或控制整流器的调制电压幅值大于电网电压幅值，使无功能量从整流器涌出至电网，让整流器对外呈容性。
[0031] 进一步地，中点自平衡三电平整流系统还包括交流电流采样模块，
[0032] 交流电流采样模块，与变压器的输出端相连，用于采集变压器输出的
三相电流；
[0033] 整流控制器还包括电流解耦模块和电流控制模块，
[0034] 电流解耦模块，与交流电流采样模块相连，用于对交流电流采样模块采集的三相电流进行解耦，得到有功
直流分量和无功直流分量；
[0035] 电流控制模块，与电流解耦模块相连，用于对电流解耦模块解耦得到的有功直流分量和无功直流分量进行闭环控制，使有功直流分量和无功直流分量收敛于设定的电流阈值内。
[0036] 进一步地，电流解耦模块包括等幅值克拉克变换单元和等功率帕克变换单元，[0037] 等幅值克拉克变换单元，与交流电流采样模块相连，用于采用等幅值克拉克变换，对交流电流采样模块采集的三相电流转
化成两相旋转电流；
[0038] 等功率帕克变换单元，与等幅值克拉克变换单元相连，用于采用等功率帕克变换，将两相旋转电流转化成有功直流分量和无功直流分量。
[0039] 进一步地，电流控制模块包括有功电流控制单元和
无功电流控制单元，[0040] 有功电流控制单元，与等功率帕克变换单元相连，用于对等功率帕克变换单元转化的有功直流分量进行控制，以输出稳定的有功电流；
[0041] 无功电流控制单元，与等功率帕克变换单元相连，用于对等功率帕克变换单元转化的无功直流分量进行控制，以输出稳定的无功电流。
[0042] 进一步地，整流控制器还包括故障保护模块，
[0043] 故障保护模块，与整流器相连，用于监测整流器的运行信息，并与预设的故障保护值进行比对，以在故障发生时及时封
锁脉冲，保护设备。
[0044] 进一步地，三电平整流器采用四线制进线，输出三电平PWM波形，其中，四线制进线包括A相线、B相线、C相线和中性线。
[0045] 进一步地，中点自平衡三电平整流系统还包括三电平逆变器，
[0046] 三电平逆变器，与三电平整流器相连，用于将三电平整流器输出的三电平PWM波形转换成三电平
正弦波形。
[0047] 本发明具有以下有益效果：
[0048] 本发明提供的中点自平衡三电平整流系统，采用变压器、滤波器和三电平整流器，通过相互配合输出平衡稳定的三电平直流电压，结构简单、实现容易、成本优越。相较于一般三电平整流器而言，本发明提供的中点自平衡三电平整流系统，不需要复杂的开关规划策略就能完成三电平中点电压平衡，系统鲁棒性好、调试使用方便、适用于各种工况；而且实现成本低，与一般三电平整流器造价相当。
[0049] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0050] 构成本
申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性
实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0051] 图1是现有飞跨电容式拓扑结构的三电平逆变器的
电路示意图；
[0052] 图2是现有中点钳位拓扑结构的三电平逆变器的电路示意图；
[0053] 图3是现有三电平整流采用双控制器的电路示意图；
[0054] 图4是本发明中点自平衡三电平整流系统第一优选实施例的结构
框图；
[0055] 图5是本发明中点自平衡三电平整流系统第二优选实施例的结构框图；
[0056] 图6是本发明中点自平衡三电平整流系统第三优选实施例的结构框图；
[0057] 图7是本发明中点自平衡三电平整流系统第四优选实施例的结构框图；
[0058] 图8是现有两电平整流器输出的PWM波形示意图；
[0059] 图9是本发明中点自平衡三电平整流系统中三电平整流器输出的PWM波形示意图。
[0060] 附图标号说明：
[0061] 10、变压器；20、滤波器；30、三电平整流器；31、整流器；32、整流控制器；40、三电平直流电压采样模块；321、调制控制模块；322、电压控制模块；3211、相位调制控制单元；3212、幅值调制控制单元；50、交流电流采样模块；323、电流解耦模块；324、电流控制模块；
3231、等幅值克拉克变换单元；3232、等功率帕克变换单元；3241、有功电流控制单元；3242、无功电流控制单元；325、故障保护模块；60、三电平逆变器。
具体实施方式
[0062] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0063] 参照图4，本发明的优选实施例提供了一种中点自平衡三电平整流系统，包括变压器10、滤波器20、三电平整流器30，其中，变压器10，用于在副边绕组中采用星形接法，将电网电压转换成三相四线交流电压；滤波器20，连接于变压器10和三电平整流器30之间，用于平衡三电平中点电压，并滤除来源于三电平整流器30中的谐波分量，以减少对电网的谐波污染；三电平整流器30，与滤波器20相连，用于将滤波器20滤除谐波分量的三相四线交流电压转变成可调节的稳定平衡的三电平直流电压。其中，请见图4，变压器10主要用于电压匹配的转化，副边绕组采用星形接法，输出为四线制出线，其阻抗需要根据整流器30来特别设计。滤波器20是为了滤除三电平整流器30运行时产生的谐波，减少对电网的谐波污染，需要配合三电平整流器30进行相应设计。三电平整流器30为交流转变为直流的设备，是整流系统中的核心设备。在本实施例中，三电平整流器30采用四线制进线，分别为A相线、B相线、C相线和中性线，三电平整流器30每一相中均有四个IGBT全控型器件，每一相中均有两个串联而成的钳位二极管及分别与四个IGBT全控型器件反并联的
续流二极管，A相线、B相线、C相线和中性线分别连接于串联而成的两个钳位二极管之间，通过控制IGBT的导通或关闭来实现调制的过程，三电平整流器30的中间电位被嵌制在DC0电位。
[0064] 整流器30在工作时，可以认为是一个可控电压源，其输出的电压幅值与相位都可以灵活调整。当三电平整流器30与电网相连时，通过合理的控制三电平整流器30的调制幅值与相位，就能控制好注入三电平整流器30的有功电流或无功电流，从而实现交流转直流的功能。
[0065] 本实施例提供的中点自平衡三电平整流系统，采用变压器、滤波器和三电平整流器，通过相互配合输出平衡稳定的三电平直流电压，结构简单、实现容易、成本优越。相较于一般三电平整流器而言，本实施例提供的中点自平衡三电平整流系统，不需要复杂的开关规划策略就能完成三电平中点电压平衡，系统鲁棒性好、调试使用方便、适用于各种工况；而且实现成本低，与一般三电平整流器造价相当。
[0066] 优选地，如图5所示，本实施例提供的中点自平衡三电平整流系统，三电平整流器30包括整流器31和整流控制器32，整流器31，与滤波器20相连，用于将滤波器20滤除谐波分量的三相四线交流电压转变为三电平直流电压；整流控制器32，与整流器31相连，用于控制整流器31输出预设的PWM波形；还用于根据母线电压来调制输出的PWM波形，使整流器31输出的三电平直流电压稳定在设定的电压阈值内。其中，整流器31为二极管钳位式三电平可控整流器，是将交流变换成直流的电力功率器件。整流器31的直流
中性点采用高阻接地方式，降低了系统的绝缘等级，也能有效地抑制接地
故障电流。
[0067] 优选地，如图6所示，本实施例提供的中点自平衡三电平整流系统，还包括三电平直流电压采样模块40，三电平直流电压采样模块40，与整流器31的输出端相连，用于采集整流器31输出的三电平直流电压；整流控制器32包括调制控制模块321和电压控制模块322，调制控制模块321，与整流器31相连，用于生成PWM调制信号，控制整流器31产生预期的电压调制信号。电压控制模块322，与三电平直流电压采样模块40相连，用于对三电平直流电压采样模块40采集的三电平直流电压进行闭环控制，使整流器31输出的三电平直流电压收敛于设定的电压阈值内。
[0068] 本实施例提供的中点自平衡三电平整流系统，采用调制控制模块和电压控制模块，电压控制模块对三电平直流电压采样模块采集的三电平直流电压进行闭环控制，使整流器输出的三电平直流电压收敛于设定的电压阈值内；调制控制模块生成PWM调制信号，控制整流器31产生预期的电压调制信号，从而使整流器输出平衡稳定的三电平直流电压。本实施例提供的中点自平衡三电平整流系统，结构简单、实现容易、成本优越。相较于一般三电平整流器而言，不需要复杂的开关规划策略就能实现中点电压平衡，系统鲁棒性好、调试使用方便、适用于各种工况；而且实现成本低，与一般三电平整流器造价相当。
[0069] 优选地，如图6所示，本实施例提供的中点自平衡三电平整流系统，整流器31为相电压调制整流器。不同于一般的整流器，本实施例中的整流器31进线采用四线制，由于引入了中线，整流器31的调制采用的是相电压调制方式。具体地，调制控制模块321包括相位调制控制单元3211和幅值调制控制单元3212，相位调制控制单元3211，与整流器31相连，用于控制整流器31的调制电压相位滞后于电网电压相位，使有功能量从电网涌入整流器31，让整流器31输出的三电平直流电压得以抬升；或控制整流器31的调制电压相位超前于电网电压相位，使有功能量从整流器31涌出至电网让整流器31输出的三电平直流电压得以下降；幅值调制控制单元3212，与整流器31相连，用于控制整流器31的调制电压幅值小于电网电压幅值，使无功能量从电网涌入整流器31，让整流器31对外呈感性；或控制整流器31的调制电压幅值大于电网电压幅值，使无功能量从整流器31涌出至电网，让整流器31对外呈容性。
[0070] 在本实施例中，通过整流控制器合理的控制整流器调制电压的幅值与相位，就能灵活的调制直流电压值，甚至能对电网补偿部分
无功功率。
[0071] 优选地，如图6所示，本实施例提供的中点自平衡三电平整流系统，还包括交流电流采样模块50交流电流采样模块50，与变压器10的输出端相连，用于采集变压器10输出的三相电流；整流控制器32还包括电流解耦模块323和电流控制模块324，电流解耦模块323，与交流电流采样模块50相连，用于对交流电流采样模块50采集的三相电流进行解耦，得到有功直流分量和无功直流分量；电流控制模块324，与电流解耦模块323相连，用于对电流解耦模块323解耦得到的有功直流分量和无功直流分量进行闭环控制，使有功直流分量和无功直流分量收敛于设定的电流阈值内。具体地，电流解耦模块323包括等幅值克拉克变换单元3231和等功率帕克变换单元3232，等幅值克拉克变换单元3231，与交流电流采样模块50相连，用于采用Clarke(等幅值克拉克)变换，对交流电流采样模块50采集的三相电流转化成两相旋转电流；等功率帕克变换单元3232，与等幅值克拉克变换单元3231相连，用于采用Park(等功率帕克)变换，将两相旋转电流转化成有功直流分量和无功直流分量。电流控制模块324包括有功电流控制单元3241和无功电流控制单元3242，有功电流控制单元3241，与等功率帕克变换单元3232相连，用于对等功率帕克变换单元3232转化的有功直流分量进行控制，以输出稳定的有功电流；无功电流控制单元3242，与等功率帕克变换单元3232相连，用于对等功率帕克变换单元3232转化的无功直流分量进行控制，以输出稳定的无功电流。
[0072] 本实施例提供的中点自平衡三电平整流系统，如图6所示，其工作原理如下所示：
[0073] 整流控制器32根据母线电压和进线电流，控制整流器31使其稳定工作，提供可靠的直流电源。三电平直流电压采样模块40采集整流器31输出的三电平直流电压；电压控制模块322将三电平直流电压采样模块40采集的三电平直流电压与预设的设定的电压阈值进行比较，若采集的三电平直流电压小于设定的电压阈值，则控制调制控制模块321调整输出的幅值与相位，并使有功电流控制单元3241进入到整流器31的有功电流增加，进而直流电压会往上提升。同时，使无功电流控制单元3242的无功电流稳定在设定值。
[0074] 优选地，如图6所示，本实施例提供的中点自平衡三电平整流系统，整流控制器32还包括故障保护模块325，故障保护模块325，与整流器31相连，用于监测整流器31的运行信息，并与预设的故障保护值进行比对，以在故障发生时及时封锁脉冲，保护设备。故障保护模块325具有各种保护功能，如过压、过流和过温保护等。
[0075] 本实施例提供的中点自平衡三电平整流系统，通过故障保护模块监测整流器的运行信息，并与预设的故障保护值进行比对，以在故障发生时及时封锁脉冲，保护设备，从而提高了设备的安全性。
[0076] 优选地，如图7所示，本实施例提供的中点自平衡三电平整流系统，三电平整流器30采用四线制进线，输出三电平PWM波形，其中，四线制进线包括A相线、B相线、C相线和中性线。中点自平衡三电平整流系统还包括三电平逆变器60，三电平逆变器60，与三电平整流器
30相连，用于将三电平整流器30输出的三电平PWM波形转换成三电平正弦波形。
[0077] 本实施例提供的中点自平衡三电平整流系统，相较于两电平整流器而言，三电平整流器30多了一个电平，波形
质量更优。如图8和图9所示，展示了在同等条件下，两电平整流器与三电平整流器30输出的PWM波形。可以看到，三电平整流器30输出的PWM波形中的调制电压阶梯化更多，更趋近于正弦波，能获得更优异的波形质量。
[0078] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
