[发明专利]中点自平衡三电平整流系统

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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：

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。

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。

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

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。

本发明采用的技术方案如下：

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，

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；

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；

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。

进一步地，三电平整流器包括整流器和整流控制器，