专利名称：三相整流模组、其适用的系统及谐波抑制方法
技术领域：
本发明涉及一种电力电子技术中使用的有源整流装置，尤其涉及一种基于电 感-电容-电感(LCL)滤波的三相整流模组、其适用的系统及抑制整流系统中谐波的方法。
背景技术：
功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出 现了以脉宽调制(Pulse-width modulation,简称PWM)控制为基础的各类变流装置。具有 高功率因数和低输入电流畸变率(Total Harmonic Distortion，THD)的绿色无污染的有源 整流装置已广泛应用于电力电子技术领域中。
三相PWM整流器是目前市面上常见的一种三相整流器。三相PWM整流器由三个并 联的单相桥臂组成，每组单相桥臂上串接了大量的开关元件。当上下桥臂的开关元件同时 闭合时，会出现桥臂直通的现象，容易导致整流器元件的损伤。这种三相PWM整流器，开关 元件较多，结构复杂，而且价格通常也较高，常用在有能量回馈需求的场合。
三相PWM整流器中的开关元件在执行开关动作会产生开关次的谐波电压和电流， 对电网造成谐波污染。因此，三相PWM整流器消除谐波分量问题的研究同样引起了业界的 闻度关注。
为满足三相PWM整流器在工作时需要无源器件对能量进行存储的特性，同时减小 交流输电网侧电流在有源整流模组开关频率附近的谐波分量，需在三相PWM整流器与电网 之间串接一无源器件，用于滤波。
请参阅图1，图1为现有技术中基于电感L滤波单元的三相PWM整流单元与电网连 接的电路示意图。三相PWM整流单元通过电感L滤波单元与三相电网耦接,将三相电网上 具有固定工作频率的交流输入电压转换为直流输出电压。滤波单元中的电感L一方面作为 储能元件，使三相整流模组具有升压(Boost)的工作特性,另一方面电感L可对开关谐波起 到滤波作用。
当选择电感L为滤波单元时，在所有频率范围内对谐波都是以-20dB/Dec的速率 衰减，速率比较慢。然而，在大功率的应用场合，由于开关频率比较低，对谐波需要有比较快 的衰减速率，为了实现对开关谐波更好的滤波效果，要求增加电感值。众所周知，电感值的 增加，不仅会降低整个系统的响应时间，导致系统动态性能降低，且随着有源整流单元功率 的增加，电感L的体积和造价也随之迅速增加，这限制了其在大功率场合的应用。
因此，如何发展出一种能应用在中高压大功率场合，所用电感量小，同时开关元件 少，结构简单，无桥臂直通风险、价格较低的三相整流模组，实为目前迫切需要解决的课题。发明内容
本发明的目的在于，针对三相整流模组对无桥臂直通风险的需求，以及避免因开 关器件切换带来高次谐波和失控区带来低次谐波的产生，在中高压大功率场合，引入三相 单向整流单元以及LCL滤波单元代替传统的L型滤波单元来滤除谐波，通过设计LCL滤波单元的参数，实现在较少的电感量下满足高次谐波的衰减要求，且还能抑制三相单向整流 单元低次谐波的产生。
为实现上述目的，本发明三相整流模组的技术方案如下
一种三相整流模组，与三相交流源侧连接，其包括三相单向整流单元、三組LCL滤 波单元和用于控制三相交流源侧的功率因数大于或等于预设阈值和三相单向整流单元直 流侧电压的整流器控制单元。三相单向整流单元包括三组单相整流桥臂，三组单相整流桥 臂并联电连接，在每组单相整流桥臂上，至少串接了一个使桥臂电流具有单向性的换流二 极体；每组LCL滤波单元包括第一电感、第二电感以及容性支路，第一电感的一端和第二电 感的一端串联，容性支路至少包括第一电容，容性支路一端电连接于第一电感和第二电感 之间，另一端与其它两组的容性支路共接于一点；第一电感的另一端电连接于三相交流源 侧中的一相交流源侧，第二电感的另一端电连接于一组单相整流桥臂；其中，三相交流源侧 的功率因数与LCL滤波单元匹配使得三相单向整流单元交流侧输入电压和电流的相位差 的绝对值接近或等于预设阈值。
为实现上述目的，本发明三相整流模组应用系统的技术方案为
一种三相整流模组的应用系统，包括用于将交流转换成直流的三相整流模组、逆 变器以及与逆变器电连接的负载；该三相整流模组为上述技术方案中的任何一种三相整流 模组，逆变器与三相整流模组电连接，用于将直流转换成交流。
为实现上述目的，本发明三相整流模组抑制谐波的技术方案为
一种三相整流模组的谐波抑制方法，该方法包括
步骤1:依据三相单向整流单元工作的开关频率，设置LCL滤波单元中第一电感、 容性支路中元件和第二电感的参数抑制三相单向整流单元的开关次谐波，获得LCL滤波单 元参数的第一参数值组合集；
步骤2 :调整三相电源侧的功率因数，获得第一参数值组合集中每组参数值组合 所对应的三相单相整流单元输入的相电压与相电流的相位差与功率因数的关系曲线；
步骤3 :根据步骤2的关系曲线，获得功率因数大于等于预设值同时相位差接近或 等于预设阈值的第二参数值组合集，选取一组第二参数值组合作为LCL滤波单元参数以抑 制三相单向整流单元的低次谐波。
本发明的三相整流模组不仅具有良好的功率因数校正和直流电压控制能力外，还 具有结构简单、输入电流THD低、开关器件少、无桥臂直通风险、可靠性高等特点，非常适用 于对于要求体积小、成本低而无能量回馈需求的场合。本发明的LCL滤波单元对谐波是 以-60dB/dec的速率衰减，该速率为单电感L滤波单元对谐波衰减速率的三倍左右。因此， LCL滤波单元不仅在总电感量较小的条件下实现了相同的滤波效果，减小了滤波单元的体 积、降低了制造成本，且动态性能得到了较大的改善。
图1为现有技术中基于电感L滤波的三相PWM整流器与电网连接的电路示意图2为本发明基于LCL滤波的三相整流模组的控制方框图3为本发明基于LCL型滤波的三相整流模组一优选实施例的具体电路图4为本发明基于LCL型滤波的三相整流模组另一优选实施例的具体电路图5为一般PWM整流器的交流侧电压以及流过整流器侧电流的波形示意图6为维也纳整流器在交流侧电压与流过维也纳整流器侧电流之间具有相位差 Δ Θ时带来的维也纳整流器交流侧电压畸变示意图7为本发明实施例中的LCL滤波单元容性支路三种变形电路示意图8为本发明优选实施例中采用的LCL滤波单元的单相等效电路模型；
图9为本发明基于三相整流模组的交-直-交(Back-to-Back)变频器的控制方框图10为本发明优选实施例中的LCL滤波单元容性支路串有电感Lf的三相整流模组的控制方框图11为本发明优选实施例中的电容支路串电感的LCL滤波单元与电容支路没有串电感的LCL滤波单元所形成的两组对照波特图12为本发明优选实施例中的电容支路串有阻尼电阻的LCL滤波单元与电容支路没有串阻尼电阻的LCL滤波单元所形成的两组对照波特图13为本发明实施例的三组LCL滤波单元的相位差Λ Θ与电网侧功率因数之间对应关系的不意图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。
请参阅图2，图2为本发明基于LCL滤波的三相整流模组的控制方框图。如图所示，本发明实施例中三相整流模组与三相交流源侧连接，三相整流模组包括三组LCL滤波单元、三相单向整流单元以及整流器控制单元。三组LCL滤波单元电连接于三相单向整流单元与三相交流源侧之间。整流器控制单元控制三相交流源侧的功率因数，以及三相单向整流单元直流侧电压Udcl、Udc2。三相交流源可以是电网或者其他形式的交流源，以下描述仅是以三相交流源为电网为例。
三相单向整流单元包括三组单相整流桥臂。三组单相整流桥臂并联连接。在每组单相整流桥臂上，至少串接了一个使桥臂电流具有单向性的换流二极体。并且，单相整流桥臂上至少还包括一开关元件，以及控制各个单相整流桥臂上开关元件执行开关动作的控制器。须补充说明的是，于本发明内容中所提到的换流二极体是指在三相单向整流单元工作的开关频率下，若桥臂上的开关元件关断之后，负载电流全部转移流入的二极体为换流二极体。此外，因为换流二极体的存在限制了桥臂电流的方向性，即使同相桥臂有两个开关元件且两个开关元件同时开启或同时关闭亦不会发生直通现象，即不会影响有效开关元件的正常工作。三相单向整流单元与一般的PWM整流器相比，在控制上简单可靠，开关元件少， 结构简单。当此三相单向整流器应用于中高压大功率场合时，例如三相单向整流器电连接的三相交流源直接为中高压电网，其相对应用于中高压大功率场合的PWM整流器价格优势明显。
本发明实施例以三相整流模组应用于全波整流为例，且三相单向整流单元中单相整流上下桥臂至少各包含一个换流二极体。具有此典型结构的 三相单向整流单元以三相维也纳整流器为代表。请参阅图3和图4中的两种三相维也纳整流器具体结构示意图，维也纳整流器的开关元件的控制器未在图中示意出。
三相单向整流单元特性与一般的PWM整流器不同。在此以维也纳整流器与一般的 PWM整流器比较为例，请参阅图5和图6。图5为一般PWM整流器的交流侧电压以及流过此 PWM整流器侧电流的波形示意图。如图5所示，相电流ir相对于相电压Ur的波形超前一个相位角Λ Θ，在相位角Λ Θ期间，相电压Ur不受相电流ir的影响。图6为维也纳整流器在交流侧电压与流过维也纳整流器侧电流之间具有相位差Λ Θ时带来的维也纳整流器交流侧电压畸变示意图；在图6中，相电流ir相对于相电压Ur的波形仍然超前一个相位角
由于维也纳整流器中单相整流电路桥臂上换流二极体的存在，使其桥臂电流存在单向性，在此相位角△ Θ相差的范围内，维也纳整流器交流侧相电压Ur的方向主要取决于相电流ir方向，直到相电压Ur换向至与相电流ir同向。因此，相位差Λ Θ的相差区域可认为是维也纳整流器的“失控区”，此区域内的维也纳整流器电压会发生畸变。该畸变会导致在相电压Ur中含有大量的低次谐波。维也纳整流器交流侧电压的低次谐波增大最终导致电网电流的低次谐波相应增大，尤其针对中高压大功率场合，受器件特性影响，开关频率较低，这种失控区带来的谐波影响更加严重。
失控区是低次谐波产生的主要原因，失控区越大，低次谐波含量也越大。而三相单向整流单元交流侧电流与电压的相位差则可以通过前置滤波单元的参数得到补偿，使得相位差△ Θ最小，从而可以极大地降低低次谐波。因此，三相单向整流单元的前置滤波单元的设计则变得尤为重要。
本发明三相整流模组实施例中的前置滤波单元包括三组LCL滤波单元。每组LCL 滤波单元包括第一电感Ls、第二电感Lr以及容性支路。第一电感Ls的一端和第二电感Lr 的一端串联。容性支路至少包括第一电容Cr，容性支路一端电连接于第一电感Ls和第二电感Lr之间，另一端与其它两组的容性支路共接于一点。第一电感Ls的另一端电连接于三相交流源侧中的一相交流源侧，第二电感Lr的另一端电连接于一组单相整流桥臂。
为降低LCL滤波单元的电感值，同时更好的抑制三相单向整流单元的开关次谐波，在第二 LCL滤波单元实施例中，容性支路还可以包括一陷波电感，如图7中(I)所示，陷波电感Lf与第一电容Cr串联。
为了更好地抑制LCL滤波单元的谐振现象，在第三LCL滤波单元的实施例中，容性支路还包括阻尼电阻，如图7中(2)所示，阻尼电阻R与第一电容Cr串联。
在第四LCL滤波单元实施例中，容性支路可同时包括陷波电感、阻尼电阻，如图7 中(3)所示，陷波电感、阻尼电阻与第一电容串联。这样可以在起到抑制LCL滤波单元的谐振现象同时降低LCL滤波单元中的电感值，抑制三相单向整流单元的开关次谐波。
下面以LCL滤波单元中容性支路中仅包含第一电容作为三相单向整流单元前置滤波器为例进行进一步的描述。请参阅图8，图8为此LCL滤波单元实施例的单相等效电路示意图。其中，设PF代表交流源侧的功率因数，可列出方程组(1)_(6)。
权利要求
1.一种三相整流模组，与三相交流源侧连接，其特征在于，包括 三相单向整流单元，其包括三组单相整流桥臂，所述三组单相整流桥臂并联电连接，在每组所述单相整流桥臂上，至少串接了一个使桥臂电流具有单向性的换流二极体；以及 三组LCL滤波单元，每组所述LCL滤波单元包括第一电感、第二电感以及容性支路，所述第一电感的一端和所述第二电感的一端串联，所述容性支路至少包括第一电容，所述容性支路一端电连接于第一电感和第二电感之间，另一端与其它两组的容性支路共接于一点；所述第一电感的另一端电连接于所述三相交流源侧中的一相交流源侧，所述第二电感的另一端电连接于一组所述单相整流桥臂；以及 整流器控制单元，用于控制所述三相交流源侧的功率因数大于或等于预设值和所述三相单向整流单元直流侧电压； 其中，所述三相交流源侧的功率因数与所述LCL滤波单元匹配使得所述三相单向整流单元交流侧输入电压和电流的相位差的绝对值接近或等于预设阈值。
2.根据权利要求1所述的三相整流模组，其特征在于，所述容性支路还包括一陷波电感，所述陷波电感与第一电容串联电连接。
3.根据权利要求1所述的三组整流模组，其特征在于，所述容性支路还包括一阻尼电阻，所述阻尼电阻与所述第一电容串联电连接。
4.根据权利要求3所述的三组整流模组，其特征在于，所述容性支路还包括一陷波电感，所述陷波电感、所述阻尼电阻与所述第一电容串联。
5.根据权利要求1所述的三组整流模组，其特征在于，所述第一电感小于或等于所述第二电感。
6.根据权利要求1所述的三组整流模组，其特征在于，所述三相交流源侧的功率因数的预设值为O. 95。
7.根据权利要求1所述的三组整流模组，其特征在于，输入至所述单相整流桥臂的相电流与相电压的相位差绝对值等于预设阈值。
8.根据权利要求1或7所述的三相整流模组，其特征在于，输入至所述单相整流桥臂的相电压与相电流相位差的预设阈值为O度。
9.根据权利要求1所述的三相整流模组，其特征在于，所述三相交流源为电网。
10.根据权利要求1至7和9中任意一个所述的三相整流模组，其特征在于，所述三相单向整流单元的单相整流桥臂上至少包含两个换流二极体。
11.根据权利要求10所述的三相整流模组，其特征在于，所述三相单向整流单元为维也纳整流器。
12.—种三相整流模组的应用系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的三相整流模组，用于将交流转换成直流；逆变模组，与所述三相整流模组电连接，用于将直流转换成交流；以及与所述逆变模组电连接的负载。
13.根据权利要求12所述的三相整流模组的应用系统，其特征在于，所述三相整流模组的应用系统还包括电容输出模块，用于暂存直流电压，所述电容输出模块电连接于所述三相整流模组与所述逆变模组之间。
14.根据权利要求12所述的三相整流模组的应用系统，其特征在于，所述三相整流模组的应用系统还包括一输出LC滤波单元，所述输出LC滤波单元电连接于所述负载与所述逆变模组之间。
15.根据权利要求12所述的三相整流模组的应用系统，其特征在于，所述逆变模组为三相变频器。
16.根据权利要求12所述的三相整流模组的应用系统，其特征在于，所述负载为电机。
17.—种如权利I所述三相整流模组的谐波抑制方法，其特征在于，所述方法包括 步骤1:依据所述三相单向整流单元工作的开关频率，设置所述LCL滤波单元中第一电感、容性支路中元件和第二电感的参数抑制所述三相单向整流单元的开关次谐波，获得LCL滤波单元参数的第一参数值组合集； 步骤2 :调整所述三相电源侧的功率因数，获得所述第一参数值组合集中每组参数值组合所对应的所述三相单相整流单元输入的相电压与相电流的相位差与功率因数的关系曲线； 步骤3 :根据步骤2的关系曲线，获得功率因数大于等于预设值同时所述相位差的绝对值接近或等于所述预设阈值的第二参数值组合集，选取一组第二参数值组合作为所述LCL滤波单元参数以抑制所述三相单向整流单元的低次谐波。
18.根据权利要求17所述的三相整流模组的谐波抑制方法，其特征在于，在所述容性支路中增加陷波电感，所述陷波电感元件与所述第一电容串联。
19.根据权利要求17所述的三相整流模组的谐波分量抑制方法，其特征在于，在所述容性支路中增加阻尼电阻，所述阻尼电阻与所述第一电容串联。
20.根据权利要求17所述的三相整流模组的谐波抑制方法，其特征在于，在所述容性支路中同时增加陷波电感和阻尼电阻，所述陷波电感、所述阻尼电阻与所述第一电感相互之间串联。
21.根据权利要求17至20任一所述的三相整流模组的谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤I可分为以下步骤 步骤1a :参考所述三相单向整流单元中开关元件的参数，选取与所述开关元件参数匹配的所述第一参数值组合中的第二电感值； 步骤1b :基于选取的第二电感值，以及抑制所述三相单向整流单元工作的开关频率下的开关次谐波条件，设置所述第一参数值组合中的第一电感、所述容性支路中元件的参数值。
22.根据权利要求21所述的三相整流模组的谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤Ia中为选取与所述开关元件参数匹配的最小第二电感值。
23.根据权利要求21所述的三相整流模组的谐波分量抑制方法，其特征在于，所述步骤Ib中设置所述第一电感小于或等于所述第二电感，获得所述LCL滤波单元参数优化的第一参数值组合集。
24.根据权利要求21、22或23所述的三相整流模组的谐波抑制方法，其特征在于，若步骤1中选取第一参数值数值组合集中无法获得步骤3中的一组第二参数值组合，需返回值步骤1中步骤la，调整第二电感值，进行步骤Ib中第一电感和/或所述容性支路中元件参数的重新设定。
25.根据权利要求17所述的三相整流模组的谐波抑制方法，其特征在于，步骤3中获得功率因数大于等于预设值同时所述相位差的绝对值等于所述预设阈值的LCL滤波单元参数组合作为所述第二参数值组合集。
26.根据权利要求17或25所述的三相整流模组的谐波抑制方法，其特征在于，所述相位差的预设阈值为零。
27.根据权利要求17所述的三相整流模组的谐波抑制方法，其特征在于，所述功率因数的预设值为O. 95。
28.根据权利要求17所述的三相整流模组的谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤3中选取的一组第二参数组合为所述第二参数值组合集中电感值最小的第二参数组合。
全文摘要
一种三相整流模组、其适用的系统及谐波抑制方法，该模组包括LCL滤波单元、与其耦接的三相单向整流单元和用于控制该三相交流源侧的功率因数和三相单向整流单元直流侧电压的整流器控制单元；该三相单向整流单元在其每组单相整流支路的桥臂上，串接了一个使其具有电流单向性的换流二极体。其中，三相交流源侧的功率因数与LCL滤波单元匹配使得三相单向整流单元交流侧输入电压和电流的相差位绝对值接近或等于预设阈值。因此，本发明不仅具有良好的功率因数校正和直流电压控制能力外，还具有结构简单、输入电流THD低、开关器件少、无桥臂直通风险、滤波单元体积小及可靠性高等特点，尤其适合应用在无需能量回馈的大功率场合。
文档编号H02P27/06GK103036461SQ20111029539
公开日2013年4月10日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者蒲波宇, 周锦平, 张怡, 陈伟 申请人:台达电子企业管理(上海)有限公司