混合有源三次谐波注入矩阵变换器的注入电流控制装置

1.本发明涉及混合有源三次谐波注入矩阵变换器领域，尤其是一种混合有源三次谐波注入矩阵变换器的注入电流控制装置。


背景技术：

2.矩阵变换器(mc)是一种无需大容量储能元件的ac
‑
ac功率变换器，具有体积小、重量轻、可靠性高、能量可双向流动和正弦化输入输出等优点，在世界范围内被广泛研究。双级式矩阵变换器是矩阵变换器的一种子类，具有箝位电路简单、换流控制策略容易实现等优点，但是存在输入功率因数角控制范围小、无功功率控制能力弱的局限性。
3.在这样的背景下，混合有源三次谐波注入矩阵变换器(h3imc)被研究人员提出，请参考图1所示的拓扑结构。h3imc也无需大容量储能元件，继承了双级式矩阵变换器的大部分优点，但h3imc包含的谐波电流注入电路能够向输入侧注入期望的无功功率，这使其在理论上突破了传统mc无功功率控制能力弱的局限性，更适用于起动发电、柔性交流输电等一些需要功率变换器输入侧提供一定无功功率的场合。
4.在h3imc中，注入电流分i
y
为有功分量和无功分量两部分，在输入侧非单位功率因数运行时，注入电流无功分量在扇区切换处存在突变，从而导致注入电流参考值i
y*
存在突变。而实际的注入电流为电感电流，不能发生突变，注入电流存在失控现象，如附图2所示。注入电流失控会造成电源电流畸变，当输入滤波器阻尼不足时，甚至会造成输入侧震荡失稳，影响系统安全运行。


技术实现要素：

5.本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种混合有源三次谐波注入矩阵变换器的注入电流控制装置，本发明的技术方案如下：
6.一种混合有源三次谐波注入矩阵变换器的注入电流控制装置，混合有源三次谐波注入矩阵变换器包括三相交流电源、电压选择器、电流型逆变器和三相交流负载，三相交流电源连接在电压选择器的三相输入端，电压选择器的最大相x端连接电流型逆变器的第一直流端p，电压选择器的最小相z端连接电流型逆变器的第二直流端n，三相交流负载连接电流型逆变器的交流输出端；该注入电流控制装置包括有功分量注入电路和无功分量控制电路：
7.有功分量注入电路跨接在电压选择器的x端和z端之间并连接电压选择器的y桥臂端，无功分量控制电路包括无功分量控制桥臂和路径选择电路，无功分量控制桥臂跨接在电压选择器的x端和z端之间并通过路径选择电路连接电压选择器的y桥臂端；
8.混合有源三次谐波注入矩阵变换器在非单位功率因数运行时，按照注入电流的有功分量控制有功分量注入电路，按照注入电流的无功分量的绝对值控制无功分量控制桥臂、并按照无功分量的正负情况控制路径选择电路形成相应的无功分量的流通路径。
9.其进一步的技术方案为，路径选择电路包括无功分量滤波电感l
q
和四个控制开关
q1、q2、q3、q4，无功分量滤波电感l
q
的第一端连接控制开关q2和控制开关q3，无功分量滤波电感l
q
的第二端连接控制开关q1和控制开关q4，控制开关q2的另一端与控制开关q1的另一端相连并连接至无功分量控制桥臂，控制开关q3的另一端与控制开关q4的另一端相连并连接至电压选择器的y桥臂端；通过控制四个控制开关q1、q2、q3、q4的导通状态调整无功分量的流通路径。
10.其进一步的技术方案为，当注入电流的无功分量为正时，q1和q3导通、q2和q4关断；当注入电流的无功分量为负时，q1和q3关断、q2和q4导通。
11.其进一步的技术方案为，路径选择电路中的四个控制开关q1、q2、q3、q4均由不含反并二极管的全控型器件实现，q1的发射极用于连接无功分量滤波电感l
q
、集电极用于连接无功分量控制桥臂，q2的发射极用于连接无功分量控制桥臂、集电极用于连接无功分量滤波电感l
q
，q3的发射极用于连接电压选择器的y桥臂端、集电极用于连接无功分量滤波电感l
q
，q4的发射极用于连接无功分量滤波电感l
q
、集电极用于连接电压选择器的y桥臂端。
12.其进一步的技术方案为，无功分量控制桥臂包括无功上桥臂开关s
yqp
和无功下桥臂开关s
yqn
，s
yqp
和s
yqn
均由含反并二极管的全控型器件实现，无功上桥臂开关s
yqp
的集电极连接电压选择器的x端、发射极连接无功下桥臂开关s
yqn
的集电极，无功下桥臂开关s
yqn
的发射极连接电压选择器的z端，无功分量控制桥臂通过s
yqp
和s
yqn
的公共端连接路径选择电路。
13.其进一步的技术方案为，设置无功分量滤波电感l
q
的参考值等于注入电流的无功分量的绝对值，通过比例
‑
积分控制器对无功分量滤波电感l
q
进行闭环控制，得到无功上桥臂开关s
yqp
和无功下桥臂开关s
yqn
的开关信号并按照开关信号控制无功分量控制桥臂。
14.其进一步的技术方案为，有功分量注入电路包括有功分量控制桥臂和有功分量滤波电感l
d
，有功分量控制桥臂跨接在电压选择器的x端和z端之间并通过有功分量滤波电感l
d
连接电压选择器的y桥臂端。
15.其进一步的技术方案为，有功分量控制桥臂包括有功上桥臂开关s
ydp
和有功下桥臂开关s
ydn
，s
ydp
和s
ydn
均由含反并二极管的全控型器件实现，有功上桥臂开关s
ydp
的集电极连接电压选择器的x端、发射极连接有功下桥臂开关s
ydn
的集电极，有功下桥臂开关s
ydn
的发射极连接电压选择器的z端，有功分量控制桥臂通过s
ydp
和s
ydn
的公共端通过有功分量滤波电感l
d
连接电压选择器的y桥臂端。
16.其进一步的技术方案为，设置有功分量滤波电感l
d
的参考值等于注入电流的有功分量，通过比例
‑
积分控制器对有功分量滤波电感l
d
进行闭环控制，得到有功上桥臂开关s
ydp
和有功下桥臂开关s
ydn
的开关信号并按照开关信号控制有功分量控制桥臂。
17.本发明的有益技术效果是：
18.本技术公开了一种混合有源三次谐波注入矩阵变换器的注入电流控制装置，该注入电流控制装置能够解决h3imc正向非单位功率因数运行时的注入电流失控问题，增强了h3imc输入侧无功功率控制能力，拓宽了其输入侧功率因数实际可控范围，实现h3imc正向运行时的全输入功率因数控制，适用于起动发电、柔性交流输电等一些需要h3imc输入侧提供无功功率的场合。
19.该注入电流控制装置还可以解决h3imc反向带低功率因数负载运行时的输出电压畸变问题，实现反向运行时的全负载功率因数控制。
20.该注入电流控制装置只增加了无功分量控制桥臂上的两个高频开关，增加的开关
损耗很小，新增的无功分量控制桥臂工作原理与有功分量控制桥臂工作原理相近，控制方法简单有效。
附图说明
21.图1是现有的混合有源三次谐波注入矩阵变换器的拓扑结构图。
22.图2是图1所示拓扑结构在非单位功率因数运行时扇区切换处注入电流失控现象示意图。
23.图3是包含本技术的注入电流控制装置的混合有源三次谐波注入矩阵变换器的拓扑结构图。
24.图4是本技术的注入电流控制装置的电路结构图。
25.图5是图3所示拓扑结构在非单位功率因数运行时注入电流的有功分量和无功分量的示意图。
26.图6是图3所示拓扑结构在非单位功率因数运行时注入电流的有功分量和无功分量的绝对值的示意图。
27.图7是现有的混合有源三次谐波注入矩阵变换器在非单位输入功率因数运行时的仿真结果。
28.图8是包含本技术的注入电流控制装置的混合有源三次谐波注入矩阵变换器在非单位输入功率因数运行时的仿真结果。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
30.本技术公开了一种混合有源三次谐波注入矩阵变换器的注入电流控制装置，请参考图3和4，混合有源三次谐波注入矩阵变换器包括三相交流电源、电压选择器(ivs)、电流型逆变器(csi)和三相交流负载，三相交流电源u
sa
、u
sb
、u
sc
连接在电压选择器的三相输入端，三相交流电源与电压选择器通常还包括由电感和电容构成的输入滤波器。电压选择器主要包括整流级和三个双向开关，整流级包括全控型器件组成的三个桥臂，且两端分别引出作为电压选择器的最大相x端和最小相z端，三个双向开关引出电压选择器的y桥臂端，电压选择器的最大相x端连接电流型逆变器的第一直流端p，电压选择器的最小相z端连接电流型逆变器的第二直流端n。三相交流负载连接电流型逆变器的交流输出端。上述各部分是现有的混合有源三次谐波注入矩阵变换器的较为常规的结构，本技术对其电路结构不详细展开描述。
31.混合有源三次谐波注入矩阵变换器在非单位功率因数运行时，注入电流i
y
由有功分量i
yd
和无功分量i
yq
构成，满足i
y
＝i
yd
+i
yq
。有功分量i
yd
和无功分量i
yq
表达式分别为：
32.[0033][0034]
有功分量i
yd
和无功分量i
yq
的示意图如图5所示，表示输入功率因数角，i
dm
表示预定的电流幅值。在扇区切换处，注入电流的有功分量i
yd
是连续的，而注入电流的无功分量i
yq
存在着突变，也就是说，注入电流在扇区切换处的突变从根本上是由无功分量i
yq
造成的。
[0035]
本技术针对混合有源三次谐波注入矩阵变换器的上述特征，提供了注入电流控制装置，本技术的注入电流控制装置包括有功分量注入电路和无功分量控制电路，有功分量注入电路跨接在电压选择器的x端和z端之间并连接电压选择器的y桥臂端。具体的，有功分量注入电路包括有功分量控制桥臂和有功分量滤波电感l
d
，有功分量控制桥臂跨接在电压选择器的x端和z端之间并通过有功分量滤波电感l
d
连接电压选择器的y桥臂端。如图4所示，有功分量控制桥臂包括有功上桥臂开关s
ydp
和有功下桥臂开关s
ydn
，s
ydp
和s
ydn
均由含反并二极管的全控型器件实现，有功上桥臂开关s
ydp
的集电极连接电压选择器的x端、发射极连接有功下桥臂开关s
ydn
的集电极，有功下桥臂开关s
ydn
的发射极连接电压选择器的z端，有功分量控制桥臂通过s
ydp
和s
ydn
的公共端通过有功分量滤波电感l
d
连接电压选择器的y桥臂端。
[0036]
无功分量控制电路包括无功分量控制桥臂和路径选择电路，无功分量控制桥臂跨接在电压选择器的x端和z端之间并通过路径选择电路连接电压选择器的y桥臂端，路径选择电路可以形成多种不同的流通路径。具体的，路径选择电路包括无功分量滤波电感l
q
和四个控制开关q1、q2、q3、q4，无功分量滤波电感l
q
的第一端连接控制开关q2和控制开关q3，无功分量滤波电感l
q
的第二端连接控制开关q1和控制开关q4，控制开关q2的另一端与控制开关q1的另一端相连并连接至无功分量控制桥臂，控制开关q3的另一端与控制开关q4的另一端相连并连接至电压选择器的y桥臂端。通过控制四个控制开关q1、q2、q3、q4的导通状态调整无功分量的流通路径：当q1和q3导通、q2和q4关断时形成一种流通路径；当q1和q3关断、q2和q4导通时形成另一种流通路径。
[0037]
在本技术中，路径选择电路中的四个控制开关q1、q2、q3、q4均由不含反并二极管的全控型器件实现，q1的发射极用于连接无功分量滤波电感l
q
、集电极用于连接无功分量控制桥臂，q2的发射极用于连接无功分量控制桥臂、集电极用于连接无功分量滤波电感l
q
，q3的发射极用于连接电压选择器的y桥臂端、集电极用于连接无功分量滤波电感l
q
，q4的发射极用于连接无功分量滤波电感l
q
、集电极用于连接电压选择器的y桥臂端。
[0038]
无功分量控制桥臂包括无功上桥臂开关s
yqp
和无功下桥臂开关s
yqn
，s
yqp
和s
yqn
均由含反并二极管的全控型器件实现，无功上桥臂开关s
yqp
的集电极连接电压选择器的x端、发射极连接无功下桥臂开关s
yqn
的集电极，无功下桥臂开关s
yqn
的发射极连接电压选择器的z端，无功分量控制桥臂通过s
yqp
和s
yqn
的公共端连接路径选择电路。
[0039]
基于上述电路结构，注入电流控制装置的工作过程如下：混合有源三次谐波注入
矩阵变换器在非单位功率因数运行时，按照注入电流的有功分量i
yd
控制有功分量注入电路，按照注入电流的无功分量i
yq
的绝对值i
lq
＝|i
yq
|控制无功分量控制桥臂、并按照无功分量i
yq
的正负情况控制路径选择电路形成相应的无功分量的流通路径。本技术的这种做法将注入电流i
y
的无功分量i
yq
分离出来，无功分量i
yq
的绝对值i
lq
是一个连续的量，其表达式为：
[0040][0041]
对照图5所示的有功分量i
yd
和无功分量i
yq
的示意图，有功分量i
yd
和无功分量的绝对值i
lq
的示意图如图6所示。利用该连续的量i
lq
单独控制、结合路径选择电路形成的相应的无功分量的流通路径从而改变无功分量的注入方向，就可以合成注入电流，解决突变导致的注入电流失控问题，实现输入侧全功率因数控制。
[0042]
其中，按照注入电流的有功分量i
yd
控制有功分量注入电路，实际是按照有功分量i
yd
控制有功分量控制桥臂，具体的：设置有功分量滤波电感l
d
的参考值等于注入电流的有功分量，通过比例
‑
积分控制器对有功分量滤波电感l
d
进行闭环控制，得到有功上桥臂开关s
ydp
和有功下桥臂开关s
ydn
的开关信号并按照开关信号控制有功分量控制桥臂。
[0043]
在按照无功分量i
yq
的绝对值i
lq
控制无功分量控制桥臂时，具体的：设置无功分量滤波电感l
q
的参考值等于注入电流的无功分量的绝对值i
lq
，i
lq
是一个连续量、可以作为电感电流闭环控制，通过比例
‑
积分控制器对无功分量滤波电感l
q
进行闭环控制，得到无功上桥臂开关s
yqp
和无功下桥臂开关s
yqn
的开关信号并按照开关信号控制无功分量控制桥臂。
[0044]
按照无功分量i
yq
的正负情况控制路径选择电路形成相应的无功分量的流通路径具体包括：
[0045]
(1)当注入电流的无功分量为正时，q1和q3导通、q2和q4关断。此时形成的无功分量的流通路径包括第一路径和第二路径，第一路径由电压选择器的x端经过s
yqp
的全控型器件、q1、l
q
和q3至电压选择器的y桥臂端。第二路径由电压选择器的z端经过s
yqn
的反并二极管、q1、l
q
和q3至电压选择器的y桥臂端。
[0046]
(2)当注入电流的无功分量为负时，q1和q3关断、q2和q4导通。此时形成的无功分量的流通路径包括第三路径和第四路径，第三路径由电压选择器的y桥臂端经过q4、l
q
、q2和s
yqp
的反并二极管至电压选择器的x端。第四路径由电压选择器的y桥臂端经过q4、l
q
、q2和s
yqn
的全控型器件至电压选择器的z端。
[0047]
为了说明本技术的注入电流控制装置的作用，本技术以如下一个示例进行对比：现有的h3imc拓扑在非单位输入功率因数运行时的仿真结果如图7所示，由图7可以看出由于注入电流存在失控现象，输入电流存在较大的畸变。加入本技术的注入电流控制装置后的h3imc拓扑在非单位输入功率因数运行时的仿真结果如图8所示，图8示出了功率因数角分别为
±
π/6和
±
π/3的情况，由图8可以看出，输入电流在不同功率因数角下都能够满足设定，且输入电流畸变得到抑制。
[0048]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。