一种混合整流器及控制方法

本发明属于电力电子，更具体地，涉及一种混合整流器及控制方法

背景技术：

1、三电平相比传统的两电平变换器具有输出谐波少、开关电压应力小、输出波形质量高等优点。被广泛应用于有源电力滤波和高压直流hvdc输电等领域。

2、与传统的二极管箝位三电平变换器相比，vienna整流器的功率开关器件更少，且无需考虑上下开关管死区。具有更好的经济性和安全性。因此被广泛应用于ups、充电桩等不需要能量双向流动的行业中。vienna电路的显著特点是每相桥臂都有两个开关管和两个二极管组成，直流侧用两个电容分压，其中点通常被称为中性点。通过控制开关管的开通关断，每相相对于中心点可以输出正负电平和零电平。

3、由于相数为奇数，所以在常规调制下，必然会存在共模电压。共模电压会通过杂散回路对地产生漏电流，长时间工作有可能损坏系统中的器件，从而降低系统的安全性。因此有必要使用零共模电压矢量，在源头上对共模电压进行主动抑制。在理想情况下两个分压电容电压完全相等，中性点电压为直流侧电压的一半。然而由于零共模电压矢量的特殊性，会引起直流侧电容支路中两个电容器的充放电不平衡，从而使得中性点电压的波动变大。这种中性点电压的不平衡将使整流器输出的电压质量和共模电压抑制效果变差，并会向负载侧引入额外的谐波，降低系统效率。另外，直流侧分压电容的电压波动会缩短电容的使用寿命。所以中性点电压的平衡对于维持良好的输出波形并确保整流器的正常工作至关重要，但是，目前抑制中性点电压的不平衡的常见方法无法实现对共模电压的抑制。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种混合整流器及控制方法，旨在解决现有技术中整流器在工作时，无法同时实现零共模电压和中性点电压平衡，以及输出能质量低、系统的安全性和系统效率的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种混合整流器，包括：主电路和控制器；所述主电路包括：vienna整流器和飞跨电容型辅助开关管桥臂；

3、所述vienna整流器包括三相和三组开关器件；每相均由两个二极管构成，两个二极管的中间节点独立接出作为交流侧输入的接口，每相连接交流电源，作为连接交流侧的输入；每个所述中间节点还连接由两个反向串联的一组开关器件，三组开关器件的另一侧接在一起，所述三组开关器件的输出端作为所述混合整流器的中性点；

4、所述飞跨电容型辅助开关管桥臂包括：四个开关器件和一个电容，四个开关器件串联在直流侧的正负极之间，电容的两端分别连接于第一开关器件与第二开关器件的中间节点以及第三开关器件和第四开关器件的中间节点；第二开关器件与第三开关器件的中间节点作为输出节点连接所述中性点；

5、所述控制器包括：电压电流双环控制器、零共模电压控制器和中性点电压平衡控制器；

6、所述电压电流双环控制器连接在所述vienna整流器两端，用于根据所述vienna整流器输入的三相交流电和输出的直流电压控制所述vienna整流器的三相的各个开关器件的状态，以输出目标直流电压；

7、所述零共模电压控制器连接所述vienna整流器的三相，用于基于所述vienna整流器的三相调制波，控制所述vienna整流器的三相的各个开关器件的状态，以使所述混合整流器的共模电压为零；

8、所述中性点电压平衡控制器连接所述飞跨电容型辅助开关管桥臂，用于基于所述中性点的电流方向和所述飞跨型辅助开关管桥臂的电容电压，控制所述飞跨电容型辅助开关桥臂的各个开关器件的状态，以使所述电容的电压始终为直流侧输出电压的一半，从而控制混合整流器的中性点电压平衡。

9、可选的，所述飞跨电容型辅助开关管桥臂的上节点和所述vienna整流器的三相的上节点连接在一起作为直流侧输出的正极，下节点和所述vienna整流器的三相的下节点连接在一起作为直流侧输出的负极；

10、所述飞跨电容型辅助开关管桥臂的四个开关器件的频率和所述vienna整流器的开关器件的频率一致。

11、可选的，所述混合整流器还包括：稳压电容；

12、所述稳压电容并联于所述vienna整流器的直流侧，用于直流侧输出的稳压。

13、可选的，所述开关器件为全控型开关器件，二极管为不控器件。

14、可选的，所述控制器对所述vienna整流器和所述飞跨电容辅助开关桥臂的控制是完全解耦的。

15、第二方面，本发明还提供了一种混合整流器的控制方法，适用于如第一方面中任一项所述的一种混合整流器，包括：

16、所述电压电流双环控制器获取所述混合整流器的输入的三相交流电流和输出侧的直流电压，经过电压外环控制器处理和电流内环控制器处理后，得到的三相调制波电压的给定值

17、所述零共模电压控制器接收所述电压电流双环控制器输出的三相调制波电压的给定值基于空间矢量调制或基于载波移相调制，进行运算，得到pwm信号对所述vienna整流器的开关器件进行控制，以使所述混合整流器的共模电压为零；

18、所述中性点电压平衡控制器根据pwm信号控制所述飞跨电容型辅助开关桥臂的开关器件的状态，控制第一开关器件和第三开关器件的驱动pwm信号一致，控制第二开关器件和第四开关器件的驱动pwm信号一致，占空比均为50％，以使所述飞跨电容型辅助开关桥臂的电容的电压为直流侧输出电压的一半，所述混合整流器的中性点电压平衡。

19、可选的，所述电压电流双环控制器获取所述vienna整流器的输入的三相交流电流和输出侧的直流电压，经过电压外环控制器处理和电流内环控制器处理后，得到的三相调制波电压的给定值包括：

20、所述电压外环pi控制器的采样触发模块对所述vienna整流器的直流输出侧电压进行采样，得到电压给定值u*；

21、电压外环pi控制器将电压给定值u*与采样得到的电压实际值u做差得到电压差值信号δu，所述电压差值信号δu经过电流内环pi控制器得到d轴电流给定值

22、所述电流内环pi控制器的采样触发模块对所述vienna整流器的交流侧输入的三相电流进行采样，得到三相电流ia、ib、ic，并经过坐标变换得到d轴和q轴的电流实际值id、iq；

23、所述内环pi控制器将d轴电流给定值与d轴的电流实际值id做差得到d轴电流差值信号δid，将q轴电流给定值0与q轴的电流实际值iq做差得到q轴电流差值信号δiq；

24、将d轴和q轴的电流差值信号δid和δiq经过pi控制器后输入到解耦模块；同时，所述电压外环控制器的采样触发模块对交流侧输入的电网电压进行采样，得到ea、eb、ec，经过坐标变换后得到d轴和q轴的电网电压ed和eq，输入到所述解耦模块；

25、所述解耦模块通过对d轴和q轴电流解耦控制，得到调制波电压的d轴和q轴给定值和将所述调制波电压d轴和q轴给定值和经过坐标变换后得到的三相调制波电压的给定值

26、可选的，所述vienna整流器的三相调制波电压给定值满足

27、可选的，所述零共模电压控制器接收所述电压电流双环控制器输出的三相调制波电压的给定值基于载波移相调制，进行运算，得到pwm信号对所述vienna整流器的开关器件进行控制，以使所述混合整流器的共模电压为零，包括：

28、接收所述电压电流双环控制器输出的三相调制波电压的给定值进行运算得到虚拟电压vx1、vx2、vx3；

29、将所述虚拟电压分别与三角载波进行比较，生成pwm信号vx1、vx2、vx3；

30、将所述的pwm信号vx1、vx2、vx3进行运算得到pwm信号vb*、vc*；

31、根据所述pwm信号vb*、vc*生成驱动所述vienna整流器的开关信号，用以控制所述vienna整流器的开关器件的状态，以使所述混合整流器的共模电压为零；当所述pwm信号vb*、vc*为0时，控制所述vienna整流器的开关器件开通，所述vienna整流器输出零电压；当所述pwm信号vb*、vc*为±1时，控制所述vienna整流器的开关器件关断。

32、可选的，所述零共模电压控制器接收所述电压电流双环控制器输出的三相调制波电压的给定值基于空间矢量调制，进行运算，仅使用零共模电压矢量，得到pwm信号vb*、vc*，对所述vienna整流器的开关器件进行控制，以使所述混合整流器的共模电压为零，包括：

33、接收所述电压电流双环控制器输出的三相调制波电压的给定值根据公式进行合成得到旋转矢量vr*；所述旋转矢量vr*在每一个扇区，都只使用共模电压为零的中矢量和零矢量进行合成；

34、根据矢量分解的原理，计算得到矢量作用时间，生成pwm信号控制所述vienna整流器的开关器件，以使所述混合整流器的共模电压为零。

35、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

36、1、基于零共模电压矢量进行调制，控制混合整流器的vienna整流器的开关器件，可以实现所述vienna整流器的共模电压为零，大幅降低漏电流，降低了漏电流对系统的危害，提高了系统的安全性和可靠性，也提高了系统的经济性。

37、2、基于飞跨电容型辅助开关桥臂的中性点电压控制，可以使所述飞跨电容型辅助开关桥臂的电容电压保持为直流输出电压的一半，可以使混合整流器的中性点电压保持为直流输出电压的一半，从而实现混合整流器的中性点电压的平衡。

38、3、通过对混合整流器的中性点电压控制，抑制了电容电压的低频波动，提高了电容电压的寿命，提高了输出波形的质量。

39、4、本发明所提供的混合整流器控制方法完全与所述vienna整流器解耦，具有更高的自由度；本发明所提供控制方法可以在理论上完全消除共模电压，具有更好的电磁干扰抑制效果。