三相整流模组、其适用的系统及谐波抑制方法技术方案

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，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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
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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的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。附图说明图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为本专利技术基于LCL滤波的三相整流模组的控制方框图3为本专利技术基于LCL型滤波的三相整流模组一优选实施例的具体电路图4为本专利技术基于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为本专利技术实施例中的LCL滤波单元容性支路三种变形电路示意图8为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术优选实施例中的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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术实施例的三组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专利技术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。应理解的是本专利技术能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本专利技术的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本专利技术。请参阅图2，图2为本专利技术基于LCL滤波的三相整流模组的控制方框图。如图所示，本专利技术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滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲波宇，周锦平，张怡，陈伟，
申请(专利权)人：台达电子企业管理上海有限公司，
类型：发明
国别省市：