[發明專利]一種H3IMC中三次諧波電流跟蹤方法

有效

• 申請號: 201810044499.4
• 申請日: 2018-01-17
• 公開（公告）號: CN108183601B
• 公開（公告）日: 2020-03-20
• 發明（設計）人: 朱奕琦;周波;陸程佳
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02M1/12
• 分類號: H02M1/12
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 姜慧勤

本發明公開了一種H3IMC中三次諧波電流跟蹤方法，該方法通過采集注入輸入側的諧波電流實際值，對其進行PI閉環控制，使得諧波電流跟蹤設置的參考值，相較于傳統控制方法，在不增加硬件設備的前提下提高了電流跟蹤性能；本方法針對H3IMC拓撲設計PI控制器輸出值為諧波電流，再與當前周期諧波電流反饋值作差得到電流增量，進而計算得到諧波注入橋臂中開關管的占空比，即可精確實現諧波電流跟蹤，獲得較好的輸入電流性能，而傳統控制方法應用于H3IMC拓撲時會出現電流失控問題。本發明的方法實現了諧波電流對參考值的跟蹤，能夠有效地提高輸入電流性能，保證了系統安全穩定運行。

技術領域

本發明涉及一種電流控制方法，尤其涉及一種H3IMC中三次諧波電流跟蹤方法，屬于矩陣變換器控制技術領域。

背景技術

在大功率電力系統中，電源輸出的三相交流電通常經過兩級變換(AC-DC-AC或者AC-DC-DC)得到所需電壓再為負載端提供電能，雙級式矩陣變換器(TSMC)就是一種新型的“綠色”有源前端AC-DC-AC變換器，且由于其具有無需直流環節的儲能元件、能量可雙向流動、正弦的輸入輸出性能、功率因數可控等諸多優勢，日漸受到國內外學者的關注。

盡管近年來對TSMC的研究越來越深入，仍存在一些難以克服的問題：(1)由于拓撲上無直流環節的儲能元件，使其前級的整流器必須與后級的逆變器協同調制，考慮到實際開關器件的性能，會導致窄脈沖等非線性問題，影響輸入輸出性能；(2)為了保證輸入電流的正弦性，減小輸入濾波器的體積，前級的整流器需采用很高的開關頻率，一方面開關時刻損耗較多的能量，降低了能量傳遞效率，另一方面提高了EMI濾波器設計的復雜性，此外高頻的通斷降低了開關管的使用壽命，從而影響變換器整體的可靠性和安全性。

近年來蓬勃發展的新型AC-DC變換器拓撲為解決這一問題提供了新的思路。2009年，學者提出了混合有源三次諧波注入變換器(H3C)，如圖1所示。它在三相不控整流橋的基礎上增加了三次諧波注入電路，向交流側電流注入反向的諧波電流，以補償不控整流產生的諧波電流，從而使交流側電流正弦化，且H3C的諧波注入電路還具有無功功率控制功能，不參與電壓轉換。文獻(H.Wang,M.Su,Y.Sun,et al.Two-stage matrix converter basedon third-harmonic injection technique[J].IEEE Trans.Power Electron.,2016,31(1):533-547)將H3C應用于TSMC，構成了一種混合有源三次諧波注入矩陣變換器(HybridActiveThird-Harmonic Injection Matrix Converter，H3IMC)，電路拓撲如圖2所示。H3IMC是將H3C的不控二極管替換為IGBT等可控功率開關，以獲得能量回饋功能。H3IMC沒有直流母線儲能元件，具有傳統TSMC在體積、重量上的優點。H3IMC還具有以下顯著優點：(1)輸入和輸出控制上解耦，兩級變換器可獨立控制，無需傳統TSMC因輸入和輸出耦合要求嚴格的協同配合控制策略，避免了傳統TSMC調制算法實現的復雜性；(2)整流器采用不控整流，開關頻率低，減少了開關損耗，提高了系統可靠性；(3)H3C電路的加入使得輸入端電流高次諧波含量更少，有利于減輕輸入濾波器設計的壓力，同時，其直流母線電壓為平滑的六脈波，電磁兼容性更好。

注入輸入側的諧波電流跟蹤參考值是降低輸入電流高次諧波的前提也是保證變換器無過流危險的要素。然而，對H3C電路中諧波注入橋臂的控制使得電流有效跟蹤參考值，還未有針對性的研究，且傳統的PI閉環控制直接得到橋臂開關管占空比的方法并不適用于H3C電路。因為在H3C電路中橋臂上、下管分別導通時的電感電壓為斬波狀波形，且上下包絡線近似為不過零的三角波，使得開關管的開通時間與實際電感電流的升降增量無法成線性正相關。即使占空比隨著電感電流參考值和實際值的差值保持良好穩定的跟蹤時，也無法保證與實際電流呈正相關，即占空比增大時電感電壓不一定增大，使得電流上升，占空比減小時電感電壓不一定減小，使得電流下降。因此，針對H3IMC拓撲，傳統的PI閉環控制無法有效控制電感電流跟蹤參考值。

發明內容