[发明专利]一种H3IMC中三次谐波电流跟踪方法

说明书

本发明公开了一种H3IMC中三次谐波电流跟踪方法，该方法通过采集注入输入侧的谐波电流实际值，对其进行PI闭环控制，使得谐波电流跟踪设置的参考值，相较于传统控制方法，在不增加硬件设备的前提下提高了电流跟踪性能；本方法针对H3IMC拓扑设计PI控制器输出值为谐波电流，再与当前周期谐波电流反馈值作差得到电流增量，进而计算得到谐波注入桥臂中开关管的占空比，即可精确实现谐波电流跟踪，获得较好的输入电流性能，而传统控制方法应用于H3IMC拓扑时会出现电流失控问题。本发明的方法实现了谐波电流对参考值的跟踪，能够有效地提高输入电流性能，保证了系统安全稳定运行。

技术领域

本发明涉及一种电流控制方法，尤其涉及一种H3IMC中三次谐波电流跟踪方法，属于矩阵变换器控制技术领域。

背景技术

在大功率电力系统中，电源输出的三相交流电通常经过两级变换(AC-DC-AC或者AC-DC-DC)得到所需电压再为负载端提供电能，双级式矩阵变换器(TSMC)就是一种新型的“绿色”有源前端AC-DC-AC变换器，且由于其具有无需直流环节的储能元件、能量可双向流动、正弦的输入输出性能、功率因数可控等诸多优势，日渐受到国内外学者的关注。

尽管近年来对TSMC的研究越来越深入，仍存在一些难以克服的问题：(1)由于拓扑上无直流环节的储能元件，使其前级的整流器必须与后级的逆变器协同调制，考虑到实际开关器件的性能，会导致窄脉冲等非线性问题，影响输入输出性能；(2)为了保证输入电流的正弦性，减小输入滤波器的体积，前级的整流器需采用很高的开关频率，一方面开关时刻损耗较多的能量，降低了能量传递效率，另一方面提高了EMI滤波器设计的复杂性，此外高频的通断降低了开关管的使用寿命，从而影响变换器整体的可靠性和安全性。

近年来蓬勃发展的新型AC-DC变换器拓扑为解决这一问题提供了新的思路。2009年，学者提出了混合有源三次谐波注入变换器(H3C)，如图1所示。它在三相不控整流桥的基础上增加了三次谐波注入电路，向交流侧电流注入反向的谐波电流，以补偿不控整流产生的谐波电流，从而使交流侧电流正弦化，且H3C的谐波注入电路还具有无功功率控制功能，不参与电压转换。文献(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)将H3C应用于TSMC，构成了一种混合有源三次谐波注入矩阵变换器(HybridActiveThird-Harmonic Injection Matrix Converter，H3IMC)，电路拓扑如图2所示。H3IMC是将H3C的不控二极管替换为IGBT等可控功率开关，以获得能量回馈功能。H3IMC没有直流母线储能元件，具有传统TSMC在体积、重量上的优点。H3IMC还具有以下显著优点：(1)输入和输出控制上解耦，两级变换器可独立控制，无需传统TSMC因输入和输出耦合要求严格的协同配合控制策略，避免了传统TSMC调制算法实现的复杂性；(2)整流器采用不控整流，开关频率低，减少了开关损耗，提高了系统可靠性；(3)H3C电路的加入使得输入端电流高次谐波含量更少，有利于减轻输入滤波器设计的压力，同时，其直流母线电压为平滑的六脉波，电磁兼容性更好。

注入输入侧的谐波电流跟踪参考值是降低输入电流高次谐波的前提也是保证变换器无过流危险的要素。然而，对H3C电路中谐波注入桥臂的控制使得电流有效跟踪参考值，还未有针对性的研究，且传统的PI闭环控制直接得到桥臂开关管占空比的方法并不适用于H3C电路。因为在H3C电路中桥臂上、下管分别导通时的电感电压为斩波状波形，且上下包络线近似为不过零的三角波，使得开关管的开通时间与实际电感电流的升降增量无法成线性正相关。即使占空比随着电感电流参考值和实际值的差值保持良好稳定的跟踪时，也无法保证与实际电流呈正相关，即占空比增大时电感电压不一定增大，使得电流上升，占空比减小时电感电压不一定减小，使得电流下降。因此，针对H3IMC拓扑，传统的PI闭环控制无法有效控制电感电流跟踪参考值。

发明内容