【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于多电平功率因数校正拓扑，具体涉及一种基于桥臂自耦合互感线圈的三电平无差分pfc拓扑结构。
技术介绍
1、通过多电平逆变器实现对电力系统功率因数的校正，在多个领域具有广泛应用，包括可再生能源系统，通过控制逆变器输出实现对可再生能源的有效利用。其在电力质量方面具有重要作用，通过减小电流谐波和提高功率因数，改善电力系统的性能和效率。因此，多电平功率因数校正拓扑在当前电力工程领域发挥着关键的作用，为实现高效能源转换和电力系统稳定运行提供了有力支持。
2、在传统电力系统中，由于负载变化和非线性负载的存在，功率因数通常达不到理想的1，为了提高电力系统的效率和稳定性，通常需要采用功率因数校正装置。现有的功率因数校正拓扑中，三电平功率因数技术作为一种成熟的电力转换技术备受关注。三电平功率因数校正拓扑通过引入中性点电压钳位技术，有效减小了电力系统中的谐波失真，提高了功率因数的校正效果。该拓扑适用于各种应用场景，尤其在大中功率电力转换器领域表现出卓越的性能。
3、但近年来，在铁路交通运输领域，特别是高速铁路和城市轨道交通系统中，电力系统的要求更为严格。在这些场景下，传统的功率因数校正装置可能无法满足高可靠性、高容错性、高维护性和高可用性的要求。
4、因此，亟需提出一种新型的三电平功率因数校正拓扑，以适应铁路交通运输领域的特殊需求，提高系统的稳定性和可靠性，确保电力供应在高速铁路和城市轨道交通系统中的稳定运行。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是：克服
2、为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于桥臂自耦合互感线圈的三电平无差分pfc拓扑结构，所述三电平无差分pfc拓扑结构包括用于提供稳定交流电压的网侧交流三相电源，网侧交流三相电源的u相、v相、w相交流电源分别通过桥臂自耦合互感线圈依次连接有三电平无差分功率因数校正pfc电路、输出稳压及负载电路；
3、所述三电平无差分功率因数校正pfc电路包括二极管d1、d2、d3、d4，晶体管q1、q2、q3和电容c1、c2；二极管d1的负极分别连接晶体管q3的漏极与二极管d3的负极，二极管d2的正极分别连接晶体管q3的源极与二极管d4的正极，二极管d3的正极与二极管d4的负极连接并连接到接地端，晶体管q1的源极连接电容c1的正极，晶体管q2连接电容c2的负极，电容c1的负极连接电容c2的正极并与接地端相连；
4、所述桥臂自耦合互感线圈包括一个自耦合互感线圈，其左端与网侧交流电源相连接，右端与三电平无差分功率因数校正pfc电路的两个反并联二极管d1、d2以及两个晶体管q1、q2相连接；所述三电平无差分pfc电路的输出端与输出稳压及负载电路连接，中端与直流母线电容c1、c2的中点相连接。
5、所述网侧交流三相电源的u相、v相、w相交流电源上均依次串联有限流电阻r1和滤波电感l1，滤波电感l1的输出端与桥臂自耦合互感线圈的左端连接。
6、所述桥臂自耦合互感线圈的右端分别连接二极管d1的正极、晶体管q1的漏极，以及二极管d2的负极、晶体管q2的源极。
7、所述输出稳压及负载电路采用负载电阻r2，并将负载电阻r2并联在电容c1、c2上。
8、所述桥臂自耦合互感线圈的参数设计如下：
9、该线圈的第n圈的自感电感为ln,n，其表达式为：
10、
11、式中，
12、k表示线圈匝数变比，θ表示线圈磁通相对于主轴的偏转角度。
13、μ0表示线圈自感系数，n∈{1,…,nturns}，rn表示第n个圆形线圈的内半径，rw为导体半径；
14、该线圈的第n圈和第m圈之间的互感电感为ln,m，其表达式为：
15、
16、式中，n∈{1,…,nturns}，m∈{1,...,nturns}，且n≠m，dn,m表示两个线圈中心之间的距离，rm表示线圈磁阻；
17、当只考虑由单独一个线圈组成的单个无铁心线圈时，线圈匝连接成串，线圈的自感表示为：
18、
19、式中，ln，m为第n匝和第m匝之间的电感，nturns＝nvnh，nv和nh分别是z方向和r方向的匝数；
20、当考虑由两个相同的线圈组成的耦合无铁芯线圈时，线圈匝连接成串，每个线圈的自感表示为：
21、
22、线圈之间的互感表示为：
23、
24、由于两个线圈相同因此：l1＝l2＝l，m1，2＝m2，1＝m，
25、两个相同耦合线圈之间的耦合系数为：
26、线圈的电阻表示为：
27、式中，为导体电阻率，lcoil为线圈的总长度，
28、线圈的宽度、高度和体积分别表示为：
29、wcoil＝nh2rw+(nh-1)th，hcoil＝nv2rw+(nv-1)tv，
30、vcoil＝π(rcoil+wcoil)2hcoil，
31、式中，th表示水平方向厚度，tv表示垂直方向厚度，hcoil表示线圈高度。
32、所述桥臂自耦合互感线圈的原边绕组和副边绕组匝数为nturns＝nvnh，nv和nh分别是z方向和r方向的匝数；原边绕组和副边绕组的匝数比为1:1。
33、本专利技术的有益效果是：
34、1)本专利技术通过在三电平无差分pfc电路电源侧加装桥臂自耦合互感线圈的方式，可以提高系统的开关频率，在三电平无差分pfc电路中采用该桥臂自耦合互感线圈，能够减小系统损耗，从而提高系统的整体效率，减小输出纹波，改善输出波形。
35、提供直流故障电流的限制功能，限制故障电流，并且能够减少晶体管的使用数量，降低电感阻值大小，并且由于该拓扑仅有二极管直接连接到总线，因此防止任何控制故障或晶体管击穿导致总线短路，进一步提升了系统的可靠性与安全性。
36、2)本专利技术通过在电源侧加装耦合臂线圈，能够有效改善交流输入电能质量，减少共模噪声，抑制emi电磁干扰，提高峰值效率和满载效率，通过提供高电阻的电流路径，能够降低dv/dt，限制变流器电网侧电流和线圈电流的峰值电流，缓解故障电流并增强系统的瞬态行为，改善直流电压骤降，抑制功率波动，提高对故障的鲁棒性，减轻关联设备的压力。
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1.一种基于桥臂自耦合互感线圈的三电平无差分PFC拓扑结构，其特征在于：所述三电平无差分PFC拓扑结构包括用于提供稳定交流电压的网侧交流三相电源，网侧交流三相电源的U相、V相、W相交流电源分别通过桥臂自耦合互感线圈依次连接有三电平无差分功率因数校正PFC电路、输出稳压及负载电路；
2.根据权利要求1所述的一种基于桥臂自耦合互感线圈的三电平无差分PFC拓扑结构，其特征在于：所述网侧交流三相电源的U相、V相、W相交流电源上均依次串联有限流电阻R1和滤波电感L1，滤波电感L1的输出端与桥臂自耦合互感线圈的左端连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于桥臂自耦合互感线圈的三电平无差分PFC拓扑结构，其特征在于：所述桥臂自耦合互感线圈的右端分别连接二极管D1的正极、晶体管Q1的漏极，以及二极管D2的负极、晶体管Q2的源极。
4.根据权利要求1所述的一种基于桥臂自耦合互感线圈的三电平无差分PFC拓扑结构，其特征在于：所述输出稳压及负载电路采用负载电阻R2，并将负载电阻R2并联在电容C1、C2上。
5.根据权利要求1～4中任一所述的一种基于桥臂自耦
6.根据权利要求5所述的一种基于桥臂自耦合互感线圈的三电平无差分PFC拓扑结构，其特征在于：所述桥臂自耦合互感线圈的原边绕组和副边绕组匝数为Nturns＝NvNh，Nv和Nh分别是z方向和r方向的匝数；原边绕组和副边绕组的匝数比为1:1。
...【技术特征摘要】
1.一种基于桥臂自耦合互感线圈的三电平无差分pfc拓扑结构，其特征在于：所述三电平无差分pfc拓扑结构包括用于提供稳定交流电压的网侧交流三相电源，网侧交流三相电源的u相、v相、w相交流电源分别通过桥臂自耦合互感线圈依次连接有三电平无差分功率因数校正pfc电路、输出稳压及负载电路；
2.根据权利要求1所述的一种基于桥臂自耦合互感线圈的三电平无差分pfc拓扑结构，其特征在于：所述网侧交流三相电源的u相、v相、w相交流电源上均依次串联有限流电阻r1和滤波电感l1，滤波电感l1的输出端与桥臂自耦合互感线圈的左端连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于桥臂自耦合互感线圈的三电平无差分pfc拓扑结构，其特征在于：所述桥臂自耦合互感线圈的右端分别连接...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦俊非，袁海林，李娴，张子龙，
申请(专利权)人：中铁建电气化局集团第一工程有限公司，
类型：发明
国别省市：
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