CN102664539A - 变拓扑晶闸管整流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变拓扑晶闸管整流器，包括两个晶闸管整流桥T1、T2，T1、T2的输入端分别与单相或三相隔离交流电压源连接，电压源之间有电角度差别；T1的输出端负极与T2的输出端正极通过开关S1相连接，T1的输出端正极与T2的输出端负极接有电感L和电容C组成的LC滤波器；电容C两端与逆变器连接，逆变器输出端与电网连接；T1、T2根据电角度的不同，运行在不同的模式，两个不同电角度的正弦电压相互叠加，形成不同幅值的正弦输入电压等级，根据不同的负载情况对输入电压进行选择，实现满足负载运行情况下的最小电压输入，使得晶闸管的触发角尽量小，从而获得较高的功率因数运行条件；多个运行模式之间采用电流峰值预测控制，实现在线模式的动态切换。

Description

变拓扑晶闸管整流器

技术领域

本发明涉及一种大功率容量的变拓扑晶闸管整流器。

背景技术

全控型电力电子器件（器件的导通和关断都可通过门极信号控制），尤其是IGBT（InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅晶体管）功率等级制约了电力电子装置容量的进一步发展。现阶段应用最为广泛的IGBT器件耐压等级在1.7KV。3.3KV和6.5KV的IGBT虽已投入商用，但与1.7KV的器件相比，价格容量比不高。此外，高耐压要求使得开关器件的通态压降和开关损耗迅速增加。开关管损耗增加，除了效率损失之外，还会导致使得装置散热成本迅速上升，失去经济上的竞争力。由于硅半导体器件需要在-40℃～170℃之间才能够正常工作，在实际的工程中需要根据电力电子开关器件的功率损耗设计合适风冷或者水冷的散热装置。开关器件外部紧贴或者包裹体积庞大的铝制热槽，散热装置成本与电力电子器件成本相当，有时甚至超过开关器件本身成本。

为适应现阶段IGBT器件容量，在风力发电等大功率容量的变流器中，1.5MW以上的风力发电机型通常采用多个变流器并联分摊容量。这种方案只是维持了单位功率转换的变流器成本，无法达到发展大功率风力发电机组降低单位发电成本的最终目的。

晶闸管是现阶段具有最大耐压等级的商业化可控半导体器件。其技术成熟，性能稳定，具有非常高的容量价格比。其最大耐压等级达到12kV，在5kA的电流容量下仍具有4.8kV的耐压。将晶闸管引入2MW以上的风力发电机组，风力发电机的输出电压和变流器的电压等级将不再受到IGBT器件耐压等级的限制。

但是晶闸管整流器主要存在以下的问题：1.由于晶闸管整流桥具有降压特性，无法直接应用于交流侧输入电压变化大，但直流母线电压仍保持恒定的风力发电***。2.由于晶闸管整流器采用相位控制方法，在轻负载的情况下造成严重的谐波污染。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种变拓扑晶闸管整流器，它以变拓扑结构晶闸管多脉整流器为前端，以增强晶闸管整流器的宽电压适应能力，利用晶闸管的功率容量优势，在应用于风力发电变流装置时，变拓扑晶闸管整流器与六相发电机结合使用，后端皆有三电平逆变器，实现了整流器的高电压变比，提高了变流器可变换的电压等级和功率等级；在应用于多脉整流装置中时，降低晶闸管整流器由于采用相位控制方法在轻负载情况下造成的谐波污染。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变拓扑晶闸管整流器，它包括两个晶闸管整流桥T1、T2，所述两晶闸管整流桥T1、T2的输入端分别与单相或者三相隔离交流电压源连接，两个隔离电压源之间存在有电角度差别；所述晶闸管整流桥T1的输出端负极与T2的输出端正极相连接，T1的输出端正极与T2的输出端负极间接有电感和电容组成的LC滤波器；电容C与逆变器输入端连接，逆变器输出端与电网连接；两晶闸管整流桥根据电角度的不同，将两个不同电角度的正弦电压相互叠加，形成不同幅值的正弦输入电压等级，根据不同的负载情况对输入电压进行选择，实现满足负载运行情况下的最小电压输入；同时使得晶闸管的触发角尽量小，从而获得较高的功率因数运行条件；不同电压等级之间的变换采用电流峰值预测控制，实现在线模式的动态切换。

所述电流峰值控制过程为交流输入电压v_in与电容C的直流电压V_dc的差值在大于零时进行积分，当v_in＝V_dc的时刻积分达到最大值，将此时积分结果保持，同时积分清零；在下个周期的v_in＞V_dc时，实时计算最大积分与每个采样点上实时积分的差值，除电感L后与电流实时采样值相加，再与电流指令进行比较，过零时送入晶闸管触发电路。

所述动态切换是指两个独立的电压源通过相位叠加获得的不同电压等级的输入电压v_in；将各输入电压等级在电感L上的积分同时进行计算，在每一个换相周期内，根据负载的轻重，选择一个触发角最小的电压作为实际的执行策略，这样在负载突变或者输入电压变化的情况下，根据电流峰值预测控制方法获得的触发角立刻投入使用，实现在多种输入电压状态下，不影响功率输入情况下的快速的拓扑结构切换，获得不同负载和电压情况下的高功率因数运行。

本发明较以往变拓扑整流装置具有以下突出的优势：

1.使用晶闸管和二极管组合的简单电路实现了高电压变比，整流端不再是限制风力风电装置发电机电压等级和功率等级的瓶颈。

2.针对工作过程中动态拓扑切换的难题，采用电流峰值预测控制[CortesP，KazmierkowskiMP，KennelRM，et al.Predictive Control in Power Electronics and Drives[J].IndustrialIEEE Transactions on Electronics，2008，55(12)：4312-4324]、[孙向东，任碧莹，钟彦儒等.滤波电感在线估计方法在预测电流控制中的应用[J].电工技术学报，2009，24(7)：150～156]、[于蓉蓉，魏学业，吴小进等.一种改进型预测电流控制算法[J].电工技术学报，2010，24(7)：100～107]、[杨勇，阮毅，叶斌英等.三相并网逆变器无差拍电流预测控制方法[J].中国电机工程学报，2009，29(33)：40-46]替代了PI（Proportional Integral，比例积分）控制，充分利用了晶闸管关断时间的可预测性，消除了拓扑变换过程中的电流突变，实现了变拓扑过程中串并联的无缝切换，提高了电流动态跟踪性能。

3.整流器在串并联结构中都保持了多脉整流的特性，降低发电机脉动，提高了器件（整流桥）的利用率。

4.应用于风力发电变流装置时，变拓扑晶闸管整流器与六相发电机结合使用，后端皆有三电平逆变器，实现了整流器的高电压变比，提高了变流器可变换的电压等级和功率等级；

5.应用于多脉整流装置中时，降低晶闸管整流器由于采用相位控制方法在轻负载情况下造成的谐波污染。

附图说明

图1为本发明的变流装置图；

图2为采用电流峰值预测控制的三相六脉晶闸管相控整流器；

图3为稳态工作时采用电流峰值预测控制时交流电压和直流电感电流波形；

图4为电流控制策略实现框图；

图5为晶闸管在1－6－7－12运行模式1的状态图；

图5a为运行模式1的等价电压相量图；

图6为晶闸管在4－5－9－10运行模式2的状态图；

图6a为运行模式2的等价电压相量图；

图7为晶闸管在1－6－7－8运行模式3的状态图；

图7a为运行模式3的等价电压相量图；

图8为晶闸管在2－3－7－12运行模式4的状态图；

图8a为运行模式4的等价电压相量图；

图9为晶闸管在1－2－8－9运行模式5的状态图；

图9a为运行模式5的等价电压相量图；

图10为晶闸管在1－6－9－10运行模式6的状态图；

图10a为运行模式6的等价电压相量图；

图11为多模式电流峰值预测控制的优化计算选择

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

本发明所提出的以变拓扑晶闸管整流器为前端的风力发电变流装置如图1-图11所示。

变拓扑晶闸管整流器包括两个晶闸管整流桥T1、T2，所述两晶闸管整流桥T1、T2的输入端可以分别与单相或者三相隔离交流电压源连接，两个隔离电压源之间存在有电角度差别。所述两晶闸管整流桥T1的输出端负极与T2的输出端正极相连接，T1的输出端正极与T2的输出端负极皆有电感和电容组成的LC滤波器。

变拓扑晶闸管整流器包括不同的工作电压运行模式。下面以两个电角度（电源正弦波型的相位角度）相差20°时作为例子，说明整流器的不同运行模式。在不同的运行模式中，两个不同电角度的正弦电压相互叠加，形成不同幅值的正弦输入电压等级。

获得不同幅值的正弦输入电压等级的目的，是可以根据不同的负载情况对输入电压进行选择，实现满足负载运行情况下的最小电压输入，使得晶闸管的触发角（线电压相等的点到触发点之间的电气角度）尽量小，从而获得较高的功率因数运行条件。

多个运行模式之间采用控制策略，实现在线模式的动态切换。采用控制策略的主要的目标是实现不影响功率输出的情况下实现在线的运行模式切换。拟采用以下电流峰值预测控制方法实现预期：

1.电流峰值预测控制的基本原理

根据开关S1断开后，整流桥T1和T2的对称性，以T1为例对控制策略原理进行说明，如图2所示。

三电平并网逆变器保持电容C上直流侧电压V_dc稳定。从图3的交流电压和直流侧电流的稳态波形可以看出，电感电流i_L在每个交流输入电压与直流电压相等的时刻达到最大值，如v_ca与V_dc交汇的时刻t₀ ^[16]。如在此时触发v_cb，则交流电压与直流电压差值的伏秒积分在电感L上将造成上升的电流变化量Δi_L。Δi_L在v_cb＝V_dc的t₁时刻到达最大值，定义为：

${\mathrm{\Δi}}_{L,\max }=\frac{1}{L}\underset{t_0}{\overset{t_1}{\∫}}(v_{\mathrm{cb}}-V_{\mathrm{dc}})\mathrm{dt}.---\left(1\right)$

可通过延时触发晶闸管控制电流变化而无需在每个周期都取得最大值Δi_L。在平衡的三相***中，如果在时段t₁-t₂内的任意时刻t触发晶闸管，那么在t-t₂时段内电感上将发生的电流变化Δi_L与电流增量最大值Δi_L,max和电感两端伏秒积分的关系为：

${\mathrm{\Δi}}_L\left(t\right)={\mathrm{\Δi}}_{L,\max }-\frac{1}{L}\underset{t_1}{\overset{t}{\∫}}(v_{\mathrm{cb}}-V_{\mathrm{dc}})\mathrm{dt}.---\left(2\right)$

即Δi_L可由式(2)在每个采样时刻进行积分累积计算。因此，如果在电流的峰值点获得期望的电流i^*，那么晶闸管的触发时刻t应该满足：触发时刻电感上的瞬时电流i_L(t)与触发后电感的上升电流Δi_L(t)之和与期望电流(i^*)相等：

i^*＝i_L(t)+Δi_L(t).(3)

式中i_L(t)可以通过的实时电流采样得到；据式(3)判断是否满足触发相应晶闸管导通的条件。

控制算法实现框图如图4所示。交流输入电压v_in（v_in＝v_ab,v_bc,...）与直流电压V_dc的差值在大于零时送入积分器进行积分，当v_in＝V_dc的时刻积分达到最大值，将此时积分器内的结果送入采样和保持（S/H）器，同时积分器清零。在下个周期的v_in＞V_dc时，实时计算最大积分与每个采样点上实时积分的差值，除电感L后与电流实时采样值相加，再与电流指令进行比较，过零时送入晶闸管触发电路。

2.不同电压等级的工作模式

由于两个独立隔离电源存在电气角度之间的区别，因此不同相位的正弦电压叠加形成了幅值不同的输入电压幅值。下面以两个电角度（电源正弦波型的相位角度）相差20°时作为例子，说明整流器在采用不同电压相位的电压叠加时，获得不同的输入电压幅值。

例如晶闸管1－6－7－12同时导通时，两组晶闸管整流桥获得的输入电压为V₁＝U_AB+U_ab，

这时输入电压幅值比较高，成为运行模式1。运行模式1的情况下两个隔离电源实现相位最接近（相隔20°）的两相叠加。当晶闸管4-5-9-10同时导通时，两组晶闸管整流桥直流侧获得的输入电压V₂＝U_ca-U_AB，成为运行模式2。运行模式2的情况下两个隔离电源实现相差40°的两组正弦电压幅值叠加。运行模式3，4，5，6以此类推，获得不同相位的正弦波电流叠加，获得不同幅值等级的电压。如图5-图11所示。

3.工作模式之间的在线切换

如上所述，两个独立的电压源通过相位叠加获得的不同电压等级的输入电压v_in。为了获得多个工作模式运行过程中的在线模式转换，所有模式的输入电压组合在电感L上的积分按照1中电流峰值预测控制算法同时进行计算。采用电流峰值预测控制的最大优势在于，能够实现多种输入电压条件的超前计算。在每一个换相周期内，控制器根据控制目标要求，将所有的计算结果进行优化计算选择，选择最优结果作为策略的执行结果，如图11所示。例如，在功率因数最高作为优化目标时，选择在所有计算结果中触发角最小的的结果作为实际的执行策略。由于电流峰值控制方法的超前计算特点，根据上述峰值预测控制方法获得的触发角立刻投入使用，实现在多种输入电压状态下，不影响功率输入情况下的快速的拓扑结构切换，获得不同负载和电压情况下的高功率因数运行。

本发明的以变拓扑晶闸管整流器为前端的风力发电变流装置。利用晶闸管的功率容量优势，拓展了风力发电变流装置可变换的电压等级和功率等级，节省了器件成本。电流峰值预测控制方法不但实现了直流侧电感电流的动态快速控制，而且消除了两个整流桥拓扑结构切换过程中的电流突变，整流器在串联升压和并联扩容之间平滑切换，解决了困扰动态变拓扑结构变流器的最核心的问题。该装置应用于兆瓦级大功率风力发电机组可大大降低变流器成本，将具有广阔前景和发展潜力。

Claims (3)

1.一种变拓扑晶闸管整流器，其特征是，它包括两个晶闸管整流桥T1、T2，所述两晶闸管整流桥T1、T2的输入端分别与单相或者三相隔离交流电压源连接，两个隔离电压源之间存在有电角度差别；所述晶闸管整流桥T1的输出端负极与T2的输出端正极相连接，T1的输出端正极与T2的输出端负极间接有电感和电容组成的LC滤波器；电容C与逆变器输入端连接，逆变器输出端与电网连接；两晶闸管整流桥根据电角度的不同，将两个不同电角度的正弦电压相互叠加，形成不同幅值的正弦输入电压等级，根据不同的负载情况对输入电压进行选择，实现满足负载运行情况下的最小电压输入；同时使得晶闸管的触发角尽量小，从而获得较高的功率因数运行条件；不同电压等级之间的变换采用电流峰值预测控制，实现在线模式的动态切换。

2.如权利要求1所述的变拓扑晶闸管整流器，其特征是，所述电流峰值控制过程为交流输入电压v_in与电容C的直流电压V_dc的差值在大于零时进行积分，当v_in＝V_dc的时刻积分达到最大值，将此时积分结果保持，同时积分清零；在下个周期的v_in＞V_dc时，实时计算最大积分与每个采样点上实时积分的差值，除电感L后与电流实时采样值相加，再与电流指令进行比较，过零时送入晶闸管触发电路。

3.如权利要求1所述的变拓扑晶闸管整流器，其特征是，所述动态切换是指两个独立的电压源通过相位叠加获得的不同电压等级的输入电压v_in；将各输入电压等级在电感L上的积分同时进行计算，在每一个换相周期内，根据负载的轻重，选择一个触发角最小的电压作为实际的执行策略，这样在负载突变或者输入电压变化的情况下，根据电流峰值预测控制方法获得的触发角立刻投入使用，实现在多种输入电压状态下，不影响功率输入情况下的快速的拓扑结构切换，获得不同负载和电压情况下的高功率因数运行。

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