CN102891617A - 一种无源均压控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无源均压控制电路，其特征在于：它包括级联逆变拓扑结构装置，级联逆变拓扑结构装置中每相级联电路均包括N级串联的H桥单元，每个H桥单元均由整流器和逆变器组成，每个H桥单元上均连接一个单相隔离变压器；每相级联电路中，每个单相隔离变压器的输入端连接一级H桥单元的交流输出端，单相隔离变压器的输出端连接下一级H桥单元直流输入端，最后一级单相隔离变压器输出端连接第一级H桥单元的输入端；每相级联电路中，在任意一级整流器的输出端并联一个充电整流器；充电整流器的交流输入端经一充电隔离变压器连接充电回路。本发明具有电路拓扑简洁、可靠性高及效率高等特点，可以广泛应用于直流电容电压不均衡的级联逆变拓扑结构中。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力设备技术领域中的控制电路，特别是关于一种用于控制级联逆变拓扑结构中直流电容电压不均衡的无源均压控制电路。
背景技术
随着日常生产和生活对供电质量要求的逐渐提高，电网无功补偿以及谐波治理等越来越受到重视。同时，近年来电力电子技术快速向前发展，对于中压配电网的无功和谐波治理技术正处于重点研发中。对于6KV～35KV的电压等级，H桥级联拓扑由于结构简洁，模块性强，无需变压器就可以实现直接并网，是一个比较合适的选择。基于H桥级联拓扑结构的STATCOM(静止无功补偿发生器)已有应用，并逐渐在推广，基于H桥级联拓扑结构的APF(有源滤波器)也在研发当中。对于无功补偿和谐波治理来说，装置与电网并不需要交换有功功率，仅需从电网获取由于器件和寄生参数等产生的损耗所需的有功功率，对于级联逆变拓扑结构的这类设备，由于每个级联单元的直流侧电容处于悬浮状态，因此由于以下主要原因会造成电容电压不均衡：1、半导体电力开关触发脉冲不理想。2、单元之间器件参数与电路中的寄生参数不一致。3、调制方法和死区设置使得每级的触发脉冲可能不一样。
对于电容电压不均衡问题，可以通过硬件和软件的措施来进行抑制。目前，硬件均压方法往往采用附加辅助逆变器等构成辅助均压回路，控制级间能量传输，实现均压控制，附加电路需要专门检测、控制、驱动等电路，比较复杂，可靠性低，成本高；软件均压是比较理想的手段，效率高，通过对每级H桥单元主逆变桥占空比的调节，可以实现一定程度的功率调节，使得直流侧电压能够趋于均衡，但是需要为每个H桥单元设置专门电压检测、控制、通信等电路，当级联H桥单元数目比较多时，对每个H桥单元的直流电压控制会明显增加软件计算量，不利于软件运行速度的提高，尤其对于APF来说，动态响应速度要求很高，会受到影响，甚至谐波补偿效果变差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、可靠性较高、效率较高，能实现充电启动无冲击并网的无源均压控制电路。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种无源均压控制电路，其特征在于：它包括级联逆变拓扑结构装置，所述级联逆变拓扑结构装置中每相级联电路均包括N级串联的H桥单元，每个所述H桥单元均由整流器和逆变器组成，每个所述H桥单元上均连接一个单相隔离变压器；所述每相级联电路中，每个所述单相隔离变压器的输入端连接一级所述H桥单元中逆变器的交流输出端，所述单相隔离变压器的输出端连接下一级所述H桥单元中整流器的输入端，最后一级所述单相隔离变压器输出端连接第一级所述H桥单元中整流器的输入端；所述每相级联电路中，在任意一级所述整流器的输出端并联一个充电整流器；所述充电整流器的交流输入端经一充电隔离变压器连接充电回路。
所述充电回路包括三相充电电源、三个充电限流电阻以及两个三相控制开关；所述三相充电电源的输出端依次串联第一个所述控制开关和第二个所述控制开关，第二个所述控制开关并联所述三个充电限流电阻后，分别与三个所述充电隔离变压器的初级绕组串联后接入所述充电回路。
所述充电回路采用同步充电方式或顺序充电方式。
所述充电隔离变压器包括初级绕组和整流绕组，所述初级绕组采用星形结构或三角形结构后，再连接所述充电回路，所述整流绕组连接所述整流器的输出端。
每个所述单相隔离变压器均包括初级绕组和整流绕组，所述初级绕组连接所述H桥单元中逆变器的输出端，所述整流绕组连接下一级所述H桥单元中整流器的输入端。
所述单相隔离变压器共设置有N×3个，其中，N为所述级联逆变拓扑结构装置中H桥单元的级联数。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用在级联逆变拓扑结构装置中级联的H桥单元上设置有单相隔离变压器，每个单相隔离变压器的输入端与上一级的H桥单元输出端连接，单相隔离变压器的输出端与下一级的H桥单元输入端连接，最后一级的单相隔离变压器的输出端连接第一级的H桥单元输入端，形成环形电路，无需设置辅助逆变器和检测、控制及通信等电路，其电路拓扑简洁。2、本发明由于只利用变压器和整流器，开关损耗小，随着主电路工作而工作，电路效率较高。3、本发明由于只采用单相隔离变压器与整流器进行能量的传输与隔离、处理不平衡功率，相对于辅助逆变器来说可靠性大大增加，并且没有检测与控制环节，对温度过高、过载等恶劣工况承受能力强。因此，实现了高可靠性的同时，也大大节省了成本。4、本发明由于在任意一级H桥单元中的整流器上并联一充电整流器，充电整流器经充电隔离变压器连接充电回路，进而通过充电回路实现了无源均压控制电路的充电启动无冲击并网。本发明可以广泛应用于直流电容电压不均衡的级联逆变拓扑结构中。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，其中，N＝4；
图2是本发明的整流器结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种应用于H桥级联静止无功发生器(STATCOM)、有源滤波器(APF)、类似混合装置以及级联式直流侧电容悬浮状况的装置的无源均压控制电路，具体是采用隔离变压器和单相整流器实现直流侧电容均压的控制，该无源均压电路可以解决基于H桥级联拓扑的STATCOM或APF存在的直流电容电压不均衡问题，并且可以实现装置的充电启动无冲击并网。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括现有技术中存在直流侧电容悬浮状况的级联逆变拓扑结构装置，其中，级联逆变拓扑结构装置中每相级联电路均包括N级串联的H桥单元，每个H桥单元均由整流器1和逆变器2组成，并且每个H桥单元上均连接一个单相隔离变压器3，共设置有N×3个单相隔离变压器3。在每相级联电路中，每个单相隔离变压器3的输入端连接一级H桥单元中逆变器2的交流输出端，单相隔离变压器3的输出端连接下一级H桥单元中整流器1的直流输入端，最后一级单相隔离变压器3输出端连接第一级H桥单元中整流器1的直流输入端，构成环形均压回路。
在每相级联电路中，可以在位于最后一级或其中任意一级H桥单元的整流器1的输出端并联一个充电整流器4，用于充电启动的能量传输和电气隔离。充电整流器4的交流输入端经一充电隔离变压器5连接充电回路6，通过充电回路6可以实现本发明的无源均压控制电路的充电启动无冲击并网。
其中，充电隔离变压器5包括初级绕组和整流绕组，其中初级绕组可以连接为星形或三角形后，再连接充电回路6，整流绕组连接整流器1的输出端。充电电源经充电隔离变压器5和充电整流器4整流后的的直流电压与级联逆变拓扑结构装置中H桥单元直流电压工作值相等。充电隔离变压器5的两个绕组之间需要绝缘电压与主电电网电压水平相配。
如图1所示，上述各实施例中，充电回路6包括三相充电电源U、三个充电限流电阻Ra、Rb和Rc以及两个三相控制开关K1、K2。三相充电电源U的输出端依次串联第一个控制开关K1和第二个控制开关K2，第二个控制开关K2并联三个充电限流电阻Ra、Rb和Rc后，分别与三个充电隔离变压器5的初级绕组串联后接入充电回路6，从而实现软充电。其中，第一个控制开关K1控制充电回路6的总开通与关断，第二个控制开关K2作为旁路开关。
充电回路6具有同步充电和顺序充电两种充电方式，其每一种充电方式的充电原理如下：
(1)同步充电：在设备要启动时，各个H桥单元的直流电压为零，此时利用级联逆变拓扑结构装置的主电路逆变功能，每个H桥单元工作在逆变状态，由于没有直流电压，故并不会有电流产生，此时闭合第一个控制开关K1，充电电压会经过三个充电限流电阻Ra、Rb和Rc加到三个充电隔离变压器5上，充电隔离变压器5的整流绕组经整流器1后对该级H桥单元充电，同时该级H桥单元主电路经逆变器2逆变后会对下一级H桥单元充电，以此类推，实现整个电路的充电。当充电注入H桥单元的直流电压接近工作电压时，作为旁路开关的第二个控制开关K2闭合，将三个充电限流电阻Ra、Rb和Rc旁路，最终将每个H桥单元直流侧电压充到工作电值。此时级联逆变拓扑结构装置的主电路可以合闸并网，并网后可以跳开两个控制开关K1、K2，切除充电回路6。
(2)顺序充电：设备启动时，各个H桥单元主电路均处在关断状态，或者PWM封锁状态。闭合第一个控制开关K1，充电回路6会对充电注入H桥单元(图1中第一级H单元)进行充电，当其直流电压接近工作值时，闭合第二个控制开关K2，直流侧电压会很快达到工作电压(稍加延时)，稳定后开通该H桥单元主桥PWM逆变功能，使PWM调制波从零缓慢增大(即可以采用工频正弦调制，调制波的幅值从零缓慢增大)，即实现对下一级H桥单元的软充电，稳定之后，下一级H桥单元主桥也能实现主桥PWM逆变功能，PWM调制波逐渐增大，以此类推，最终实现所有H桥单元的充电。当所有H桥单元电压均达到工作值后，级联逆变拓扑结构装置的主电路可以合闸，并网，并网后可以跳开两个控制开关K1、K2，切除充电回路6。
两种充电方式中，只需在充电H桥单元与其前一H桥单元的直流侧设置电压传感器，不需要增加过多电压传感器；或只需一组连接充电注入单元的直流电压传感器，其它环节通过延时实现，设备并网工作时，可以只使用一级直流电压传感器，进行主功能控制。前一种同步充电方式适合最终运行启动时，后一种顺序充电方式适合调试阶段，尤其是初次上电时。
上述实施例中，每个单相隔离变压器3均包括初级绕组和整流绕组两个绕组，初级绕组连接H桥单元中逆变器2的输出端，整流绕组连接下一级H桥单元中整流器1的输入端。两个绕组之间需要绝缘电压与电网电压水平相配。对于有相同H桥单元直流电压为n∶n型的级联结构，单相隔离变压器参数相同，初级与绕组与整流绕组变比为n∶n；对于H桥单元直流电压为n∶m的结构，相对应的单相隔离变压器变比为n∶m。
如图2所示，上述各实施例中，每个整流器1均包括一个由四个整流二极管D1～D4构成的单相整流桥、一个滤波电抗器Lf和一组滤波电容(图中未示出)，该滤波电容也可以采用H桥直流电容代替。整流器1中的滤波电抗器可以选取感值较小的铁芯或铁氧体磁芯的电感。整流器1将单相隔离变压器3整流绕组输出的交流电转换为直流电。
上述各实施例中，本发明的无源均压控制电路可以应用于H桥级联静止无功发生器(STATCOM)、有源滤波器(APF)、混合装置以及级联式直流侧电容悬浮状况的装置中。
综上所述，本发明在使用时，在级联逆变拓扑结构装置的主电路工作过程中，所有H桥单元的逆变器2全部工作在逆变状态，每个H桥单元输出电压直接加到该H桥单元连接的单相隔离变压器3初级绕组上，如果出现某级H桥单元直流电压Vdcj(如第j级)由于某些原因变高，该H桥单元逆变输出的PWM电压幅值也会增大，即作用在其交流侧连接的单相隔离变压器3的电压幅值Vacj1就会变高，其单相隔离变压器3整流绕组输出电压Vacj2(PWM型)会跟着变高，经过整流器1取幅值后，得到的幅值电压也是较高，而与整流绕组连接下一H桥单元直流电压Vdcj-1如果低于上一H桥单元，则会有电流从整流器1中流入该H桥单元直流侧，即有功率注入该H桥单元直流侧，实现升压，而上一H桥单元就相应有功率送出，实现降压；反之，如果某一H桥单元的直流电压降低，则会有功率从其上一级H桥单元送出，该H桥单元的直流电压会升高，得到电压不均衡的抑制。
对于每相级联电路而言，位于最下层H桥单元的单相隔离变压器3整流侧连接到最上层H桥单元直流侧，从而整个均压回路构成一个环路，环路中无论哪里的直流电压偏出平均值的情况，环路中就会出现单向功率流而抑制电压的偏差，最终趋于比较均衡。
***在并网条件下，状态从停止转为运行或运行转为停止，均压电路始终处于工作状态，不影响设备状态的直接切换。
***工作时，由于工况不同，逆变器2输出电压基波量会被调节，可能基波量的幅值小于或大于直流电压值，但是单相隔离变压器3会将大部分电压谐波传输到整流侧绕组，使得整流侧绕组的开路电压波形也是PWM型，整流桥的有幅值检测功能，因此只会判断整流绕组的电压波形幅值，而不会完全等效于PWM中基波分量整流，在较短时间内，实现所有H桥单元直流电压的均衡。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构和连接方式都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (10)
1.一种无源均压控制电路，其特征在于：它包括级联逆变拓扑结构装置，所述级联逆变拓扑结构装置中每相级联电路均包括N级串联的H桥单元，每个所述H桥单元均由整流器和逆变器组成，每个所述H桥单元上均连接一个单相隔离变压器；所述每相级联电路中，每个所述单相隔离变压器的输入端连接一级所述H桥单元中逆变器的交流输出端，所述单相隔离变压器的输出端连接下一级所述H桥单元中整流器的输入端，最后一级所述单相隔离变压器输出端连接第一级所述H桥单元中整流器的输入端；
所述每相级联电路中，在任意一级所述整流器的输出端并联一个充电整流器；所述充电整流器的交流输入端经一充电隔离变压器连接充电回路。
2.如权利要求1所述的一种无源均压控制电路，其特征在于：所述充电回路包括三相充电电源、三个充电限流电阻以及两个三相控制开关；所述三相充电电源的输出端依次串联第一个所述控制开关和第二个所述控制开关，第二个所述控制开关并联所述三个充电限流电阻后，分别与三个所述充电隔离变压器的初级绕组串联后接入所述充电回路。
3.如权利要求1所述的一种无源均压控制电路，其特征在于：所述充电回路采用同步充电方式或顺序充电方式。
4.如权利要求2所述的一种无源均压控制电路，其特征在于：所述充电回路采用同步充电方式或顺序充电方式。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种无源均压控制电路，其特征在于：所述充电隔离变压器包括初级绕组和整流绕组，所述初级绕组采用星形结构或三角形结构后，再连接所述充电回路，所述整流绕组连接所述整流器的输出端。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种无源均压控制电路，其特征在于：每个所述单相隔离变压器均包括初级绕组和整流绕组，所述初级绕组连接所述H桥单元中逆变器的输出端，所述整流绕组连接下一级所述H桥单元中整流器的输入端。
7.如权利要求5所述的一种无源均压控制电路，其特征在于：每个所述单相隔离变压器均包括初级绕组和整流绕组，所述初级绕组连接所述H桥单元中逆变器的输出端，所述整流绕组连接下一级所述H桥单元中整流器的输入端。
8.如权利要求1或2或3或4所述的一种无源均压控制电路，其特征在于：所述单相隔离变压器共设置有N×3个，其中，N为所述级联逆变拓扑结构装置中H桥单元的级联数。
9.如权利要求5所述的一种无源均压控制电路，其特征在于：所述单相隔离变压器共设置有N×3个，其中，N为所述级联逆变拓扑结构装置中H桥单元的级联数。
10.如权利要求6所述的一种无源均压控制电路，其特征在于：所述单相隔离变压器共设置有N×3个，其中，N为所述级联逆变拓扑结构装置中H桥单元的级联数。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130123 |