CN110138243B - 适用于不平衡电网中的三相整流电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于不平衡电网中的三相整流电路，其用于将三相交流电源转换为直流电源，三相整流电路包括：三相整流桥臂电路，其与三相交流电源相连，用于对三相交流电源进行整流；耦合电路，其包括第一电容C1、第二电容C2、电感L和位于直流侧的负载电阻Rload，第一电容C1和第二电容C2串联后分别与三相整流桥臂电路的两个输出端相连，电感L一端与三相交流电源的其中一相电源输出端相连，另一端连接在第一电容C1和第二电容C2之间，负载电阻Rload的两端分别与三相整流桥臂电路的两个输出端相连。本发明提供一耦合电路将不平衡电网中产生的低次振荡功率转移到耦合电路中，保持直流侧电压稳定，改善直流侧的电能质量，维持直流侧负载的正常运行。

Description

适用于不平衡电网中的三相整流电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子控制领域，具体涉及一种适用于不平衡电网中的三相整流电路及其控制方法。
背景技术
复杂电网在交流侧转换为直流侧时，为了保证直流侧的电流稳定性及其负载的可靠运行，常常采用柔***流输电FACTS(Flexible Alternative Current TransmissionSystems)装置，尤其是三相三线制FACTS装置。常规的FACTS装置在电网侧电压/电流出现不平衡时，FACTS装置的直流侧中会出现较大的低次振荡功率，所述低次振荡功率很大程度地影响直流侧负载设备的工作，易出现错误的动作、恶化直流侧电能质量甚至于是降低电网质量的可靠性。
在现有技术中，申请号“201310567812.X”公开了一种三相电源整流器及其控制方法和三相电源变频器，其公开了与三相电源和信号输出端分别相连接的三相PWM整流电路、以及与所述三相PWM整流电路相连的电容组，将所述三相电源的相电压的参考值作为输入信号；通过SPWM对所述输入信号进行调制，得到脉冲宽度调制信号；计算所述脉冲宽度调制信号的占空比；如所述占空比发出所述脉冲宽度调制信号控制所述三相PWM整流电路以调节所述相电流的相位跟随所述相电压的相位；该方案能够将交流电转换为直流电，且提高三相电源整流器功率因素的效果，但在本方案中，其直流侧是默认不波动的，然而实际中仍然会存在波动。
因此，本发明所要解决问题是进一步降低甚至于消除所述低次振荡功率。
在《一种APF直流侧电容电压的新型控制策略研究》一文中，提出了一种新型的电容电压控制策略，解决有源电力滤波器(APF)因直流侧电压出现衰减或波动而导致APF可能无法输出补偿电流，或者出现补偿效果不理想的情况。从该文中我们可以看到传统PI控制策略下直流侧电容电压所有的时间在0.06s左右，使用新型的电容电压控制策略电容电压从开始上升到稳定的时间相对于传统PI控制更短，大约在0.04s左右。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于不平衡电网中的三相整流电路及其控制方法，提供一耦合电路将不平衡电网中产生的低次振荡功率转移到耦合电路中，保持直流侧电压稳定，改善直流侧的电能质量，维持直流侧负载的正常运行。
为达到以上目的，第一方面，本发明实施例提供一种适用于不平衡电网中的三相整流电路，其用于将三相交流电源转换为直流电源，所述三相整流电路包括：
三相整流桥臂电路，其与所述三相交流电源相连，用于对所述三相交流电源进行整流；
耦合电路，其包括第一电容C1、第二电容C2、电感L和位于直流侧的负载电阻Rload，所述第一电容C1和第二电容C2串联后分别与所述三相整流桥臂电路的两个输出端相连，所述电感L一端与所述三相交流电源的其中一相电源输出端相连，另一端连接在所述第一电容C1和第二电容C2之间，所述负载电阻Rload的两端分别与所述三相整流桥臂电路的两个输出端相连。
在上述技术方案的基础上，所述第一电容C1和所述第二电容C2均为电解电容。
在上述技术方案的基础上，所述第一电容C1和所述第二电容C2的电容值相同。
在上述技术方案的基础上，所述三相整流桥臂电路为三相六臂结构，每臂包含一开关器件，每相包括一上臂和一下臂；每个所述开关器件包括一三极管、与所述三极管反向并联的二极管。
在上述技术方案的基础上，所述三相交流电源的三相电源输出端分别连于对应相的所述上臂和所述下臂之间。
在上述技术方案的基础上，所述三相整流电路还包括：
控制器，其与所有所述三极管的控制极均相连，所述控制器用于控制所述开关器件的导通或隔断，使每相中的两所述开关器件不同时导通或隔断。
在上述技术方案的基础上，所述控制器内存储有比例谐振PR控制算法，所述PR控制算法的传递函数为：
Figure BDA0002078988560000031
式中，kr为积分增益系数；ω为给定信号的频率。
第二方面，本发明实施例还提供一种如上述的适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制方法，所述控制方法的步骤包括：
根据三相交流电源的总功率，采用比例谐振PR控制算法提取所述三相交流电源中的低次振荡功率；
根据所述低次振荡功率、第二电容C2在耦合电路中的电压分配比例、以及所述第二电容C2在常规控制下直流侧稳定后两端的电压，计算所述第二电容C2的耦合电压信号；
将所述第二电容C2的耦合电压信号与连于所述电感L一端的一相整流桥臂电路上在常规控制下的控制电压信号相加，得到该相整流桥臂电路上修正后的控制电压信号；
将所述修正后的控制电压信号转换为脉冲宽度调制的控制信号并输出至该相整流桥臂电路上。
在上述技术方案的基础上，所述计算所述第二电容C2的耦合电压信号的具体步骤包括：
将根据所述低次振荡功率计算出的控制电压幅值和相角作为耦合电路上的控制电压幅值和相角；
根据所述耦合电路上的控制电压幅值和相角计算出所述耦合电路上的控制电压；
根据所述耦合电路上的控制电压和所述第二电容C2上分配电压比例得到所述第二电容C2的控制电压；
将在常规控制下直流侧稳定后所述第二电容C2两端的电压减去所述第二电容C2的控制电压得到所述第二电容C2的耦合电压信号。
在上述技术方案的基础上，所述控制方法的步骤还包括：
根据三相整流桥臂电路的整流要求，计算出触发角，确定常规控制下的每相整流桥臂电路的控制电压信号；
将未与所述电感L相连的两相整流桥臂电路上的两个所述控制电压信号分别转换为脉冲宽度调制的控制信号并输出至对应相整流桥臂电路上。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供的一种适用于不平衡电网中的三相整流电路及其控制方法，提供一耦合电路将不平衡电网中的低次振荡功率转移到耦合电路中，即两电容各自分担低次震荡功率，低次震荡功率在耦合电路中可相互抵消；当两个电容的电容值相同时，可维持负载电阻所在的直流侧为一个几乎无振荡的直流电压，保持直流侧电压的稳定性，改善直流侧的电能质量，维持直流侧负载的正常运行；
(2)采用比例谐振PR控制算法，直流侧的电压达到稳定所用的时间为0.02s，相较于现有的控制策略而言，有效缩短直流侧的电压达到稳定的所用的时间，改善直流侧的电能质量，维持直流侧负载的正常运行。
附图说明
图1为本发明实施例中一种适用于不平衡电网中的三相整流电路的电路图；
图2为本发明实施例中一种适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制原理图；
图3为本发明实施例中低次震荡功率的波形图；
图4为本发明实施例中控制电压幅值Uc和相角
Figure BDA0002078988560000051
的Bode图；
图5为本发明实施例中第一电容C1和第二电容C2的控制电压波形图；
图6为本发明实施例中直流侧负载电阻两端的电压波形图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种适用于不平衡电网中的三相整流电路，其用于将三相交流电源转换为直流电源，所述三相整流电路包括三相整流桥臂电路和耦合电路，所述三相整流桥臂电路与所述三相交流电源相连，用于对所述三相交流电源进行整流；所述耦合电路包括第一电容C1、第二电容C2、电感L和位于直流侧的负载电阻Rload，所述第一电容C1和第二电容C2串联后分别与所述三相整流桥臂电路的两个输出端相连，所述电感L一端与所述三相交流电源的其中一相电源输出端相连，另一端连接在所述第一电容C1和第二电容C2之间，所述负载电阻Rload的两端分别与所述三相整流桥臂电路的两个输出端相连。
本发明实施例提供的一种适用于不平衡电网中的三相整流电路，提供一耦合电路将不平衡电网中的低次振荡功率转移到耦合电路中，即两电容各自分担低次震荡功率，低次震荡功率在耦合电路中可相互抵消，保持直流侧电压稳定，改善直流侧的电能质量，维持直流侧负载的正常运行。
具体地，所述第一电容C1和所述第二电容C2均为电解电容。具有极性的电解电容能够保障电流按预设的流向形成回路。
作为对本实施例的进一步完善与补充，所述第一电容C1和所述第二电容C2的电容值相同。当两个电容的电容值相同时，所述第一电容C1和所述第二电容C2各自分担低次震荡功率的一半，且相互抵消，可维持负载电阻所在的直流侧为一个几乎无振荡的直流电压，保持直流侧电压的稳定性，改善直流侧的电能质量，维持直流侧负载的正常运行。
具体地，所述三相整流桥臂电路为三相六臂结构，每臂包含一开关器件，每相包括一上臂和一下臂；每个所述开关器件包括一三极管、与所述三极管反向并联的二极管。进一步地，所述三相交流电源的三相电源输出端分别连于对应相的所述上臂和所述下臂之间。所述开关器件为电力场效晶体管POWER MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR中的任意一种或者多种。
进一步地，所述三相整流电路还包括控制器，所述控制器与所有所述三极管的控制极均相连，所述控制器用于控制所述开关器件的导通或隔断，使每相中的两所述开关器件不同时导通或隔断。
更为具体地，所述控制器内存储有比例谐振PR控制算法，所述PR控制算法的传递函数为：
Figure BDA0002078988560000071
式中，kr为积分增益系数；ω为给定信号的频率。
在本发明实施例中，采用上述比例谐振PR控制算法，在仿真模拟实验中，直流侧的电压达到稳定所用的时间为0.02s，相较于现有的控制策略而言，控制算法简便，有效缩短直流侧的电压达到稳定的所用的时间，改善直流侧的电能质量，维持直流侧负载的正常运行。
参见图1所示，本实施例提供的一种适用于不平衡电网中的三相整流电路，位于电网侧的三相交流电源的三相电源输出端分别连于三相整流桥臂电路中对应相的上臂和下臂之间，即分别连于A、B、C处，其中耦合电路中的电感L一端连于C处，另一端连于所述第一电容C1和第二电容C2之间的D处，所述第一电容C1和第二电容C2串联，且所述第二电容C2的正极与所述电感L相连，所述第一电容C1的正极和所述第二电容C2的负极分别与所述三相整流桥臂电路的两个输出端相连，其中所述三相整流桥臂电路中的所有上臂和所有下臂均与存储有比例谐振PR控制算法的控制器相连，所述控制器用于控制所述开关器件的导通或隔断，使每相中的两所述开关器件不同时导通或隔断。
一般情况下，电网中的三相电压不平衡而电流平衡，且FACTS装置处于整流状态，在未使用本发明中的耦合电路时，直流侧会出现一个低次震荡功率，影响直流侧的电流稳定性，基于此，在本发明实施例中，控制器控制与C点相连的上臂中的开关器件导通、下臂中的开关器件隔断，电网侧的电流经电感L后依次流经第二电容C2、负载电阻Rload、第一电容C1并形成电流回路；当控制器控制与C点相连的上臂中的开关器件隔断、下臂中的开关器件导通时，电网侧的电流流向仍相同，因此，第一电容C1和第二电容C2则用于将直流侧的负载电路中的低次震荡功率进行耦合，且所述电感L还可隔断交流电，提高了直流侧的电流稳定性。
本发明实施例还提供一种适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制方法，所述控制方法应用于上述的控制电路中，其控制原理图参见图2所示，所述控制方法的步骤包括：
根据三相交流电源的总功率，采用比例谐振PR控制算法提取所述三相交流电源中的低次振荡功率；
根据所述低次振荡功率、第二电容C2在耦合电路中的电压分配比例、以及所述第二电容C2在常规控制下直流侧稳定后两端的电压，计算所述第二电容C2的耦合电压信号；
将所述第二电容C2的耦合电压信号与连于所述电感L一端的一相整流桥臂电路上在常规控制下的控制电压信号相加，得到该相整流桥臂电路上修正后的控制电压信号；
将所述修正后的控制电压信号转换为脉冲宽度调制的控制信号并输出至该相整流桥臂电路上。
本发明实施例提供的一种适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制方法，使用该控制方法将用于修正控制器控制与C点相连的上臂中的开关器件导通、下臂中的开关器件隔断的控制电压信号，有效缩短直流侧的电压达到稳定的所用的时间，改善直流侧的电能质量，维持直流侧负载的正常运行。
具体地，所述计算所述第二电容C2的耦合电压信号的具体步骤包括：
将根据所述低次振荡功率计算出的控制电压幅值和相角作为耦合电路上的控制电压幅值和相角；
根据所述耦合电路上的控制电压幅值和相角计算出所述耦合电路上的控制电压；
根据所述耦合电路上的控制电压和所述第二电容C2上分配电压比例得到所述第二电容C2的控制电压；
将在常规控制下直流侧稳定后所述第二电容C2两端的电压减去所述第二电容C2的控制电压得到所述第二电容C2的耦合电压信号。
作为本发明实施例的一种优选方案，所述控制方法的步骤还包括：
根据三相整流桥臂电路的整流要求，计算出触发角，确定常规控制下的每相整流桥臂电路的控制电压信号；
将未与所述电感L相连的两相整流桥臂电路上的两个所述控制电压信号分别转换为脉冲宽度调制的控制信号并输出至对应相整流桥臂电路上。
在本实施例中，更为具体地，已知电网电压为不平衡电压，电流为平衡电流，其具体参数详见表1，则三相交流电的总功率pa：
Figure BDA0002078988560000091
可知，总功率是有直流部分的功率p0和低次震荡功率pr组成。
表1不平衡电压和平衡电流的参数表
Figure BDA0002078988560000101
下面以一个具体的实施例进一步解释本发明。
所述控制方法包括：
步骤1：根据三相整流桥臂电路的整流要求，计算出触发角，确定常规控制下的每相整流桥臂电路的控制电压信号vA，vB，vcc。
步骤2：使用存储有比例谐振PR控制算法的PR控制器提取三相交流电源中的低次震荡功率pr；
参见图3可知，低次震荡功率pr在经过一个电网周期0.02s左右之后会趋于有规律地周期性变化，因此，在实际应用中，提取0.02s之后的低次震荡功率pr进行下一步计算。并且，所述PR控制算法的传递函数为：
Figure BDA0002078988560000102
式中，kr为积分增益系数；ω为给定信号的频率，且在本实施例中kr＝8，ω＝ω＝2*2*π*50。
步骤3：根据0.02s之后提取的所述低次震荡功率pr计算出一组控制电压幅值Uc和相角
Figure BDA0002078988560000105
控制电压幅值Uc和相角
Figure BDA0002078988560000103
的Bode图如图4所示；
上述计算出一组控制电压幅值Uc和相角
Figure BDA0002078988560000104
的计算公式为
Figure BDA0002078988560000111
并将该组控制电压幅值Uc和相角
Figure BDA0002078988560000112
作为第一电容C1和第二电容C2形成的电路上的一组控制电压幅值和相角。
步骤4：根据所述控制电压幅值Uc和相角
Figure BDA0002078988560000113
计算出第一电容C1和第二电容C2上的控制电压uc2，即
Figure BDA0002078988560000114
其中，第一电容C1和第二电容C2的电容值相同，参见图5所示，第一电容C1和第二电容C2上的控制电压大小相同，方向相反，因此所述第一电容C1和第二电容C2上的低次震荡功率互相抵消，可稳定直流侧的电压。
步骤5：将在常规控制下直流侧稳定后的第二电容C2两端的电压
Figure BDA0002078988560000115
减去第二电容C2的控制电压uc2得到第二电容C2的耦合电压信号uc，即
Figure BDA0002078988560000116
步骤6：将所述第二电容C2的耦合电压信号uc2与C点所在的整流桥臂电路在常规控制下的控制电压信号vcc相加，得到该相整流桥臂电路上修正后的控制电压信号vC，即vC＝vc+vcc。
步骤7：将所述修正后的控制电压信号vC转换为脉冲宽度调制的控制信号并输出至该相整流桥臂电路上，同时，常规控制下的A、B点所在的整流桥臂电路的控制电压信号vA，vB也转换为脉冲宽度调制的控制信号并输出至该相整流桥臂电路上，即可控制开关器件的开关。
参见图6所示，在使用本发明实施例中的适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制方法之后，在大约经过0.02s后，直流侧的电压已经趋于稳定状态，缩短了直流侧的电压从开始上升到稳定的时间，缩短直流侧电压不稳定的时间，可改善直流侧的电能质量，维持直流侧负载的正常运行。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制方法，所述三相整流电路用于将三相交流电源转换为直流电源，其特征在于，所述三相整流电路包括：
三相整流桥臂电路，其与所述三相交流电源相连，用于对所述三相交流电源进行整流；
耦合电路，其包括第一电容C1、第二电容C2、电感L和位于直流侧的负载电阻Rload，所述第一电容C1和第二电容C2串联后分别与所述三相整流桥臂电路的两个输出端相连，所述电感L一端与所述三相交流电源的其中一相电源输出端相连，另一端连接在所述第一电容C1和第二电容C2之间，所述负载电阻Rload的两端分别与所述三相整流桥臂电路的两个输出端相连；
所述控制方法的步骤包括：
根据三相交流电源的总功率，采用比例谐振PR控制算法提取所述三相交流电源中的低次振荡功率；
根据所述低次振荡功率、第二电容C2在耦合电路中的电压分配比例、以及所述第二电容C2在常规控制下直流侧稳定后两端的电压，计算所述第二电容C2的耦合电压信号；
将所述第二电容C2的耦合电压信号与连于所述电感L一端的一相整流桥臂电路上在常规控制下的控制电压信号相加，得到该相整流桥臂电路上修正后的控制电压信号；
将所述修正后的控制电压信号转换为脉冲宽度调制的控制信号并输出至该相整流桥臂电路上。
2.如权利要求1所述的适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制方法，其特征在于，所述第一电容C1和所述第二电容C2均为电解电容。
3.如权利要求1所述的适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制方法，其特征在于，所述第一电容C1和所述第二电容C2的电容值相同。
4.如权利要求1所述的适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制方法，其特征在于，所述三相整流桥臂电路为三相六臂结构，每臂包含一开关器件，每相包括一上臂和一下臂；每个所述开关器件包括一三极管、与所述三极管反向并联的二极管。
5.根据权利要求4所述的适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制方法，其特征在于，所述三相交流电源的三相电源输出端分别连于对应相的所述上臂和所述下臂之间。
6.如权利要求4所述的适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制方法，其特征在于，所述三相整流电路还包括：
控制器，其与所有所述三极管的控制极均相连，所述控制器用于控制所述开关器件的导通或隔断，使每相中的两所述开关器件不同时导通或隔断。
7.如权利要求6所述的适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制方法，其特征在于，所述控制器内存储有比例谐振PR控制算法，所述PR控制算法的传递函数为：
Figure FDA0002362728000000021
式中，kr为积分增益系数；ω为给定信号的频率。
8.如权利要求1～7任意一项所述的适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制方法，其特征在于，所述计算所述第二电容C2的耦合电压信号的具体步骤包括：
将根据所述低次振荡功率计算出的控制电压幅值和相角作为耦合电路上的控制电压幅值和相角；
根据所述耦合电路上的控制电压幅值和相角计算出所述耦合电路上的控制电压；
根据所述耦合电路上的控制电压和所述第二电容C2上分配电压比例得到所述第二电容C2的控制电压；
将在常规控制下直流侧稳定后所述第二电容C2两端的电压减去所述第二电容C2的控制电压得到所述第二电容C2的耦合电压信号。
9.如权利要求1～7任意一项所述的适用于不平衡电网中的三相整流电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法的步骤还包括：
根据三相整流桥臂电路的整流要求，计算出触发角，确定常规控制下的每相整流桥臂电路的控制电压信号；
将未与所述电感L相连的两相整流桥臂电路上的两个所述控制电压信号分别转换为脉冲宽度调制的控制信号并输出至对应相整流桥臂电路上。
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