CN114268105A - 一种基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器及控制方法 - Google Patents

一种基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器及控制方法 Download PDF

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刘咏妮
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王萍
张俊奇
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Abstract

本发明公开了一种基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器及控制方法，其拓扑结构主要包括旁路部分和主路部分，主路部分包括左桥臂、中间桥臂、右桥臂、直流母线电容C1、滤波电感L1、滤波电感L2，旁路部分包括反向并联的晶闸管VT与接触器K，晶闸管VT与接触器K并连接，旁路部分的一端与电网的L线连接、另一端与负载ZL的正极连接。该发明中，左桥臂与右桥臂间形成寄生boost升压电路，实现母线电压的抬升及整流侧功率因数的校正，该拓扑结构能够根据补偿电压的大小调节右桥臂晶闸管触发，调节母线电压大小，在补偿小电压的情况下降低母线电压提升输出效率，在补偿大电压的情况下提升母线电压，保证拓扑在大的电压跌落情况下的补偿能力。

Description

一种基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器及 控制方法
技术领域
本发明涉及电能质量治理领域，具体涉及一种基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器及控制方法。
背景技术
随着工业技术的发展，用电设备的数量、种类日益增加，容易产生欠压过压、电压谐波等电压质量问题。
针对存在的电压质量问题，目前治理的措施有调压变压器以及无变压器的串联有源电压质量调节器；变压器存在重量大，只能固定调压无法解决过压和电压谐波的问题，负载较大时容易磁饱以及损耗较大；现有的无变压器的串联有源电压质量调节器无论基于DySC、背靠背的H桥还是基于PB-AVQR的拓扑结构，本质上都是基于半桥的结构，输出往往纹波较大需要较大的滤波参数增加设备的体积，基于DySC的拓扑构母线电压的实际是通过并联侧的不控整流桥整流得到，因此母线电压的大小受电网电压影响很大，当电网电压较大时母线电网很高对于电压的补偿绰绰有余，当电网电压跌落深度较大时，母线电压也随之降低到较低的值并且无法满足电压的补偿的需求，因此受限于拓扑结构的特点DySC的拓扑结构无法满足大的跌落深度的补偿；基于H桥及PB-AVQR的拓扑结构，其母线电压往往维持在一个较高的水平，可以满足大的跌落深度电压的补偿，但是对于小电压补偿时母线电压的大小显得过剩，因此设备的输出效率往往较低。
如何解决上述存在的串联有源电压质量调节器存在的问题，是本领域技术人员致力于解决的事情。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器，其拓扑结构主要包括旁路部分和主路部分，所述主路部分包括左桥臂、中间桥臂、右桥臂、直流母线电容C1、滤波电感L1、滤波电感L2，
所述左桥臂包括串联的开关管V1和开关管V2，开关管V1的集电极与直流母线电容C1的正极连接，开关管V2的发射极与直流母线电容C1的负极连接；
所述中间桥臂包括串联的开关管V3和开关管V4，开关管V3的集电极与直流母线电容C1的正极连接，开关管V4的发射极与直流母线电容C1的负极连接；
所述右桥臂包括串联的晶闸管V5和晶闸管V6，晶闸管V5的阴极与开关管V3的集电极连接，晶闸管V6的阳极与开关管V4的发射极连接；
滤波电感L1的一端与晶闸管V5的阳极或晶闸管V6的阴极连接、另一端与负载ZL的负极连接；滤波电感L2的一端与开关管V3的发射极或开关管V4的集电极连接、另一端与负载ZL的正极连接；
所述旁路部分包括反向并联的晶闸管VT与接触器K，晶闸管VT与接触器K并连接，旁路部分的一端与电网的L线连接、另一端与负载ZL的正极连接。
优选地，所述主路部分还包括滤波电容C2，所述滤波电容C2并联在旁路部分的两端，一端与电网的L线连接、另一端与负载ZL的正极连接。
优选地，所述主路部分还包括二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3及二极管VD4，二极管VD1、二极管VD2分别为开关管V1、开关管V2的反并联二极管，二极管VD3及二极管VD4分别为开关管V1、开关管V2的反并联二极管。
作为一种具体的实施方式，所述开关管V1、开关管V2、开关管V3及开关管V4均采用了IGBT开关管。
本发明的另一个目的是提供上述基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器的控制方法，具体步骤如下：
当电网电压处于正半周时，左桥臂的开关管V1、开关管V2处于交替导通的状态，当开关管V1关断开关管V2导通时，此时电网电源Vs通过路径V2-V6-L1向滤波电感L1充电，当开关管V1导通开关管V2关断时，此时电网电源Vs及滤波电感L1通过路径VD1-C1-V6-L1向直流母线电容C1充电，在此过程滤波电感L1储存的能量转移到直流母线电容C1，实现直流母线电容C1的boost升压；
当电网电压处于负半周时，左桥臂的开关管V1、开关管V2处于交替导通的状态，当开关管V1导通开关管V2关断时，此时电网电源Vs通过路径L1-V5-V1向滤波电感L1充电，当开关管V1关断开关管V2导通时，此时电网电源Vs及滤波电感L1通过路径L1-V5-C1-VD2向滤波电容C1充电，此过程将滤波电感L1储存的能量转移到直流母线电容C1，实现直流母线C1的boost的升压。
优选地，当电网电压正常时，旁路部分的晶闸管VT与接触器K同时给定导通信号，在接触器K闭合后断开晶闸管VT，电网电源Vs通过旁路部分的接触器K向负载ZL供电，此时电路处于旁路运行状态；当电网电压异常时，旁路部分的晶闸管VT触发导通接触器K断开，主路部分输出负载电流将流过晶闸管VT的负载电流换流到主路，此时断开晶闸管VT，电路切换至主路运行状态。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1）左桥臂与右桥臂之间形成寄生boost升压电路，在电压质量调节器逆变补偿负载电压母线电压跌落的情况下，维持母线电压处于较高的值，保证调节器的补偿能力维持负载电压的稳定性；
2）本发明可以根据补偿电压的大小，调节晶闸管触发角的大小，使得母线电压既可以满足补偿电压的需求又不至于太高，因此可以选择低耐压的器件降低设备的体积与成本，并提高拓扑的输出效率；
3）相较于半桥的电压质量调节器，本发明提出的拓扑由单相全桥逆变输出补偿电压，因此输出纹波较小不需要很大的滤波参数，可以减小设备的体积；
4）相较于现有的电压质量调节器，本发明在补偿电压跌落的同时也可实现一点电压谐波的质量，保证了电源电压的质量。
附图说明
图1是本发明基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器的结构图；
图2为本发明在电网电压正半周时桥臂之间形成寄生boost升压电路的换流过程中开关管V2导通时的状态；
图3为本发明在电网电压正半周时桥臂之间形成寄生boost升压电路的换流过程中开关管V1导通时的状态；
图4为本发明在电网电压负半周时桥臂之间形成寄生boost升压电路的换流过程中开关管V1导通时的状态；
图5本发明在电网电压负半周时桥臂之间形成寄生boost升压电路的换流过程中开关管V2导通时的状态。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
一种基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器，其拓扑结构主要包括旁路部分和主路部分。
参见图1所示，主路部分包括左桥臂、中间桥臂、右桥臂、直流母线电容C1、滤波电感L1、滤波电感L2及滤波电容C2。
左桥臂包括串联的开关管V1和开关管V2，开关管V1的集电极与直流母线电容C1的正极连接，开关管V2的发射极与直流母线电容C1的负极连接。
中间桥臂包括串联的开关管V3和开关管V4，开关管V3的集电极与直流母线电容C1的正极连接，开关管V4的发射极与直流母线电容C1的负极连接。
右桥臂包括串联的晶闸管V5和晶闸管V6，晶闸管V5的阴极与开关管V3的集电极连接，晶闸管V6的阳极与开关管V4的发射极连接。
滤波电感L1的一端与晶闸管V5的阳极或晶闸管V6的阴极连接、另一端与负载ZL的负极连接；滤波电感L2的一端与开关管V3的发射极或开关管V4的集电极连接、另一端与负载ZL的正极连接。
滤波电容C2并联在旁路部分的两端，一端与电网的L线连接、另一端与负载ZL的正极连接。
旁路部分包括反向并联的晶闸管VT与接触器K，晶闸管VT与接触器K并连接，旁路部分的一端与电网的L线连接、另一端与负载ZL的正极连接。
这里，主路部分还包括二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3及二极管VD4，二极管VD1、二极管VD2分别为开关管V1、开关管V2的反并联二极管，二极管VD3及二极管VD4分别为开关管V1、开关管V2的反并联二极管。开关管V1、开关管V2、开关管V3及开关管V4均采用了IGBT开关管。
图2、3所示为当电网电压处于正半周时，左桥臂与右桥臂之间形成boost升压电路，左桥臂的开关管V1、开关管V2交替导通，图2所示，当开关管V1关断、开关管V2导通时，电网电源Vs通过路径V2-V6-L1向滤波电感L1充电，此过程中，滤波电感L1储存的能量转移至直流母线电容C1，实现直流母线电容C1的boost升压过程。图3所示，当开关管V1导通、开关管V2关断时，电网电源Vs及滤波电感L1通过路径VD1-C1-V6-L1向直流母线电容C1充电，此过程电网电源Vs及滤波电感L1共同向直流母线电容C1充电，滤波电感L1在上个阶段储存的能量转移到直流母线电容C1中，此过程即为电网电压正半周的一个boost升压过程。
图4、5所示为当电网电压处于负半周时，桥臂之间形成boost升压电路的过程，左桥臂的开关管V1、开关管V2交替导通。图4所示，当开关管V1导通开关管V2关断时，电网电源通过路径L1-V5-V1向滤波电感L1充电，图5所示，当开关管V1关断开关管V2导通时，电网电源Vs及滤波电感L1通过路径L1-V5-C1-VD2向直流母线电容C1充电，此过程电网电源Vs及滤波电感L1共同向直流母线电容C1充电，滤波电感L1在上个阶段储存的能量转移到直流母线电容C1中，此过程即为一个完成的boost升压过程。
当电网电压正常时，旁路部分的晶闸管VT与接触器K同时给定导通信号，在接触器K闭合后断开晶闸管VT，电网电源Vs通过旁路部分的接触器K向负载ZL供电，此时电路处于旁路运行状态；当电网电压异常时，旁路部分的晶闸管VT触发导通接触器K断开，主路部分输出负载电流将流过晶闸管VT的负载电流换流到主路，此时断开晶闸管VT，电路切换至主路运行状态。主路的H桥逆变输出补偿电压维持负载电压的稳定，此状态为主路运行状态。当电网电压跌落时，H桥实行同相补偿的控制策略，当电网过压时，H桥实行移相补偿的控制策略。
由图2至图5的换流过程可知，在左半桥IGBT管子交替导通的过程中，会形成寄生电压电路，滤波电感L1周期性储存能量并将能量转移到直流母线电压C1中实现母线电压的抬升，但是当电网电压跌落较小时母线电压相较于补偿电压的需求而言显的偏高，降低设备的输出效率，因此可以通过调节右半桥晶闸管的触发角，调整整流后的母线电压值在一个合适的大小，既可以满足电压补偿的需求又可以提高设备的输出效率。
由于拓扑结构的特点，左桥臂与右桥臂在开关管动作的过程中会形成寄生boost升压电路以维持母线电压处于较高的水平，两个IGBT桥臂组成的H桥随着调制方式的不同母线电压升压效果也有所不同，存在母线电压始终处于较高水平的情况，并且高于电压补偿的需求，同时当电压跌落较小时母线电压往往对于电压的补偿也是过剩的，过剩偏高的母线电压不仅需要使用较大耐压的器件增加设备的体积与成本同时也会降低调节器的输出效率。基于此可根据补偿电压的大小调节右桥臂晶闸管的触发角大小，调整母线电压的大小，提升拓扑的输出效率，当补偿小电压时，增加触发角大小，减小整流后的母线电压，当不补偿大电压时，减小触发角大小，增加整流后的母线电压值，使得母线电压在满足补偿需求的条件下不至于太高，提升调节器的输出效率。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器，其拓扑结构主要包括旁路部分和主路部分，其特征在于，所述主路部分包括左桥臂、中间桥臂、右桥臂、直流母线电容C1、滤波电感L1、滤波电感L2，
所述左桥臂包括串联的开关管V1和开关管V2，开关管V1的集电极与直流母线电容C1的正极连接，开关管V2的发射极与直流母线电容C1的负极连接；
所述中间桥臂包括串联的开关管V3和开关管V4，开关管V3的集电极与直流母线电容C1的正极连接，开关管V4的发射极与直流母线电容C1的负极连接；
所述右桥臂包括串联的晶闸管V5和晶闸管V6，晶闸管V5的阴极与开关管V3的集电极连接，晶闸管V6的阳极与开关管V4的发射极连接；
滤波电感L1的一端与晶闸管V5的阳极或晶闸管V6的阴极连接、另一端与负载ZL的负极连接；滤波电感L2的一端与开关管V3的发射极或开关管V4的集电极连接、另一端与负载ZL的正极连接；
所述旁路部分包括反向并联的晶闸管VT与接触器K，晶闸管VT与接触器K并连接，旁路部分的一端与电网的L线连接、另一端与负载ZL的正极连接。
2.根据权利要求1所述的基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器，其特征在于，所述主路部分还包括滤波电容C2，所述滤波电容C2并联在旁路部分的两端，一端与电网的L线连接、另一端与负载ZL的正极连接。
3.根据权利要求1所述的基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器，其特征在于，所述主路部分还包括二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3及二极管VD4，二极管VD1、二极管VD2分别为开关管V1、开关管V2的反并联二极管，二极管VD3及二极管VD4分别为开关管V1、开关管V2的反并联二极管。
4.根据权利要求1所述的基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器，其特征在于，所述开关管V1、开关管V2、开关管V3及开关管V4均采用了IGBT开关管。
5.根据权利要求1至4任一所述的基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器的控制方法，其特征在于，具体步骤包括：
当电网电压处于正半周时，左桥臂的开关管V1、开关管V2处于交替导通的状态，当开关管V1关断开关管V2导通时，此时电网电源Vs通过路径V2-V6-L1向滤波电感L1充电，当开关管V1导通开关管V2关断时，此时电网电源Vs及滤波电感L1通过路径VD1-C1-V6-L1向直流母线电容C1充电，在此过程滤波电感L1储存的能量转移到直流母线电容C1，实现直流母线电容C1的boost升压；
当电网电压处于负半周时，左桥臂的开关管V1、开关管V2处于交替导通的状态，当开关管V1导通开关管V2关断时，此时电网电源Vs通过路径L1-V5-V1向滤波电感L1充电，当开关管V1关断开关管V2导通时，此时电网电源Vs及滤波电感L1通过路径L1-V5-C1-VD2向滤波电容C1充电，此过程将滤波电感L1储存的能量转移到直流母线电容C1，实现直流母线C1的boost的升压。
6.根据权利要求5所述的基于寄生升压电路的三桥臂串联有源电压质量调节器的控制方法，其特征在于，当电网电压正常时，旁路部分的晶闸管VT与接触器K同时给定导通信号，在接触器K闭合后断开晶闸管VT，电网电源Vs通过旁路部分的接触器K向负载ZL供电，此时电路处于旁路运行状态；当电网电压异常时，旁路部分的晶闸管VT触发导通接触器K断开，主路部分输出负载电流将流过晶闸管VT的负载电流换流到主路，此时断开晶闸管VT，电路切换至主路运行状态。
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