CN101247073A - 适用于多组整流装置的能量回馈及谐波无功补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多组整流装置的能量回馈及谐波无功补偿系统，包括功率开关管组、控制装置、功率三相桥和滤波装置。功率开关管组中n个功率开关管的正极分别接整流装置的直流母线电压输出端，其负极均与功率三相桥的直流母线电压正极相接；控制装置用于控制功率三相桥的功率开关管的开通与关断；功率三相桥根据控制装置提供的指令控制功率开关管的闭合，产生补偿电流；滤波装置接受来自功率三相桥的补偿电流，滤出系统产生的高次谐波，将补偿电流补偿入电网，并将该电流信号提供给控制装置。本发明可以实现对多组不可控二极管整流系统的能量回馈、有源滤波和无功补偿功能。多组不可控二极管整流系统分别可以在不同的工作状态下工作。

Description

适用于多组整流装置的能量回馈及谐波无功补偿系统

技术领域

本发明技术涉及电工电子和电力传动技术领域，具体涉及一种适用于多组整流装置的能量回馈及谐波无功补偿系统。

背景技术

在电工电子技术领域，二极管整流电路简单、经济可靠，因而在目前大部分的电力电子和电力传动系统中被广泛应用；但是，这种二极管整流电路的整流器广泛使用，也带来了以下如下几个方面的问题：

参考机械工业出版社出版的《电力电子技术》，书中提到二极管整流的以下缺点：

1.二极管整流会使网侧电流波形严重畸变，造成功率因数较低，最高功率因数只在0.8左右；大量无功功率的消耗给电网带来额外的负担，增加了输电线路的损耗，而且严重的影响了整个电网的供电质量，需要采用必要的无功补偿来改变这种状况。

2.在对二极管整流器的输入电流进行频谱分析，发现输入电流中含有非常丰富的低次谐波电流，这种低次谐波电流有损于供电质量，必须进行必要的谐波治理。

3.若改用pwm整流可以得到很好的滤波效果，但它的缺点如下：1)目前大部分系统中采用的为不可整流系统，若大范围的以可控PWM整流替代二极管不可控整流，这种做法在实际应用中不太现实；2)在大功率的电路系统中，如果完全用可控的PWM整流代替二极管整流，则全控的功率开关管需要很大的容量，成本很高，而且实现起来非常困难，所以，这种通过可控的PWM整流的方法来全面解决二极管整流系统所存在的问题，也不具有实际意义。

若在交流变频调速系统中采用这种二极管整流技术，由于二极管的单向导电性能，则电机制动过程中的再生能量将无法回馈给电网，实际的交流调速系统为了使得各个装置安全运行，这部分能量还必须通过一定的途径将其消耗掉；因而在系统中一般采用能耗制动方式，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，从而实现电机的四象限安全运行。该方法虽然简单，但是存在如下缺点：：1)大量的电能被白白消耗，系统运行效率低；2)电阻发热严重，散热是个大问题，严重影响系统的其他部分正常工作；3)简单的能耗制动不能及时抑制快速制动而产生的泵升电压，不利于系统综合性能的进一步提高。

中国专利文献CN1274977A于2000年11月29日公开了一种“有源和无源构成的综合电力滤波装置”，该装置利用有源滤波和无源滤波来进行谐波补偿，但不能对电网中的能量进行回馈，而且结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于多组整流装置的能量回馈及谐波无功补偿系统，该系统可以同时对多个二极管整流系统进行能量回馈和无功补偿，可以提高设备利用率，降低成本。

本发明提供的适用于多组整流装置的能量回馈及谐波无功补偿系统，该系统包括功率开关管组、控制装置、功率三相桥和滤波装置；

功率开关管组中n个功率开关管的正极分别接不可控二极管整流装置的直流母线电压输出端，其负极均与功率三相桥的直流母线电压正极相接，其中n为负载的个数；

控制装置用于获取不可控二极管整流装置的输入负载的总电流，滤波装置输出的补偿电流和功率三相桥的直流母线电压，根据获取的参数产生开关信号，分别控制功率三相桥的功率开关管的开通与关断；

功率三相桥用于向控制装置提供直流母线电压，根据控制装置提供的指令控制功率开关管的闭合，产生补偿电流，并提供给滤波装置；

滤波装置接受来自功率三相桥的补偿电流，滤出系统产生的高次谐波，将补偿电流补偿入电网，并将该电流信号提供给控制装置。

没有采用本发明系统前，原外电路系统的谐波含量THD很高，功率因素也不高，在加入本发明系统后，原外电路系统的谐波含量THD可降到很低，功率因素可以上升为接近1。能量利用率显著提高，且能带多组负载。具体而言，本发明具有以下特点：

(1)不用改变当前不可控二极管整流系统及电网等的电路结构和连接方式；相对于采用PWM整流提供直流电源的系统来说，本案系统和可控功能管的容量可以大大的降低，降低了系统成本，增加了系统的可实现性和可靠性；

(2)可以实现整个本案系统和原二级管整流系统在运行过程中不会向电网注入谐波和无功，消除对电网的污染；

(3)当电机制动时，原二级管整流系统多余的电能通过本案装置流向回馈系统。可以实现能量回馈，起到节能的目的，有良好的经济效益和社会效益；

(4)系统能量回馈、有源滤波以及无功补偿的功能通过采用相应的控制方法，可以集合在一个装置上实现，是一个一体化的系统。

(5)可以同时带多组负载，节约成本增大容量。

(6)该系统可以同时控制多组负载，多组负载可以在不同的工作状态下工作。如果存在能量回馈的负载时，则本案系统工作在能量回馈、有源滤波以及无功补偿状态；如果不存在能量回馈的负载时，本安系统工作在有源滤波和无功补偿状态。根据需要本案系统可以同时工作在不同的工作状态。

附图说明

图1是本发明能量回馈及谐波无功补偿系统的结构框图；其中1为本发明系统，2为原外电路系统；

图2是控制装置的工作流程图，控制装置采用双闭环控制，a)为电压外环工作流程，b)为电流内环工作流程；

图3是本发明能量回馈及谐波无功补偿系统的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，原外电路系统2包括电网3和并联的多组不可控整流负载，不可控整流负载包括不可控二极管整流装置4.1～4.n、变频器5.1～5.n和负载6.1～6.n，n为负载的个数。各组二极管整流直流母线电压负极输出端和本案系统直流母线电压负极输出端相连。

本发明能量回馈及谐波无功补偿系统包括功率开关管组7、控制装置8、功率三相桥9和滤波装置10，功率开关管组7包括n个功率开关管。

功率开关管组7中n个功率开关管的正极分别接不可控二极管整流装置4.1～4.n的直流母线电压输出端，其负极均与功率三相桥9的直流母线电压正极相接。当功率开关管组7接收的不可控二极管整流装置4.1～4.n提供的直流母线电压中任一个电压高于功率三相桥9的直流母线电压时，功率开关管组7导通，功率三相桥9的直流母线电压被拉高，大小为不可控二极管整流装置4.1～4.n提供的直流母线电压中最高的电压值，高于本案系统的给定电压；当功率开关管组7接收的不可控二极管整流装置4.1～4.n提供的直流母线电压全都不高于功率三相桥9的直流母线电压时，功率开关管组7不导通，功率三相桥9的直流母线电压维持为给定电压大小。

控制装置8通过电流传感器和电压传感器获取不可控二极管整流装置4.1～4.n的输入负载总电流、滤波装置10的输出补偿电流、电网3的电动势电压和功率三相桥9的直流母线电压。根据获取的参数控制产生开关信号分别控制功率三相桥9的功率开关管的开通与关断。控制装置8的控制流程如图2所示，整个控制装置分为电压外环控制和电流内环控制。电压外环控制，先检测功率三相桥9的直流母线电压；再进行电压调节，将功率三相桥9的直流母线电压与系统给定电压进行比较，若功率三相桥9的直流母线电压高于系统给定电压，则系统工作在能量回馈状态或同时工作在能量回馈状态、有源滤波和无功补偿状态两种状态，若功率三相桥9的直流母线电压不高于系统给定电压则通过经过电压调整使其维持系统给定电压，系统工作于有源滤波和无功补偿状态；电压调节后确定基波大小，只要有一个负载的不可控二极管整流装置得直流母线电压大于给定则系统工作于能量回馈状态，但系统还可以同时检测谐波和无功补偿信号对其他负载进行有源和无功补偿，若系统只工作在有源滤波和无功补偿状态则基波有功电流大于0(即与电网电动势方向一致)，用于补偿系统的工作损耗；再将确定的基波有功电流作为给定电流信号参与到电流内环中进行调节。电流内环控制，首先检测电网3的电动势电压、不可控二极管整流装置4的输入负载电流及本发明系统的输出补偿电流；从负载电流中分解出其中的谐波和无功补偿信号；再根据谐波和无功补偿信号和电压外环产生的基波电流信号得到本发明系统的给定电流；将给定电流与实际检测到的输出补偿电流进行比较得到误差电流信号；再经过电流调节器并对其进行调制得到功率三相桥9中功率开关管的开关控制信号，从而控制功率三相桥9中功率开关管的开通与关断。

功率三相桥9向控制装置8提供直流母线电压大小，并且接受控制装置8对其功率开关管的控制，当功率三相桥9的直流母线电压低于不可控二极管整流装置4.1～4.n中任意一个装置的直流母线电压时，与该装置相连的功率开关管导通将直流母线电压加到功率三相桥9的直流端，当功率三相桥9的直流母线电压不低于不可控二极管整流装置4.1～4.n中任意一装置的直流母线电压时，通过控制装置8的控制作用从电网3吸收能量使功率三相桥9的直流母线电压维持为系统给定电压值。

滤波装置10接受来自功率三相桥的补偿电流，滤出系统产生的高次谐波，将不含高次谐波的补偿电流补偿入电网3，减少高次谐波对电网的污染。

图3是图1是本发明能量回馈及谐波无功补偿系统的实例电路图，下面通过图3再对本发明进行详细的介绍。

该实例是基于DSP的一个能量回馈及谐波无功补偿系统实例。该实例功率开关管组7选用的是二极管D7.1～D7.n；功率三相桥9采用三相半桥结构；为了有效的滤除与开关频率相关的高次谐波，滤波器组10采取由电感组成的滤波器结构；控制装置8由三部分组成8.1电流传感器，8.2电压传感器，8.3采用DSP的控制驱动板。

二极管D7.1～D7.n的正极分别接在不可控二极管整流装置的直流侧稳压电容C1.1～C1.n的正极，二极管D7.1～D7.n的负极都接在功率三相桥直流侧的稳压电容C2的正极。在三相电路中为了防止装置上电时直流侧电容电流冲击，在直流侧设计了软启动，当电压升高到一定值时，软启动开关合上，软启动电阻短接。为了有效地滤除与开关频率相关的高次谐波，在三相桥的交流侧每一相上都先串了一个电感再并了一个高通滤波器，然后再接入电网补偿负载电流。同时本发明能量回馈及谐波无功补偿系统与不可控二极管整流装置共地线连接，即本发明能量回馈及谐波无功补偿系统是并联接入原系统的。

控制系统8的三个部分之间的关系如下，8.1电流传感器从不可控二极管整流装置4的输入路径和滤波装置10流向电网的路径分别获取负载电流i_la，i_lb和补偿电流i_ca，i_cb，8.2电压传感器从电网3和功率三相桥9的直流侧电容C2两端分别获取电网3的电动势电压和功率三相桥直流侧稳压电容C2两端的电压Vdc2，再将获取的电流和电压信号送入8.3采用DSP的控制驱动板。通过控制板的控制作用得到功率三相桥中功率开关管的开关信号S1～S6，再驱动功率三相桥中的功率开关管工作。

Claims (2)

1、一种适用于多组整流装置的能量回馈及谐波无功补偿系统，其特征在于：该系统包括功率开关管组(7)、控制装置(8)、功率三相桥(9)和滤波装置(10)；

功率开关管组(7)中n个功率开关管的正极分别接不可控二极管整流装置(4.1～4.n)的直流母线电压输出端，其负极均与功率三相桥(9)的直流母线电压正极相接，其中n为负载的个数；

控制装置(8)用于获取不可控二极管整流装置(4.1～4.n)的输入负载的总电流，滤波装置(10)输出的补偿电流和功率三相桥(9)的直流母线电压，根据获取的参数产生开关信号，分别控制功率三相桥(9)的功率开关管的开通与关断；

功率三相桥(9)用于向控制装置(8)提供直流母线电压，根据控制装置(8)提供的指令控制功率开关管的闭合，产生补偿电流，并提供给滤波装置(10)；

滤波装置(10)接受来自功率三相桥(9)的补偿电流，滤出系统产生的高次谐波，将补偿电流补偿入电网(3)，并将该电流信号提供给控制装置(8)。

2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于：功率开关管组(7)中的n个功率开关管均采用二极管，功率三相桥(9)采用三相半桥结构，功率三相桥(9)直流侧的稳压电容负极与不可控二极管整流装置(4.1～4.n)的直流侧稳压电容(C2)负极相连；滤波器组(10)采取由电感组成的滤波器结构，控制装置(8)由电流传感器(8.1)、电压传感器(8.2)和控制驱动板(8.3)组成，电流传感器(8.1)分别从不可控二极管整流装置(4)的输入路径和滤波装置(10)流向电网的路径获取电流信号，电压传感器(8.2)从电网(3)和功率三相桥(9)的直流侧电容(C2)两端获取电压信号，控制驱动板(8.3)接收上述电流信号和电压信号，产生功率三相桥中功率开关管的开关信号，驱动三相桥中的功率开关管工作。

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