CN101527504A - 一种多电平t型变换器的功率因数控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电路控制技术领域中的一种多电平T型变换器的功率因数控制方法。技术方案是，首先获得多电平T型变换器输入侧回路各个电压、电流量的矢量关系；设定多电平T型变换器输出功率；设定电源电压和功率因数，计算多电平T型变换器输入侧基波电压的幅值和相位；通过PWM控制多电平T型变换器输入侧电压的调制度和相位角，调节变换器输入侧基波电压的幅值和相位，使其与计算获得的多电平T型变换器输入侧基波电压的幅值大小相等且相位相同，从而实现对多电平T型变换器功率因数的控制。本发明通过调节变换器输入侧基波电压的幅值和相位，控制多电平T型变换器电源电压与输入侧电流的夹角，从而实现提高多电平T型变换器功率因数的目的。

Description

一种多电平T型变换器的功率因数控制方法

技术领域

本发明属于电路控制技术领域，尤其涉及一种多电平T型变换器的功率因数控制方法。

背景技术

在申请人为北京交通大学，申请号为200810118835.1，名称为多电平整流的T型变换器拓扑结构的专利申请中，提出了多电平T型变换器电路。与传统的多电平电路相比，多电平T型电路在电路拓展、电容平衡等方面具有优势。多电平T型变换器的最多层是二极管，无法实现变换器输入侧电流与输入侧电压反方向的工作模式，因此传统的单位功率因数控制无法应用于多电平T型变换器。而且，多电平T型变换器的输入侧电流只能跟随多电平T型变换器两端的输入电压，即多电平T型变换器工作在非单位功率因数下。所以，多电平T型变换器的输入侧电流与电源电压之间总会存在一个夹角，即相角差。控制变换器输入侧电压与电源电压保持一个很小的夹角，而输入电流与变换器输入侧电压又是同相位，因此如果调节这个相角差，便可以提高多电平T型变换器的输入功率因数。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多电平T型变换器的功率因数控制方法，用于提高多电平T型变换器的功率因数，从而改善多电平T型变换器的工作效率。

本发明的技术方案是，一种多电平T型变换器的功率因数控制方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1、根据基尔霍夫定律，获得多电平T型变换器输入侧回路各个电压、电流量的矢量关系；

步骤2、在多电平T型变换器承受的输出功率范围内，设定多电平T型变换器输出功率；

步骤3、设定电源电压和功率因数，并根据步骤1的矢量关系，计算多电平T型变换器输入侧基波电压的幅值和相位；

步骤4、通过PWM控制多电平T型变换器输入侧电压的调制度和相位角，调节变换器输入侧基波电压的幅值和相位，使其与步骤3中计算出的多电平T型变换器输入侧基波电压的幅值大小相等并且相位相同，从而实现对多电平T型变换器功率因数的控制。

本发明的效果在于，通过本发明提供的多电平T型变换器的功率因数控制方法，在输出功率一定时，通过调节变换器输入侧基波电压的幅值和相位，达到控制多电平T型变换器电源电压与输入侧电流的夹角的目的，从而实现提高多电平T型变换器的功率因数的目标，使多电平T型变换器的工作效率得到改善。

附图说明

图1为本发明实施例提供的三电平T型变换器应用电路图。

图2为本发明实施例提供的三电平T型变换器的输入侧电压波形与电源电压波形比较图。

图3为传统的单位功率因数控制方式向量图。

图4为本发明提供的功率因数控制方式向量图。

图5为本发明提供的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

不失一般性，本发明以三电平T型变换器作为例子进行说明。图1为本发明实施例提供的三电平T型变换器应用电路图。图1中，三电平T型变换器包括开关管S_A11、S_A12、S_B11和S_B12；二极管D_TA11、D_TA12、D_TB11、D_TB12、D_BA11、D_BA12、D_BB11和D_BB12；电容C_T1和C_T2；以及电感L。

图2为本发明实施例提供的三电平T型变换器的输入侧电压波形与电源电压波形比较图。图2中，多电平T型变换器的拓扑结构在一个工作周期内可以分为四个区域，即t1、t2、t3和t4；U_S为变换器输入侧电压曲线、U_S1是变换器输入侧基波电压曲线，U_N为输入电源电压曲线。当变换器工作在传统的单位功率因数下，即电流波形与U_N电源电压波形同相时，变换器输入侧电压U_S在t1和t3时，无法按照图2中所示，提供相应的一级电压(比如，在t1时，U_N为正，要求U_S为负一级的电压台阶，实际上是做不到的，因为二极管的单相导电特性决定的，电流波形只能和U_S同相位)。这个说明输入电流不能始终和输入电源电压保持同相位，即不能工作在单位功率因数下。

如果拓扑结构工作在单位功率因数工况下，则传统的多电平电路工作向量图如图3。图3为传统的单位功率因数控制方式向量图，图3中，T型变换器输入侧回路各个电压、电流量的矢量关系为： ${\stackrel{\→}{U}}_N={\stackrel{\→}{U}}_{S1}+j{w}_N{L}_N{\stackrel{\→}{I}}_{N1};$ 其中，

为变换器输入侧基波电压、

为电源电压、为电感上的电压；

是指输入侧基波电流；ω_NL_N是电感的阻抗大小；j是虚数单位，

是电源电压超前于变换器输入侧基波电压的角度。

如果电路工作的传统的单位功率因数控制方式下，则在t₁和t₃区域，在变换器的输入端，直流侧电压不能提供相应的一级电压，由于二极管的单向导电特性决定，忽略回路中电阻上的压降，根据基尔霍夫电压电流定律，新的等效电路向量图可以构造如图4。图4为本发明提供的功率因数控制方式向量图。图4中，T型变换器输入侧回路各个电压、电流量的矢量关系为： ${\stackrel{\→}{U}}_N={\stackrel{\→}{U}}_{S1}+j{w}_N{L}_N{\stackrel{\→}{I}}_{N1}.$ 输入电流

与变换器输入侧基波电压

同相，滞后电源电压

一个角度的角度范围为0-90度，不包含0度和90度。这是因为功率因数的调节范围是0-1，不包含0和1，因此在实施本发明的步骤时，设定了功率因数后，

的角度也就确定，其范围只能是在0-90度之间。

图5为本发明提供的方法流程图。图5中，本发明的多电平T型变换器的功率因数控制方法的实现过程是：

步骤501、根据基尔霍夫定律，获得多电平T型变换器输入侧回路各个电压、电流量的矢量关系。

多电平T型变换器输入侧回路各个电压、电流量的矢量关系如图4所示，其各个量的关系为： ${\stackrel{\→}{U}}_N={\stackrel{\→}{U}}_{S1}+j{w}_N{L}_N{\stackrel{\→}{I}}_{N1}.$

为变换器输入侧基波电压、为电源电压、

为电感上的电压；

是指输入侧基波电流；ω_NL_N是电感的阻抗大小；j是虚数单位，是电源电压超前于输入电流的角度。

步骤502、在多电平T型变换器承受的输出功率范围内，设定多电平T型变换器输出功率。设定多电平T型变换器输出功率，以此功率为多电平T型变换器工作时的稳定功率。

步骤503、设定电源电压和功率因数，并根据步骤501的矢量关系计算多电平T型变换器输入侧基波电压的幅值和相位。

在电源电压和功率一定时，即

已知，电路中输入电流

已知；而电路中电感的阻抗ω_NL_N也是已知的。此时，再根据多电平T型变换器所要达到的工作效率的要求，设定功率因数。功率因数设定后，功率因数角

的大小也就确定了，由501的各量关系可以求得多电平T型变换器输入侧基波电压的幅值和相位。

步骤504、通过PWM控制多电平T型变换器输入侧电压的调制度和相位角，调节变换器输入侧基波电压的幅值和相位，使其与步骤503中计算的多电平T型变换器输入侧基波电压的幅值大小相等并且相位相同。

PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)控制是指脉宽调制控制，根据采样控制理论的重要原理——冲量等效原理，即大小、波形不同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同，按一定规律控制功率开关器件导通或断开，使输出端获得一系列宽度不等、高度相同的矩形脉冲电压波形。PWM控制可以利用DSP(Digital SignalProcessor，数字信号处理器)或者其它芯片控制元件实现。调制度就是指输出交流基波电压的幅值与等效脉冲电压波形(PWM波形)的大小之比，大小在0～1之间变化，当PWM波形大小不变时，可以通过控制调制度的大小调节输出交流基波电压的幅值。由此，得到多电平T型变换器输入侧基波电压的幅值，实现对多电平T型变换器的功率因数的控制。

本发明在输出功率一定的情况下，通过调节变换器输入侧基波电压的幅值和相位，达到控制多电平T型变换器电源电压与输入侧电流的夹角的目的，从而实现提高多电平T型变换器的功率因数的目标，使多电平T型变换器的工作效率得到改善。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种多电平T型变换器的功率因数控制方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1、根据基尔霍夫定律，获得多电平T型变换器输入侧回路各个电压、电流量的矢量关系；

步骤2、在多电平T型变换器承受的输出功率范围内，设定多电平T型变换器输出功率；

步骤3、设定电源电压和功率因数，并根据步骤1的矢量关系，计算多电平T型变换器输入侧基波电压的幅值和相位；

步骤4、通过PWM控制多电平T型变换器输入侧电压的调制度和相位角，调节变换器输入侧基波电压的幅值和相位，使其与步骤3中计算出的多电平T型变换器输入侧基波电压的幅值大小相等并且相位相同，从而实现对多电平T型变换器功率因数的控制。

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