CN101860210A - 一种新型的升压斩波电路级联结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种新型的升压斩波电路级联结构，包括升压斩波电路、接在升压斩波电路输出端的滤波储能电容，所述级联结构组成的升压斩波电路，包括n个按照常规电路搭建的升压斩波电路单元以及连接在升压斩波电路单元之间的级联用二极管和换流用功率开关管，n个升压斩波单元的输出端采用串联方式，每个单元的输出端均通过一个换流用功率开关管串联连接。本发明具有结构简单，扩展性强的优点。

Description

一种新型的升压斩波电路级联结构

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种新型的升压斩波电路级联结构，本发明可应用于电机调速、可再生能源发电等领域。

背景技术

传统升压斩波电路广泛应用于电气传动领域，例如绕线型感应电动机的内反馈串级调速系统，永磁直流无刷电机调速系统等。尤其近年来随着风力发电技术的广泛关注和应用，升压斩波调速电路又有新的应用空间。比如，在风力发电系统中常采用永磁同步风力发电机接二极管整流单元后接升压斩波电路接电压型并网逆变器的结构，该种结构采用二极管整流单元降低了系统成本，同时升压斩波调速电路的控制方式简单，而且直流母线电容的存在降低了电网波动对发电系统的影响，因此该结构近年来倍受青睐。但是该结构也存在一些不足，例如二极管整流会导致定子电流畸变，升压斩波电路功率开关管导通时间的上下限，会限制其调速能力等问题。目前国内外通常采用多脉波整流技术或者采用多相电机以改善定子电流情况，但是系统调速能力有限的问题依然难以得到很好的解决。因此本发明提出一种新型的升压斩波电路级联结构，该结构通过改变换流用功率开关管的通断状态实现电路连接状态的改变，将该种级联型升压斩波电路应用于永磁风力发电系统可以有效改善发电机运行质量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种结构简单，扩展性强的斩波电路级联结构。该种级联型升压斩波电路应用于电机调速、可再生能源发电等领域，以应用于永磁风力发电系统为例，可增加电机调速范围，提高风力发电系统整体的运行能力。本发明采用如下的技术方案：

一种新型的升压斩波电路级联结构，包括n个升压斩波电路单元以及连接在升压斩波电路单元之间的级联用二极管和换流用功率开关管，其中，n≥2，每个升压斩波单元包括一个电感、一个升压用功率开关管和一个快恢复二极管，所述的电感串联在本升压斩波单元的输入端上，所述的快恢复二极管连接在升压用功率开关管正向导通输入端与本升压斩波单元的输出正极之间；设该n个升压斩波单元按i＝1，2......n顺序编号，第1单元的输出正极为整个级联型升压斩波电路的输出正极，第n单元的输出负极为整个级联型升压斩波电路的输出负极，两者分别与滤波储能电容的正极和负极相连，n个升压斩波单元的输出端采用串联方式，除第1单元的输出正极和第n单元的输出负极外，其余每个单元的输出端均通过一个换流用功率开关管串联连接，其连接方式为，第i单元的输出负极与换流用功率开关管正向导通输出端连接，第i+1单元的输出正极与换流用功率开关管正向导通输入端连接，依次连接到第n单元，并按i＝1，2，......，n-1顺序依次对该n-1个换流用功率开关管编号；第i单元的输入负极与第i+1单元的输入负极通过一个级联用二极管连接，该级联用二极管的阴极与第i单元负极连接，阳极与第i+1单元负极连接，依次连接到第n单元；第i单元的升压用功率开关管正向导通输入端与第i+1单元的升压用功率开关管正向导通输入端也通过一个级联用二极管连接，该级联用二极管阴极与第i单元升压用功率开关管正向导通输入端连接，阳极与第i+1单元的升压用功率开关管正向导通输入端连接，依次连接到第n单元。

本发明具有如下的有益效果：

1、本发明借用二极管单向导通特性，通过改变换流用功率开关管通断状态，实现电路连接状态的转换，单个升压斩波电路输出电压的改变，从而可增加电机调速范围。

2、本发明为一种级联结构，有利于实现电路的模块化，有较强的拓展性。

3、本发明采用结构简单的升压斩波电路为级联单元，成本低，控制方式简单。

附图说明

图1是n个升压斩波电路级联的电路原理图。

图2是单个升压斩波电路应用到永磁风力发电系统的主电路原理图。

图3是单个升压斩波电路应用到永磁风力发电系统的等效电路图；图3(a)是三相永磁同步电机单相等效电路图；图3(b)是三相永磁同步发电机接二极管整流单元等效电路图；图3(c)是三相永磁同步发电机接二极管整流单元接单个升压斩波电路等效电路图。

图4是3个升压斩波电路级联应用到永磁风力发电系统的主电路原理图。

图5是3个升压斩波电路级联时，即CVT1，CVT2关断时，并联运行状态原理图；图5(a)中虚线表示升压斩波电路1并联运行回路；图5(b)中虚线表示升压斩波电路2并联运行回路；图5(c)中虚线表示升压斩波电路3并联运行回路；

图6是3个升压斩波电路级联时，即CVT1关断，CVT2导通时，混联运行状态原理图；图6(a)中虚线表示升压斩波电路1与升压斩波电路3串联形成的回路；图6(b)中虚线表示升压斩波电路2与升压斩波电路3串联形成的回路；

图7是3个升压斩波电路级联时，即CVT1，CVT2导通时，串联运行状态原理图；图7(a)中虚线表示VT1，VT2，VT3同时关断和导通时串联形成的回路；图7(b)中虚线表示VT1，VT3关断，VT2导通时形成的回路；

具体实施方式

近年来，随着新能源的开发利用，尤其在变速风力发电方面，因为采用二极管整流后接升压斩波调速电路的结构对发电机进行调速具有成本低，效率高，控制系统简单等优点被广泛应用。但是传统升压斩波电路的调速范围较窄，这也影响了它的应用效果。本发明提出一种新型的升压斩波电路级联结构。主电路结构采用n个升压斩波电路级联组合而成，如图1所示。在应用到电机调速系统中时，若系统采用的发电机是普通三相电机，则定子输出侧需要接隔离多相变压器以获得多个电隔离的三相输出，若系统采用的发电机为多相电机，则定子输出侧无需增加隔离变压器便可得到多个电隔离的三相输出，多组隔离的三相电经多个二极管整流输出从而获得多个独立直流输出。在本实施例中，以3个升压斩波电路单元级联为例，所采用的升压用功率开关管和换流用功率开关管均为IGBT，级联用二极管为快恢复二极管，采用三相永磁同步发电机接隔离9相变压器以获得3个电隔离的三相输出结构。为叙述简便，结合附图2-7，首先以采用单个升压斩波电路为调速电路的直驱式永磁风力发电系统为例阐述单个升压斩波调速电路数学关系；然后仅以采用3个升压斩波电路级联结构作为调速电路的直驱式永磁风力发电系统为例，分析该种级联型升压斩波电路，在不同电路状态下，每个斩波电路的等效输出电压情况，并对这种新型的升压斩波电路级联结构用于电机调速时的具体实施方式予以详细说明。

主电路如图4所示，包括3相永磁同步发电机(PMSG)，9相隔离整流变压器(变比1∶1)，二极管整流单元，级联型升压斩波电路(升压斩波电路1、2、3)，滤波储能电容C，电压型并网逆变器(VSI)等。其中级联型升压斩波电路是由3个结构完全相同的升压斩波电路级联得到，升压斩波电路1、2、3的输入正负极分别接3个独立二极管整流单元输出，输入负极通过快恢复二极管CVD2，CVD4连接；斩波电路IGBT集电极之间通过级联快恢复二极管CVD1，CVD3连接；电路输出端采用串联方式，斩波电路1输出正极接电容C正极，斩波电路1输出负极与斩波电路2输出正极通过作为换流用IGBT的功率开关管CVT1连接，斩波电路2输出负极与斩波电路3输出正极通过作为换流用IGBT的功率开关管CVT2连接，斩波电路3输出负极接电容C负极。

下面将详细介绍级联型升压斩波电路用于风力发电系统时的整体运行情况。图4中风机的轴与永磁同步发电机的转子轴通过联轴器同轴联接，风机捕获风能驱动永磁同步发电机旋转。永磁同步风力发电机根据风速情况调节转速从而输出幅值和频率都随风速变化而变化的三相电压，经9相隔离整流变压器后得到3组三相电压，每组电压的同一相电压相位相差20°，变压器输出3组三相电压经3个三相二极管整流单元整流成幅值也在随风速变化的3个直流电压U_in1，U_in2，U_in3。通过级联型升压斩波电路获得一个直流母线电容电压U_dc，电容接电压型并网逆变器，通过对逆变器电压电流双闭环控制实现电容电压的稳定。本发明主要是应用于发电机调速方面，因此可以理想地认为依靠对逆变器控制，级联型升压斩波电路所接电容电压两端电压稳定不变。发电机调速是依靠改变级联型斩波电路中给定VT1、VT2、VT3的占空比来实现的，而它们的导通时间t_on1，t_on2，t_on3是有一定范围的。本发明在运行时，给定VT1，VT2，VT3相同的开关周期T_s，且载波相位相同。假设t_on1，t_on2，t_on3对应的占空比α₁，α₂，α₃范围为[0.2，0.6]，该上下限可根据要求和实际情况选取。下面将首先以采用单个升压斩波电路为调速电路的直驱式永磁风力发电系统为例阐述单个升压斩波调速电路数学关系；然后再仅以采用3个升压斩波电路级联结构作为调速电路的直驱式永磁风力发电系统为例，对这种新型的升压斩波电路级联结构用于电机调速时的具体实施方式予以详细说明。

根据图2和图3首先介绍三相永磁同步发电机接二极管整流单元接单个升压斩波电路的数学模型。

三相永磁同步发电机反电动势和定子电流的数学关系如下：

式中，E为空载反电势有效值；ω为发电机电角速度；

为定子电流与反电动势相差。

空载反电势与电机旋转速度成正比，可表示为：

E＝k_gω_r                (2)

式中，k_g为取决于结构方式及永磁体材质的电枢电势系数；ω_r为发电机机械角速度。

同步发电机的一相等值电路如图3(a)。

${\stackrel{\·}{U}}_g=\stackrel{\·}{E}-R_s{\stackrel{\·}{I}}_g-j{X}_s{\stackrel{\·}{I}}_g---\left(3\right)$

式中，U_g为永磁同步发电机输出端相电压有效值；R_s为定子绕组电阻；X_s为同步电抗。

当转子永磁体磁链不变时，发电机电磁转矩与定子电流有效值成正比关系：

T_e＝k_eI_g                (4)

其中，k_e为取决于永磁体磁链与极对数的系数。

如图3(b)所示，发电机和整流单元相连，从交流端看过去，定义线电压峰值为U_llpeak，整流输出电压平均值为U_in，则有下式：

$U_{\mathrm{in}}=\frac{3}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}/6}^{\mathrm{\π}/6}{U}_{\mathrm{llpeak}}\cos \mathrm{\θd\θ}=\frac{3}{\mathrm{\π}}{U}_{\mathrm{llpeak}}---\left(5\right)$

整流输出电压平均值U_in与永磁同步发电机相电压有效值之间关系如下：

$U_{\mathrm{in}}=\frac{3\sqrt{6}}{\mathrm{\π}}{U}_g---\left(6\right)$

整流输出电路可等效一个6脉波的峰值为的直流电压源串联一个等效电阻R_in和一个等效电感L_in组成的电路，为如图3(c)所示。其中，整流输出电流i_L与发电机定子电流有效值I_g瞬时关系如下：

$i_L=\sqrt{2}{I}_g---\left(7\right)$

根据图3(c)所示等效电路，斩波电路输入电压平均值U_in与输出直流电容电压均值U_dc有如下关系：

$U_{\mathrm{in}}=U_{\mathrm{dc}}\frac{T_s-t_{\mathrm{on}}}{T_s}+L\frac{{\mathrm{di}}_L}{d_t}---\left(8\right)$

式中，t_on为升压斩波电路升压用IGBT的导通时间。

将(6)代入(8)整理得到：

$\frac{3\sqrt{6}}{\mathrm{\π}}{U}_g=(1-\mathrm{\α})U_{\mathrm{dc}}+L\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}---\left(9\right)$

式中，α＝t_on/T_s，为占空比。

将(3)代入(9)整理得到：

$\frac{3\sqrt{6}}{\mathrm{\π}}|\stackrel{\·}{E}-R_s{\stackrel{\·}{I}}_g-j{X}_s{\stackrel{\·}{I}}_g|=(1-\mathrm{\α})U_{\mathrm{dc}}+L\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}---\left(10\right)$

由式(4)可知，当风机机械转矩一定时，转速稳定时，发电机电磁转矩等于风机机械转矩，即定子电流有效值I_g一定。再由式(2)和(10)可知，当升压斩波电路IGBT的开关周期T_s确定和占空比α的范围确定时，对应一定原动机转矩时，电路调速范围将由斩波电路输出直流母线电压决定。而在本发明介绍的系统中U_dc是由逆变器控制决定的，但是每个升压斩波电路等效输出电压却是因电路运行状态变化而变化的。

下面结合图4-7说明采用3个升压斩波电路级联结构作为调速电路的永磁风力发电系统主电路的运行情况。

首先分析CVT1和CVT2在不同的导通和关断情况下，级联型升压斩波电路的工作状态。

状态1：CVT1，CVT2断开时，升压斩波电路1、2、3是并联结构，如图5所示。数学关系如下式：

其中，R_L1，R_L2，R_L3为电感L1，L2，L3的内阻。图5中U_out1，U_out2，U_out3为每个升压斩波电路等效输出电压。并联运行时，每个升压斩波电路等效输出电压等于整体直流母线电压U_dc。每个整流输出电压U_in1，U_in2，U_in3都相当于输出接电容电压为U_dc时的情况，隔离变压器的变比为1∶1，因此折算到发电机侧，发电机空载反电动势也相当于提供直流母线电容电压为U_dc时的水平，所以此时电机转速维持在较高的水平。另外若系统参数不理想相等，则会导致i_L1，i_L2，i_L3不相等。因此并联运行时，通过给定VT1，VT2，VT3不同的占空比，可以实现每个升压斩波电路均流运行。

状态2：CVT1断开，CVT2导通时，升压斩波电路1、2、3是混联结构，如图6所示。升压斩波电路1与升压斩波电路3是串联关系，如图6(a)，升压斩波电路2与升压斩波电路3是串联关系，如图6(b)，而这两组电路之间又是并联关系。数学关系如下式：

$U_{\mathrm{in}1}+U_{\mathrm{in}3}=R_{L1}{i}_{L1}+L_1\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}$

混联回路1：(12)

$+R_{L3}{i}_{L3}+L_3\frac{{\mathrm{di}}_{L3}}{\mathrm{dt}}+U_{\mathrm{dc}}$

$U_{\mathrm{in}2}+U_{\mathrm{in}3}=R_{L2}{i}_{L2}+L_2\frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}$

混联回路2：(13)

$+R_{L3}{i}_{L3}+L_3\frac{{\mathrm{di}}_{L3}}{\mathrm{dt}}+U_{\mathrm{dc}}$

从式(12)和(13)可知，升压斩波电路1和3串联运行回路中，若电路参数对称，则每个升压斩波电路等效输出电压相当于1/2的直流母线电压，即U_dc/2。同理，升压斩波电路2和3串联运行回路中也是如此。由前面对单个升压斩波调速电路数学关系的分析可知，与状态1并联运行相比，在相同风机转矩，即定子电流相同，VT1、VT2，VT3占空比范围确定时，因为每个升压斩波电路等效输出电压相当于1/2U_dc，则每个整流输出电压U_in1，U_in2，U_in3也都相当于接1/2U_dc时的情况，隔离变压器的变比为1∶1，因此折算到发电机侧，发电机空载反电动势也只有级联型升压斩波电路并联运行时1/2的水平，所以此时风机转矩下，VT1、VT2，VT3占空比相同时，电机转速低于并联运行时的情况，而级联后得到的直流母线电压仍然不变。

状态3：CVT1，CVT2导通时，升压斩波电路1、2、3是串联结构，如图7(a)所示。数学关系如下式：

$U_{\mathrm{in}1}+U_{\mathrm{in}2}+U_{\mathrm{in}3}=R_{L1}{i}_{L1}+L_1\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}$

$+R_{L2}{i}_{L2}+L_2\frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}---\left(14\right)$

$+R_{L3}{i}_{L3}+L_3\frac{{\mathrm{di}}_{L3}}{\mathrm{dt}}+U_{\mathrm{dc}}$

串联运行时，3个整流输出电流相等，即i_L1＝i_L2＝i_L3。从公式(14)可知，串联运行时，若电路参数对称，则每个升压斩波电路输出电压相当于1/3的直流母线电压，即U_dc/3。另外串联运行时，要求3个升压斩波电路的IGBT，VT1，VT2，VT3同时导通和关断，否则会发生如图7(b)所示的情况，比如VT1，VT3已经关断，而VT2仍然导通，这时串联回路内只有升压斩波电路1和2，这两组瞬时等效输出电压相当于1/2U_dc，而当VT2也关断时，3组瞬时等效输出电压又相当于1/3U_dc，根据式(10)可知，这种情况发生时会引起不必要的电机转速波动。由此分析可知，串联运行时，要求VT1，VT2，VT3有相同的导通情况。与状态1并联运行相比，在相同风机转矩，即定子电流相同，VT1、VT2，VT3占空比范围确定时，因为每个升压斩波电路等效输出电压相当于1/3U_dc，则每个整流输出电压U_in1，U_in2，U_in3也都相当于接1/3U_dc时的情况，隔离变压器的变比为1∶1，因此折算到发电机侧，发电机空载反电动势也只有级联型升压斩波电路并联运行时1/3的水平，所以此时相同风机转矩下，VT1、VT2，VT3占空比相同时，与混联和并联运行时相比，电机转速是最低的，而级联后得到的直流母线电压仍然不变。

将上述结论推广到n个(n≥2)升压斩波电路级联的情况，如图1所示，此时换流用IGBTCVTi有n-1个，i＝1、2、......n-1。令U_out为每个升压斩波电路等效输出电压，U_dc为整体直流母线电容电压，则它们之间的关系有：

$U_{\mathrm{out}}=\frac{1}{n-j}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(15\right)$

式中，j＝0、1、2......n-1，表示关断的换流用IGBT个数。U_dc恒定时，U_out只与级联个数和换流用IGBT关断的个数有关，而与关断顺序无关。

结合上述分析与式(10)可知，占空比α的上下限[α_min，α_max]满足一定条件，才可以保证电路状态依次由串联切换至并联，或者由并联切换至串联时，电机的调速范围是连续的。因为在电路切换过程中电路并联与关闭其中一个级联用IGBT CVTi混联运行状态之间切换时，单个升压斩波电路等效输出电压的变化最大，相当于变化了1/2U_dc，因此需要保证并联状态下最低转速小于关闭其中一个级联用IGBT CVTi混联运行时的最高速，才可以保证在任意两个相邻状态切换前后，系统整体的调速范围是连续的。另外，因为电机及电路中阻抗的影响很小，因此将式(10)简化，将占空比上下限需要满足的条件简单归纳如下：

$1-{\mathrm{\α}}_{\max }\≤\frac{1}{2}(1-{\mathrm{\α}}_{\min })---\left(16\right)$

下面将结合图4，分电机升速和降速两种情况，介绍一下在永磁风力发电系统中，采用该种级联型升压斩波电路时，发电机调速是如何实现的。

情况1

假设风机转矩稳定，要求发电机升速，若级联型升压斩波电路处于串联运行状态，则当给定VT1、VT2、VT3占空比等于02时，发电机达到该状态的最高速。若还未满足转速要求，则可先给CVT1关断信号。此时电路转换为混联状态，每个升压斩波电路对应的等效输出电压由原来的1/3U_dc变为1/2U_dc，由前面分析可知，发电机转速有了进一步的上升空间。若给定VT1、VT2、VT3占空比等于02时仍然未满足转速要求，说明发电机已经达到该状态的最高转速，则再继续给CVT2关断信号。此时电路转换为并联状态，每个升压斩波电路对应的等效输出电压由原来的1/2U_dc变为U_dc，发电机继续升速，直到达到转速给定值。

情况2

假设风机转矩稳定，要求发电机降速，若级联型升压斩波电路处于并联运行状态，则当给定VT1、VT2、VT3占空比等于0.6时，发电机达到该状态的最低速。若还未满足转速要求，则可先给CVT2导通信号。此时电路转换为混联状态，每个升压斩波电路对应的等效输出电压由原来的U_dc变为1/2U_dc，由前面分析可知，发电机转速有了进一步的下降空间。若给定VT1、VT2、VT3占空比等于0.6时仍然未满足转速要求，说明发电机已经达到该状态的最低转速，则再继续给CVT1导通信号。此时电路转换为串联状态，每个升压斩波电路对应的等效输出电压由原来的1/2U_dc变为1/3U_dc，发电机继续降速，直到达到转速给定值。

由上述两种情况可知，该电路系统可以根据电机转速升降需求，通过改变换流用IGBTCVTi的通断状态，改变了级联的每个升压斩波电路的等效输出电压，从而逐步提高相同风机转矩下，发电机升降速的空间。并联状态下，当给定VT1、VT2、VT3占空比等于02时，为该风机转矩下系统运行的最高转速；同理，串联状态下，当给定VT1、VT2、VT3占空比等于0.6时，为该风机转矩下系统运行的最低转速。另外，混联状态保证了调速范围的连续性。本发明的电路结构通过给换流用IGBT CVTi的通断信号，切换不同的运行状态，扩大了发电机的调速范围。

Claims (1)

1.一种新型的升压斩波电路级联结构，其特征在于，包括n个升压斩波电路单元以及连接在升压斩波电路单元之间的级联用二极管和换流用功率开关管，其中，n≥2，每个升压斩波单元包括一个电感、一个升压用功率开关管和一个快恢复二极管，所述的电感串联在本升压斩波单元的输入端上，所述的快恢复二极管连接在升压用功率开关管正向导通输入端与本升压斩波单元的输出正极之间；设该n个升压斩波单元按i＝1，2......n顺序编号，第1单元的输出正极为整个升压斩波电路的输出正极，第n单元的输出负极为整个升压斩波电路的输出负极，两者分别与滤波储能电容的正极和负极相连，n个升压斩波单元的输出端采用串联方式，除第1单元的输出正极和第n单元的输出负极外，其余每个单元的输出端均通过一个换流用功率开关管串联连接，其连接方式为，第i单元的输出负极与换流用功率开关管正向导通输出端连接，第i+1单元的输出正极与换流用功率开关管正向导通输入端连接，依次连接到第n单元，并按i＝1，2，......，n-1顺序依次对该n-1个换流用功率开关管编号；第i单元的输入负极与第i+1单元的输入负极通过一个级联用二极管连接，该级联用二极管的阴极与第i单元负极连接，阳极与第i+1单元负极连接，依次连接到第n单元；第i单元的升压用功率开关管正向导通输入端与第i+1单元的升压用功率开关管正向导通输入端之间也通过一个级联用二极管连接，该级联用二极管阴极与第i单元升压用功率开关管正向导通输入端连接，阳极与第i+1单元的升压用功率开关管正向导通输入端连接，依次连接到第n单元。

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