CN101944843B - 多脉波整流系统的直流侧回收式谐波抑制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
多脉波整流系统的直流侧回收式谐波抑制系统及方法，属于电力电子技术领域。它解决了现有多脉波整流系统在交流侧采用有源滤波器进行谐波补偿，使系统的体积及容量均增大的问题。它针对并联型多脉波整流系统，利用其交直流侧电流谐波的关系，将所述谐波抑制系统连接于原有多脉波整流系统的直流侧，通过带副边的平衡电抗器的副边提取原有并联型多脉波整流系统的谐波能量，产生一个小容量的电流源来影响交流侧的电流，将交流侧输入电流谐波在直流侧进行抑制，它通过带副边的平衡电抗器副边所接的半桥或全桥可控整流电路将副边电流进行整流，整流后的输出电流直接提供给负载，实现谐波能量回收。本发明用于多脉波整流系统的谐波抑制。
Description
技术领域
本发明涉及一种多脉波整流系统的直流侧回收式谐波抑制系统及方法，属于电力电子技术领域。
背景技术
多脉波整流系统作为一种常见的大功率电能变换系统，已经在工业领域得到了广泛应用。这种整流系统具有的时变性和非线性等特点，会使其产生大量谐波，由此降低系统的功率因数，并进而引起交流电压畸变等后果，目前，多脉波整流系统已经成为电网的主要谐波源。
总体而言，现有技术中解决多脉波整流系统谐波污染问题的基本思路主要有两条，一条为补救性措施，它通过装设谐波补偿装置来补偿整流系统产生的谐波，这种方法对于各种谐波源所产生的谐波都适用，例如，采用各种有源、无源以及混合型滤波器来补偿整流系统产生的谐波。然而，在很多场合，滤波器的功率等级与整流系统的功率等级相差不大，这种谐波补偿方式不仅会增加整个系统的成本、加大系统损耗，还会由于增加了元器件个数，而降低系统的可靠性；同时这种补偿措施又是被动性的，是在谐波产生后再进行抑制，此时谐波对系统的影响已经产生；另一条则为预防性措施，它是对电力电子装置本身进行改造，使整流系统不产生谐波或者尽量减少产生谐波，这种方法主要分为两类，第一类以PWM整流为代表，并已经得到了大量应用；第二类是对多脉波整流器(multi-pulse ac-dcconverters，MPC)进一步采用多脉波整流技术，这种方法是大功率整流系统减少谐波的主要方法，相对于PWM整流技术，MPC具有实现简单、成本低、可靠性高等优点，已在高压直流输电和飞机整流器等大功率整流系统中得到了广泛应用。
采用多脉波整流技术改造后的多脉波整流系统的谐波抑制性能与其脉波数存在直接关系，一般来说，脉波数越大，谐波抑制效果越好。然而，脉波数的增加又会增加移相变压器的复杂度。为了获得较好的电能质量，还要在交流侧使用有源滤波器，但这样又增加了系统体积，并且存在较为严重的电磁干扰问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有多脉波整流系统在交流侧采用有源滤波器进行谐波补偿，使系统的体积及容量均增大的问题，提供一种多脉波整流系统的直流侧回收式谐波抑制系统及方法。
本发明所述的多脉波整流系统的直流侧回收式谐波抑制系统，它包括半桥或全桥可控整流电路、带副边的平衡电抗器、同步电路、控制电路、驱动电路、负载回路电流传感器和电抗器副边电流传感器，
带副边的平衡电抗器的原边连接于所述谐波抑制系统的电源输入一端和电源输入二端之间，带副边的平衡电抗器的原边的中间抽头连接谐波抑制系统的负载电源正极输出端，带副边的平衡电抗器的副边连接半桥或全桥可控整流电路的交流输入端，半桥或全桥可控整流电路的负输出端连接所述谐波抑制系统的负载电源负极输出端，半桥或全桥可控整流电路的正输出端连接所述谐波抑制系统的负载电源正极输出端，
同步电路的输入端连接所述谐波抑制系统的线电压信号输入端，同步电路的输出端连接控制电路的同步信号输入端，
负载回路电流传感器用于检测负载电源正极输出端与带副边的平衡电抗器的原边的中间抽头之间的电流，负载回路电流传感器的电流信号输出端连接控制电路的负载回路电流信号输入端，
电抗器副边电流传感器用于检测电抗器副边的电流，电抗器副边电流传感器的电流信号输出端连接控制电路的电抗器副边电流信号输入端，
控制电路的控制信号输出端连接驱动电路的控制信号输入端，驱动电路的控制信号输出端连接半桥或全桥可控整流电路的控制信号输入端。
本发明所述的基于上述系统的谐波抑制方法，它将负载连接在所述谐波抑制系统的负载电源负极输出端和谐波抑制系统的负载电源正极输出端之间，它的谐波抑制方法为：
由同步电路采集多脉波整流系统的线电压信号，并进行转换生成三角波信号，由控制电路将此三角波信号与负载回路电流传感器检测到的负载回路电流信号相乘生成参考信号，此参考信号经同步电路内部的PWM信号生成器产生两路存在死区的驱动信号，通过此驱动信号控制驱动电路，再由驱动电路输出的控制信号触发半桥或全桥可控整流电路，然后由电抗器副边电流传感器检测带副边的平衡电抗器的副边电流值，并由控制电路进行控制，使带副边的平衡电抗器的副边电流值为所述负载回路电流值的0.5倍，即实现对多脉波整流系统的谐波抑制。
本发明的优点是：本发明实现了在整流系统的直流侧抑制交流侧输入电流谐波，并回收谐波能量。它针对并联型多脉波整流系统的特点，利用交直流侧电流谐波的关系，将所述谐波抑制系统连接于原有多脉波整流系统的直流侧，通过带副边的平衡电抗器的副边提取原有并联型多脉波整流系统的谐波能量，产生一个小容量的电流源来影响交流侧的电流，将交流侧输入电流谐波在直流侧进行抑制。这种谐波抑制方法的显著特点是，通过带副边的平衡电抗器副边所接的半桥或全桥可控整流电路将副边电流进行整流，整流后的输出电流直接提供给负载，实现谐波能量回收。它的结构简单，对原有多脉波整流系统的体积不会造成大的增加，并且与现有采用有源滤波器进行谐波补偿的方式相比，系统容量几乎没有改变，解决了整流电路交流侧谐波抑制系统容量大、谐波二次污染严重的问题。
附图说明
图1为本发明系统的电路结构示意图；
图2为实施方式二所述的半桥可控整流电路的电路结构示意图；
图3为实施方式三所述的全桥可控整流电路的电路结构示意图；
图4为实施方式五所述的本发明方法的工作过程的曲线图；
图5为图4中所示t0至t1段的电路工作状态示意图；
图6为图4中所示t1至t2段的电路工作状态示意图；
图7为图4中所示t3至t4段的电路工作状态示意图；
图8为图4中所示t4至t5段的电路工作状态示意图。
图4至图8中ix表示带副边的平衡电抗器的副边电流，ux表示带副边的平衡电抗器的副边端电压，Id表示负载电流。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的多脉波整流系统的直流侧回收式谐波抑制系统，它包括半桥或全桥可控整流电路1、带副边的平衡电抗器2、同步电路3、控制电路4、驱动电路5、负载回路电流传感器6和电抗器副边电流传感器7，
带副边的平衡电抗器2的原边连接于所述谐波抑制系统的电源输入一端A和电源输入二端B之间，带副边的平衡电抗器2的原边的中间抽头连接谐波抑制系统的负载电源正极输出端Q，带副边的平衡电抗器2的副边连接半桥或全桥可控整流电路1的交流输入端，半桥或全桥可控整流电路1的负输出端连接所述谐波抑制系统的负载电源负极输出端P，半桥或全桥可控整流电路1的正输出端连接所述谐波抑制系统的负载电源正极输出端Q，
同步电路3的输入端连接所述谐波抑制系统的线电压信号输入端C，同步电路3的输出端连接控制电路4的同步信号输入端，
负载回路电流传感器6用于检测负载电源正极输出端Q与带副边的平衡电抗器2的原边的中间抽头之间的电流，负载回路电流传感器6的电流信号输出端连接控制电路4的负载回路电流信号输入端，
电抗器副边电流传感器7用于检测电抗器副边的电流，电抗器副边电流传感器7的电流信号输出端连接控制电路4的电抗器副边电流信号输入端，
控制电路4的控制信号输出端连接驱动电路5的控制信号输入端，驱动电路5的控制信号输出端连接半桥或全桥可控整流电路1的控制信号输入端。
本实施方式所述的谐波抑制系统在是安装于现有并联型多脉波整流系统之上，现有多脉波整流系统是在电网的输出端连接有移相变压器，在移相变压器的输出端连接两个并联的整流桥，所述的谐波抑制系统的电源输入一端A连接所述一个整流桥的输出端，所述谐波抑制系统的电源输入二端B连接所述另一个整流桥的输出端，所述谐波抑制系统的线电压信号输入端C连接所述移相变压器的线电压信号输出端，负载8连接于谐波抑制系统的负载电源正极输出端Q和负载电源负极输出端P之间。
本实施方式中控制电路4通过采集负载回路的电流、电抗器副边的电流和原有多脉波整流系统的同步电压信号来控制半桥或全桥可控整流电路1。带副边的平衡电抗器2可以吸收所述两个并联的整流桥的输出电压瞬时差，保证两个整流桥的正常工作，还为环流抑制谐波提供能路。
具体实施方式二：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述半桥或全桥可控整流电路1为半桥可控整流电路，所述半桥可控整流电路由第一电感Lf1、第一一开关管S11、第一一二极管D11、第一三电容C13、第一三电阻R13、第一一电容C11、第一一电阻R11、第一二开关管S12、第一二二极管D12、第一四电容C14、第一四电阻R14、第一二电容C12和第一二电阻R12组成，
带副边的平衡电抗器2的副边正极连接第一电感Lf1的一端，第一电感Lf1的另一端连接第一一二极管D11的阳极，第一一二极管D11阴极连接谐波抑制系统的负载电源正极输出端Q，第一一开关管S11与第一一二极管D11反向关联，第一三电容C13和第一三电阻R13串联后与第一一二极管D11相关联，
谐波抑制系统的负载电源正极输出端Q与带副边的平衡电抗器2的副边负极之间关联有第一一电容C11和第一一电阻R11，
第一电感Lf1的另一端还连接第一二二极管D12的阴极，第一二二极管D12的阳极连接谐波抑制系统的负载电源负极输出端P，第一二开关管S12与第一二二极管D12反向关联，第一四电容C14和第一四电阻R14串联后与第一二二极管D12相关联，
谐波抑制系统的负载电源负极输出端P与平衡电抗器2的副边负极之间第一二电容C12和第一二电阻R12相并联。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
本实施方式中带副边的平衡电抗器2输出信号为三角波信号，将其一端输出定义为正极，则另一端输出为负极。
本实施方式中半桥可控整流电路中的每对二极管和开关管可由一个带体二极管的全控开关管代替。所述半桥可控整流电路兼具整流及其缓冲和均衡电路的功能，结构简单，适用于大功率整流系统。
具体实施方式三：下面结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述半桥或全桥可控整流电路1为全桥可控整流电路，所述全桥可控整流电路由第二电感Lf2、第二一开关管S21、第二一二极管D21、第二三电容C23、第二三电阻R23、第二三开关管S23、第二三二极管D23、第二五电容C25、第二五电阻R25、第二二开关管S22、第二二二极管D22、第二四电容C24、第二四电阻R24、第二四开关管S24、第二四二极管D24、第二六电容C26和第二六电阻R26组成，
带副边的平衡电抗器2的副边正极连接第二电感Lf2的一端，第二电感Lf2的另一端连接第二一二极管D21的阳极，第二一二极管D21的阴极连接谐波抑制系统的负载电源正极输出端Q，第二一开关管S21与第二一二极管D21反向并联，第二三电容C23和第二三电阻R23串联后与第二一二极管D21相并联；
谐波抑制系统的负载电源正极输出端Q连接第二三二极管D23的阴极，第二三二极管D23的阳极连接带副边的平衡电抗器2的副边负极，第二三开关管S23与第二三二极管D23反向并联，第二五电容C25和第二五电阻R25串联后与第二三二极管D23相并联；
第二电感Lf2的另一端还连接第二二二极管D22的阴极，第二二二极管D22的阳极连接谐波抑制系统的负载电源负极输出端P，第二二开关管S22与第二二二极管D22反向并联，第二四电容C24和第二四电阻R24串联后与第二二二极管D22相并联；
谐波抑制系统的负载电源负极输出端P连接第二四二极管D24的阳极，第二四二极管D24的阴极连接带副边的平衡电抗器2的副边负极，第二四开关管S24与第二四二极管D24反向并联，第二六电容C26和第二六电阻R26串联后与第二四二极管D24相并联。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
本实施方式全桥可控整流电路中的每对二极管和开关管可由一个带体二极管的全控开关管代替。所述全桥可控整流电路对称性好，兼具缓冲电路的功能，适用于大功率整流系统。
具体实施方式四：本实施方式是对实施方式二或三的进一步限定，所述开关管选用MOSFET或IGBT。其它组成及连接关系与实施方式二或三相同。
由于MOSFET或IGBT作为开关管，其自带体二极管，这样，每对二极管和开关管可以由一个自带体二极管的MOSFET或IGBT代替。
具体实施方式五：下面结合图1、图2、图4至图8说明本实施方式，本实施方式是基于实施方式一所述的系统的谐波抑制方法，它将负载8连接在所述谐波抑制系统的负载一端P和谐波抑制系统的负载二端Q之间，它的谐波抑制方法为：
由同步电路3采集多脉波整流系统的线电压信号，并进行转换生成三角波信号，由控制电路4将此三角波信号与负载回路电流传感器6检测到的负载回路电流信号相乘生成参考信号，此参考信号经同步电路3内部的PWM信号生成器产生两路存在死区的驱动信号，通过此驱动信号控制驱动电路5，再由驱动电路5输出的控制信号触发半桥或全桥可控整流电路1，然后由电抗器副边电流传感器7检测带副边的平衡电抗器2的副边电流值，并由控制电路4进行控制，使带副边的平衡电抗器2的副边电流值为所述负载回路电流值的0.5倍，即实现对多脉波整流系统的谐波抑制。
本实施方式中同步电路3用来采集现有多脉波整流系统中移相变压器输出的线电压信号，此线电压信号经同步电路3内部的比较器和积分器等电路转换成三角波信号。
所述的带副边的平衡电抗器2的副边电流峰值对应于所述移相变压器输出的线电压过零点。
下面将半桥或全桥可控整流电路1选择为半桥可控整流电路，对具体工作模式进行说明：
第一种工作模式：结合图4和图5进行说明，在t0时刻，第一一开关管S11开通，第一电感Lf1的电流iLf1反向流动，并且线性上升，在图4中t0至t1段。电流iLf1给直流侧第一一电容C11放电，第一一电容C11两端的电压uc11下降，第一二电容C12两端的电压uc12不变。在t1时刻，第一一开关管S11关断，此种工作模式结束。
第二种工作模式：结合图4和图6进行说明，在t1时刻，第一一开关管S11关断，电流iLf1仍然反向流动，电流经第一二二极管D12续流。电流iLf1线性下降，如图4中t1至t2段，第一电感Lf1的电流iLf1给直流侧第一二电容C12充电，第一二电容C12两端的电压uc12上升，第一一电容C11两端的电压uc11不变。在t2时刻，第一二开关管S12导通，第一二二极管D12关断，此种工作模式结束。在电流iLf1反向流动期间，第一种工作模式和第二种工作模式交替进行。
第三种工作模式：结合图4和图7进行说明，在t3至t4时间段，第一电感Lf1的电流iLf1正向流动。在t3时刻，第一二开关管S12导通，电流iLf1正向线性增大，如图4中t3至t4时间段。第一电感Lf1的电流iLf1对直流侧第一二电容C12放电，第一二电容C12两端的电压uc12下降，第一一电容C11两端的电压uc11不变。在t4时刻，第一二开关管S12关断，此工作模式结束。
第四种工作模式：结合图4和图8进行说明，在t4时刻，第一二开关管S12关断，第一电感Lf1的电流iLf1仍然正向流动，电流iLf1经第一一二极管D11续流，电流iLf1线性下降，如图4中t4至t5时间段。电流iLf1给直流侧第一一电容C11充电，，第一一电容C11两端的电压uc11上升，第一二电容C12两端的电压uc12不变。在t5时刻，第一二开关管S12导通，第一一二极管D11关断，此工作模式结束。在电流iLf1正向流动的期间，第三种工作模式和第四种工作模式交替进行。
Claims (5)
1.一种多脉波整流系统的直流侧回收式谐波抑制系统，其特征在于：它包括半桥或全桥可控整流电路(1)、带副边的平衡电抗器(2)、同步电路(3)、控制电路(4)、驱动电路(5)、负载回路电流传感器(6)和电抗器副边电流传感器(7)，
带副边的平衡电抗器(2)的原边连接于所述谐波抑制系统的电源输入一端(A)和电源输入二端(B)之间，带副边的平衡电抗器(2)的原边的中间抽头连接谐波抑制系统的负载电源正极输出端(Q)，带副边的平衡电抗器(2)的副边连接半桥或全桥可控整流电路(1)的交流输入端，半桥或全桥可控整流电路(1)的负输出端连接所述谐波抑制系统的负载电源负极输出端(P)，半桥或全桥可控整流电路(1)的正输出端连接所述谐波抑制系统的负载电源正极输出端(Q)，
同步电路(3)的输入端连接所述谐波抑制系统的线电压信号输入端(C)，同步电路(3)的输出端连接控制电路(4)的同步信号输入端，
负载回路电流传感器(6)用于检测负载电源正极输出端(Q)与带副边的平衡电抗器(2)的原边的中间抽头之间的电流，负载回路电流传感器(6)的电流信号输出端连接控制电路(4)的负载回路电流信号输入端，
电抗器副边电流传感器(7)用于检测电抗器副边的电流，电抗器副边电流传感器(7)的电流信号输出端连接控制电路(4)的电抗器副边电流信号输入端，
控制电路(4)的控制信号输出端连接驱动电路(5)的控制信号输入端，驱动电路(5)的控制信号输出端连接半桥或全桥可控整流电路(1)的控制信号输入端。
2.根据权利要求1所述的多脉波整流系统的直流侧回收式谐波抑制系统，其特征在于：所述半桥或全桥可控整流电路(1)为半桥可控整流电路，所述半桥可控整流电路由第一电感(Lf1)、第一一开关管(S11)、第一一二极管(D11)、第一三电容(C13)、第一三电阻(R13)、第一一电容(C11)、第一一电阻(R11)、第一二开关管(S12)、第一二二极管(D12)、第一四电容(C14)、第一四电阻(R14)、第一二电容(C12)和第一二电阻(R12)组成，
带副边的平衡电抗器(2)的副边正极连接第一电感(Lf1)的一端，第一电感(Lf1)的另一端连接第一一二极管(D11)的阳极，第一一二极管(D11)阴极连接谐波抑制系统的负载电源正极输出端(Q)，第一一开关管(S11)与第一一二极管(D11)反向关联，第一三电容(C13)和第一三电阻(R13)串联后与第一一二极管(D11)相关联，
谐波抑制系统的负载电源正极输出端(Q)与带副边的平衡电抗器(2)的副边负极之间关联有第一一电容(C11)和第一一电阻(R11)，
第一电感(Lf1)的另一端还连接第一二二极管(D12)的阴极，第一二二极管(D12)的阳极连接谐波抑制系统的负载电源负极输出端(P)，第一二开关管(S12)与第一二二极管(D12)反向关联，第一四电容(C14)和第一四电阻(R14)串联后与第一二二极管(D12)相关联，
谐波抑制系统的负载电源负极输出端(P)与平衡电抗器(2)的副边负极之间第一二电容(C12)和第一二电阻(R12)相并联。
3.根据权利要求1所述的多脉波整流系统的直流侧回收式谐波抑制系统，其特征在于：所述半桥或全桥可控整流电路(1)为全桥可控整流电路，所述全桥可控整流电路由第二电感(Lf2)、第二一开关管(S21)、第二一二极管(D21)、第二三电容(C23)、第二三电阻(R23)、第二三开关管(S23)、第二三二极管(D23)、第二五电容(C25)、第二五电阻(R25)、第二二开关管(S22)、第二二二极管(D22)、第二四电容(C24)、第二四电阻(R24)、第二四开关管(S24)、第二四二极管(D24)、第二六电容(C26)和第二六电阻(R26)组成，
带副边的平衡电抗器(2)的副边正极连接第二电感(Lf2)的一端，第二电感(Lf2)的另一端连接第二一二极管(D21)的阳极，第二一二极管(D21)的阴极连接谐波抑制系统的负载电源正极输出端(Q)，第二一开关管(S21)与第二一二极管(D21)反向并联，第二三电容(C23)和第二三电阻(R23)串联后与第二一二极管(D21)相并联；
谐波抑制系统的负载电源正极输出端(Q)连接第二三二极管(D23)的阴极，第二三二极管(D23)的阳极连接带副边的平衡电抗器(2)的副边负极，第二三开关管(S23)与第二三二极管(D23)反向并联，第二五电容(C25)和第二五电阻(R25)串联后与第二三二极管(D23)相并联；
第二电感(Lf2)的另一端还连接第二二二极管(D22)的阴极，第二二二极管(D22)的阳极连接谐波抑制系统的负载电源负极输出端(P)，第二二开关管(S22)与第二二二极管(D22)反向并联，第二四电容(C24)和第二四电阻(R24)串联后与第二二二极管(D22)相并联；
谐波抑制系统的负载电源负极输出端(P)连接第二四二极管(D24)的阳极，第二四二极管(D24)的阴极连接带副边的平衡电抗器(2)的副边负极，第二四开关管(S24)与第二四二极管(D24)反向并联，第二六电容(C26)和第二六电阻(R26)串联后与第二四二极管(D24)相并联。
4.根据权利要求2或3所述的多脉波整流系统的直流侧回收式谐波抑制系统，其特征在于：所述开关管选用MOSFET或IGBT。
5.一种基于权利要求1所述的多脉波整流系统的直流侧回收式谐波抑制系统的谐波抑制方法，它将负载(8)连接在所述谐波抑制系统的负载电源负极输出端(P)和谐波抑制系统的负载电源正极输出端(Q)之间，其特征在于，它的谐波抑制方法为：
由同步电路(3)采集多脉波整流系统的线电压信号，并进行转换生成三角波信号，由控制电路(4)将此三角波信号与负载回路电流传感器(6)检测到的负载回路电流信号相乘生成参考信号，此参考信号经同步电路(3)内部的PWM信号生成器产生两路存在死区的驱动信号，通过此驱动信号控制驱动电路(5)，再由驱动电路(5)输出的控制信号触发半桥或全桥可控整流电路(1)，然后由电抗器副边电流传感器(7)检测带副边的平衡电抗器(2)的副边电流值，并由控制电路(4)进行控制，使带副边的平衡电抗器(2)的副边电流值为负载回路电流值的0.5倍，即实现对多脉波整流系统的谐波抑制。
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