CN102208874A - 一种隔离型电压补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离型电压补偿装置电路，该电路包括原边电路和副边电路两个部分，其中原边电路仅需要四个带反并联二极管的功率开关管和两个箝位电容，副边输出电压通过隔离变压器直接耦合进入电网对电网电压进行补偿。本发明电路中，各个功率开关管两两组合可以使用IGBT半桥模块实现，同时，该电路利用两个箝位电容对功率开关管上电压尖峰进行箝位，利用内置的LC滤波器降低变压器上的高频纹波分量。本发明的隔离型电压补偿电路使用传统的PWM调制方法，使用部分功率变换，不存在大容量直流储能环节，可用于补偿柴油发电机输出的谐波电压，并同时解决电压突降，突升和持续低电压等电能质量问题。

Description

一种隔离型电压补偿电路

技术领域

本发明涉及一种交流-交流变换器电路，具体说是一种通过使用隔离型交流-交流变换电路实现电网电压补偿和对电网电压进行滤波的隔离型电压补偿电路。

背景技术

在风光互补、风光蓄互补等多能源混合的独立式发电系统或分布式发电系统中，柴油发动机带动同步发电机发电是最常用的后备电源方案。在出现新能源发电装置故障，或新能源发电部分功率不足的情况时，柴油发电装置将开启以维持微电网的正常运行。但是，当微电网中存在大量非线性负载时，负载电流中将含有大量谐波成分；由于电机内部对于负载电流的谐波分量具有相对高的阻抗，所以输出电压降在电机内部，导致波形畸变。如果将发电机直接连接电网，电网电压波形，电能质量将因此大受影响。同时，由于电网中负载功率的变化，电网经常出现电压突降，突升或持续低电压等电能质量问题，这一问题在柴油发电机对电网供电的阶段尤为明显。

在柴油发电机和电网之间加装串联电压补偿电路可以有效的解决以上电网电能质量问题。现有的串联电压补偿电路绝大部分是使用逆变器来实现。逆变器为DC-AC类变换器。该类型系统的主要问题在于：逆变器的DC直流侧需要一大容量储能环节，最常见的是使用大容量电解电容。电解电容有着稳定性差、寿命短的特点。电解电容的存在，降低了逆变器型串联电压补偿电路的可靠性，而电网对挂接在电网上的设备有很高的可靠性要求。因此，逆变器型的串联电压补偿电路在市场上没有得到大规模的应用。

传统的交流斩波器电路和矩阵变换器电路为AC-AC类变换电路，该类型电路的优点是无需大容量储能单元。现有的AC-AC类变换电路为了实现电压谐波补偿和电网电压补偿的功能，或使用了大量开关器件，或使用了全功率的变换器或工频变压器，因此价格较贵，同样不易在市场上推广。

发明内容

本发明提供了一种无储能元件，使用隔离型交流-交流变换电路实现电网电压补偿和对电网电压进行滤波的隔离型电压补偿电路，解决电压突降，突升和持续低电压等电能质量问题。

一种隔离型电压补偿电路，包括原边电路，副边电路；

所述的原边电路包括：

1)与输入电源并联的第一原边支路，由隔离变压器的第一原边绕组，带反并二极管的第一功率开关管，带反并二极管的第二功率开关管，第一滤波电感与第一滤波电容组成；其中带反并二极管的第二功率开关管的发射极与输入电源的正端相连，带反并二极管的第二功率开关管的集电极与第一滤波电感的一端相连，第一滤波电感的另一端与第一滤波电容的一端和隔离变压器的第一原边绕组的参考端共接，第一原边绕组的另一端与第一滤波电容的另一端和带反并二极管的第一功率开关管的集电极共接，带反并二极管的第一功率开关管的发射极与输入电源的负端相接；

2)与输入电源并联的第二原边支路，由隔离变压器的第二原边绕组，带反并二极管的第三功率开关管，带反并二极管的第四功率开关管，第二滤波电感与第二滤波电容组成；其中带反并二极管的第三功率开关管的集电极与输入电源的正端相连，带反并二极管的第三功率开关管的发射极与第二滤波电感的一端相连，第二滤波电感的另一端与第二滤波电容的一端和隔离变压器的第二原边绕组的参考端的异名端共接，第二原边绕组的另一端与第二滤波电容的另一端和带反并二极管的第四功率开关管的发射极共接，带反并二极管的第四功率开关管的集电极与输入电源的负端相接；

3)第一箝位电容和第二箝位电容；第一箝位电容跨接于第一功率开关管的集电极与第三功率开关管的发射极之间，第二箝位电容跨接于第二功率开关管的集电极与第四功率开关管的发射极之间；

所述的副边电路包括：

第一副边绕组的参考端的同名端和输出端口的正端共接，第一副边绕组的另一端和输出端口的负端共接。

本发明中，所述的隔离型电压补偿电路中，原边电路可以被简化，所述的第一滤波电感，第二滤波电感，第一滤波电容和第二滤波电容可以被省去，简化后的原边电路包括：

与输入电源并联的第一原边支路，由隔离变压器的第一原边绕组，带反并二极管的第一功率开关管，带反并二极管的第二功率开关管；其中带反并二极管的第二功率开关管的发射极与输入电源的正端相连，带反并二极管的第二功率开关管的集电极与隔离变压器的第一原边绕组的参考端相接，第一原边绕组的另一端和带反并二极管的第一功率开关管的集电极共接，带反并二极管的第一功率开关管的发射极与输入电源的负端相接；

与输入电源并联的第二原边支路，由隔离变压器的第二原边绕组，带反并二极管的第三功率开关管，带反并二极管的第四功率开关管组成；其中带反并二极管的第三功率开关管的集电极与输入电源的正端相连，带反并二极管的第三功率开关管的发射极与隔离变压器的第二原边绕组的参考端的异名端相接，第二原边绕组的另一端和带反并二极管的第四功率开关管的发射极相接，带反并二极管的第四功率开关管的集电极与输入电源的负端相接；

第一箝位电容和第二箝位电容；第一箝位电容跨接于第一功率开关管的集电极与第三功率开关管的发射极之间，第二箝位电容跨接于第二功率开关管的集电极与第四功率开关管的发射极之间。

同时在副边电路中加入第三滤波电感和第三滤波电容，所述的副边电路包括：

第一副边绕组的参考端的同名端和第三滤波电感的一端相接，第三滤波电感的另一端和第三滤波电容以及输出端口的正端共接，第一副边绕组的另一端和第三滤波电容以及输出端口的负端共接。

本发明中，所述的隔离型电压补偿电路中，在副边电路加入第三滤波电感和第三滤波电容，所述的副边电路包括：

第一副边绕组的参考端的同名端和第三滤波电感的一端相接，第三滤波电感的另一端和第三滤波电容以及输出端口的正端共接，第一副边绕组的另一端和第三滤波电容以及输出端口的负端共接。

同时所述的原边电路保持不变。

本发明中，所述的隔离型电压补偿电路，其输入电源为交流电，输入电源的正负端之间可并接电容；所述的输出端为交流电，输出端的正负端之间可并接电容。

所述的隔离型电压补偿电路中，其所述的带反并二极管的第一功率开关管、带反并二极管的第二功率开关管、带反并二极管的第三功率开关管、带反并二极管的第四功率开关管分别由独立开关管和独立二极管反向并联后构成，或由内部自带反并二极管的开关管构成。

所述的隔离型电压补偿电路中，其所述的隔离变压器的第一原边绕组和第二原边绕组的匝数相等，所述的隔离变压器的第一副边绕组匝数通常小于第一原边绕组和第二原边绕组的匝数。

本发明隔离型电压补偿电路用于加装在柴油发电机与电网和本地负载之间。例如，柴油发电机配电系统的输入为三相四线制的柴油发电机输出电压，其中含有较丰富的电压谐波，同时输入电压基波幅值会由于负载的变化而产生波动。该系统的输出需要为理想的正弦基波，以三相三线形式送入电网或供应本地负载。本发明隔离型电压补偿装置加装在每单相系统中，该补偿装置通过电路中的部分功率隔离变压器将装置输出电压耦合上电网，因此，它可以看成一受控电压源。

本发明隔离型电压补偿电路中，带反并二极管的第二功率开关管和带反并二极管的第三功率开关管可以同时使用普通IGBT半桥模块实现。同样的，带反并二极管的第一功率开关管和带反并二极管的第四功率开关管也可以同时使用普通IGBT半桥模块实现。

本发明隔离型电压补偿电路的原边电路的第一滤波电容，第一滤波电感，第二滤波电容，第二滤波电感可以在不改变电路工作模式的前提下大大减少隔离变压器中所需要通过的高频分量，降低了隔离变压器的工艺要求。原边电路中，由于第一箝位电容和第二箝位电容的存在，隔离变压器的漏感能量能够得到很好的吸收和循环利用，同时所有功率开关管上的电压尖峰均能够得到很好的抑制。

本发明隔离型电压补偿装置使用传统的PWM调制方法，使用部分功率变换，不存在大容量直流储能环节，可用于补偿柴油发电机输出的谐波电压，并同时解决电压突降，突升和持续低电压等电能质量问题。

附图说明

图1是本发明隔离型电压补偿装置第一种实施方式的电路原理图。

图2是图1中原边电路简化、副边电路加入第三滤波电感和第三滤波电容后的第二种实施方式的电路原理图。；

图3是图1中原边电路保持不变、副边电路加入第三滤波电感和第三滤波电容后的第三种实施方式电路原理图；

图4是图1中本发明隔离型电压补偿装置应用于典型柴油发点机配电系统中的应用框图。

具体实施方案

参见图1，本发明的隔离型电压补偿电路，包括原边电路和副边电路两个部分。

如图1所示，原边电路包括：

a)与输入电源并联的第一原边支路，由隔离变压器的第一原边绕组N_P1，带反并二极管D₁的第一功率开关管Q₁，带反并二极管D₂的第二功率开关管Q₂，第一滤波电感L₁与第一滤波电容C₁组成；其中带反并二极管D₂的第二功率开关管Q₂的发射极与输入电源的正端相连，带反并二极管D₂的第二功率开关管Q₂的集电极与第一滤波电感L₁的一端相连，第一滤波电感L₁的另一端与第一滤波电容C₁的一端和隔离变压器的第一原边绕组N_P1的参考端“·”共接，第一原边绕组N_P1的另一端与第一滤波电容C₁的另一端和带反并二极管D₁的第一功率开关管Q₁的集电极共接，带反并二极管D₁的第一功率开关管Q₁的发射极与输入电源的负端相接；

b)与输入电源并联的第二原边支路，由隔离变压器的第二原边绕组N_P2，带反并二极管D₃的第三功率开关管Q₃，带反并二极管D₄的第四功率开关管Q₄，第二滤波电感L₂与第二滤波电容C₂组成；其中带反并二极管D₃的第三功率开关管Q₃的集电极与输入电源的正端相连，带反并二极管D₃的第三功率开关管Q₃的发射极与第二滤波电感L₂的一端相连，第二滤波电感L₂的另一端与第二滤波电容C₂的一端和隔离变压器的第二原边绕组N_P2的参考端“●”的异名端共接，第二原边绕组N_P2的参考端“●”与第二滤波电容C₂的另一端和带反并二极管D₄的第四功率开关管Q₄的发射极共接，带反并二极管D₄的第四功率开关管Q₄的集电极与输入电源的负端相接；

c)第一箝位电容C_S1和第二箝位电容C_S2；第一箝位电容C_S1跨接于第一功率开关管Q₁的集电极与第三功率开关管Q₃的发射极之间，第二箝位电容C_S2跨接于第二功率开关管Q₂的集电极与第四功率开关管Q₄的发射极之间；

如图1所示，副边电路包括：

d)第一副边绕组N_S的参考端“●”的同名端和输出端口的正端共接，第一副边绕组N_S的另一端和输出端口的负端共接。

图1中所示输入电源为交流电，输入电源的正负端之间可并接输入滤波电容；图1中所示输出端为交流电，输出端的正负端之间可并接输出滤波电容。

图1中的带反并二极管D₁的第一功率开关管Q₁、带反并二极管D₂的第二功率开关管Q₂、带反并二极管D₃的第三功率开关管Q₃、带反并二极管D₄的第四功率开关管Q₄分别由独立开关管和独立二极管反向并联后构成，也可以由内部自带反并二极管的开关管构成。

图1中所示的隔离变压器的第一原边绕组N_P1和第二原边绕组N_P2的匝数相等，第一副边绕组N_S匝数通常小于第一原边绕组N_P1和第二原边绕组N_P2的匝数。在本实施例中，第一原边绕组N_P1与第一副边绕组N_S之比为2∶1。

如图2，本发明的隔离型电压补偿电路的原边电路可以简化。如图2所示，第一滤波电感L₁，第二滤波电感L₂，第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂可以被省去，简化后的原边电路包括：

a)与输入电源并联的第一原边支路，由隔离变压器的第一原边绕组N_P1，带反并二极管D₁的第一功率开关管Q₁，带反并二极管D₂的第二功率开关管Q₂组成；其中带反并二极管D₂的第二功率开关管Q₂的发射极与输入电源的正端相连，带反并二极管D₂的第二功率开关管Q₂的集电极与隔离变压器的第一原边绕组N_P1的参考端“●”相接，第一原边绕组N_P1的另一端和带反并二极管D₁的第一功率开关管Q₁的集电极共接，带反并二极管D₁的第一功率开关管Q₁的发射极与输入电源的负端相接；

b)与输入电源并联的第二原边支路，由隔离变压器的第二原边绕组N_P2，带反并二极管D₃的第三功率开关管Q₃，带反并二极管D₄的第四功率开关管Q₄组成；其中带反并二极管D₃的第三功率开关管Q₃的集电极与输入电源的正端相连，带反并二极管D₃的第三功率开关管Q₃的发射极与隔离变压器的第二原边绕组N_P2的参考端“●”的异名端相接，第二原边绕组N_P2的另一端和带反并二极管D₄的第四功率开关管Q₄的发射极相接，带反并二极管D₄的第四功率开关管Q₄的集电极与输入电源的负端相接；

c)第一箝位电容C_S1和第二箝位电容C_S2；第一箝位电容C_S1跨接于第一功率开关管Q₁的集电极与第三功率开关管Q₃的发射极之间，第二箝位电容C_S2跨接于第二功率开关管Q₂的集电极与第四功率开关管Q₄的发射极之间。

如图2所示，其副边电路和图1所示的副边电路相比，加入第三滤波电感L₃和第三滤波电容C₃。

如图2所示，副边电路包括：

d)第一副边绕组N_S的参考端“●”的同名端和第三滤波电感L₃的一端相接，第三滤波电感L₃的另一端和第三滤波电容C₃以及输出端口的正端共接，第一副边绕组N_S的另一端和第三滤波电容C₃以及输出端口的负端共接。

如图3，本发明的隔离型电压补偿电路的副边电路和图1所示的第一种实施方式相比，加入第三滤波电感L₃和第三滤波电容C₃。此时，副边电路包括：

第一副边绕组N_S的参考端“●”的同名端和第三滤波电感L₃的一端相接，第三滤波电感L₃的另一端和第三滤波电容C₃以及输出端口的正端共接，第一副边绕组N_S的另一端和第三滤波电容C₃以及输出端口的负端共接。

如图3所示，其原边电路和图1所示的原边电路相同。

如图4所示，本发明所述的隔离型电压补偿电路加装在柴油发电机与电网和本地负载之间。如图4所示，柴油发电机配电系统的输入为三相四线制的柴油发电机输出电压，其中含有较丰富的电压谐波，同时输入电压基波幅值会由于负载的变化而产生波动。该系统的输出需要为理想的正弦基波，以三相三线形式送入电网或供应本地负载。本发明所述的新型隔离型电压补偿装置加装在每单相系统中，该补偿装置通过电路中的部分功率隔离变压器将装置输出电压耦合上电网；因此，它可以看成一受控电压源。

本发明的隔离型电压补偿装置使用传统的PWM调制方法。例如，如图1所示，当输入电压V_IN为正时，第二功率开关管Q₂和第四功率开关管Q₄保持常通状态，第1功率开关管Q₁和第三功率开关管Q₃采用PWM调制方法，两者互补开通，中间附加一定死区时间。本方案中，将第1功率开关管Q₁导通的占空比定义为“D”，将第3功率开关管Q₃导通的占空比定义为“-D”。当输入电压V_IN为负时，第一功率开关管Q₁和第三功率开关管Q₃保持常通状态，第2功率开关管Q₂和第四功率开关管Q₄采用PWM调制方法，两者互补开通，中间附加一定死区时间。此时，将第2功率开关管Q₂导通的占空比定义为“D”，将第四功率开关管Q₄导通的占空比定义为“-D”。

本发明的隔离型电压补偿装置电路中的隔离变压器的漏感能量可以得到吸收，各功率开关管上的电压尖峰能够得到抑制。例如，当输入电压V_IN为正时，箝位电容C_S1将箝位第一功率开关管Q₁和第三功率开关管Q₃关断时的电压尖峰，当输入电压V_IN为负时，箝位电容C_S2将箝位第二功率开关管Q₂和第四功率开关管Q₄关断时的电压尖峰。在电路工作时，箝位电容C_S1和箝位电容C_S2上的电压均约等于输入电压V_IN。

本发明的隔离型电压补偿电路中，带反并二极管D₂的第二功率开关管Q₂和带反并二极管D₃的第三功率开关管Q₃可以同时使用普通IGBT半桥模块实现。同样的，带反并二极管D₁的第一功率开关管Q₁和带反并二极管D₄的第四功率开关管Q₄也可以同时使用普通IGBT半桥模块实现。

Claims (6)

1.一种隔离型电压补偿电路，包括原边电路，副边电路，其特征在于，所述的原边电路包括：

a)与输入电源并联的第一原边支路，由隔离变压器的第一原边绕组(N_P1)，带反并二极管(D₁)的第一功率开关管(Q₁)，带反并二极管(D₂)的第二功率开关管(Q₂)，第一滤波电感(L₁)与第一滤波电容(C₁)组成；其中带反并二极管(D₂)的第二功率开关管(Q₂)的发射极与输入电源的正端相连，带反并二极管(D₂)的第二功率开关管(Q₂)的集电极与第一滤波电感(L₁)的一端相连，第一滤波电感(L₁)的另一端与第一滤波电容(C₁)的一端和隔离变压器的第一原边绕组(N_P1)的参考端共接，第一原边绕组(N_P1)的另一端与第一滤波电容(C₁)的另一端和带反并二极管(D₁)的第一功率开关管(Q₁)的集电极共接，带反并二极管(D₁)的第一功率开关管(Q₁)的发射极与输入电源的负端相接；

b)与输入电源并联的第二原边支路，由隔离变压器的第二原边绕组(N_P2)，带反并二极管(D₃)的第三功率开关管(Q₃)，带反并二极管(D₄)的第四功率开关管(Q₄)，第二滤波电感(L₂)与第二滤波电容(C₂)组成；其中带反并二极管(D₃)的第三功率开关管(Q₃)的集电极与输入电源的正端相连，带反并二极管(D₃)的第三功率开关管(Q₃)的发射极与第二滤波电感(L₂)的一端相连，第二滤波电感(L₂)的另一端与第二滤波电容(C₂)的一端和隔离变压器的第二原边绕组(N_P2)的参考端的异名端共接，第二原边绕组(N_P2)的另一端与第二滤波电容(C₂)的另一端和带反并二极管(D₄)的第四功率开关管(Q₄)的发射极共接，带反并二极管(D₄)的第四功率开关管(Q₄)的集电极与输入电源的负端相接；

c)第一箝位电容(C_S1)和第二箝位电容(C_S2)；第一箝位电容(C_S1)跨接于第一功率开关管(Q₁)的集电极与第三功率开关管(Q₃)的发射极之间，第二箝位电容(C_S2)跨接于第二功率开关管(Q₂)的集电极与第四功率开关管(Q₄)的发射极之间；

所述的副边电路包括：

d)第一副边绕组(N_S)的参考端的同名端和输出端口的正端共接，第一副边绕组(N_S)的另一端和输出端口的负端共接。

2.一种隔离型电压补偿电路，包括原边电路，副边电路，其特征在于，所述的原边电路包括：

a)与输入电源并联的第一原边支路，由隔离变压器的第一原边绕组(N_P1)，带反并二极管(D₁)的第一功率开关管(Q₁)，带反并二极管(D₂)的第二功率开关管(Q₂)组成；其中带反并二极管(D₂)的第二功率开关管(Q₂)的发射极与输入电源的正端相连，带反并二极管(D₂)的第二功率开关管(Q₂)的集电极与隔离变压器的第一原边绕组(N_P1)的参考端相接，第一原边绕组(N_P1)的另一端和带反并二极管(D₁)的第一功率开关管(Q₁)的集电极共接，带反并二极管(D₁)的第一功率开关管(Q₁)的发射极与输入电源的负端相接；

b)与输入电源并联的第二原边支路，由隔离变压器的第二原边绕组(N_P2)，带反并二极管(D₃)的第三功率开关管(Q₃)，带反并二极管(D₄)的第四功率开关管(Q₄)组成；其中带反并二极管(D₃)的第三功率开关管(Q₃)的集电极与输入电源的正端相连，带反并二极管(D₃)的第三功率开关管(Q₃)的发射极与隔离变压器的第二原边绕组(N_P2)的参考端的异名端相接，第二原边绕组(N_P2)的另一端和带反并二极管(D₄)的第四功率开关管(Q₄)的发射极相接，带反并二极管(D₄)的第四功率开关管(Q₄)的集电极与输入电源的负端相接；

c)第一箝位电容(C_S1)和第二箝位电容(C_S2)；第一箝位电容(C_S1)跨接于第一功率开关管(Q₁)的集电极与第三功率开关管(Q₃)的发射极之间，第二箝位电容(C_S2)跨接于第二功率开关管(Q₂)的集电极与第四功率开关管(Q₄)的发射极之间；

所述的副边电路包括：

d)第一副边绕组(N_S)的参考端的同名端和第三滤波电感(L₃)的一端相接，第三滤波电感(L₃)的另一端和第三滤波电容(C₃)以及输出端口的正端共接，第一副边绕组(N_S)的另一端和第三滤波电容(C₃)以及输出端口的负端共接。

3.如权利要求1所述的隔离型电压补偿电路，其特征在于，所述的副边电路包括：第一副边绕组(N_S)的参考端的同名端和第三滤波电感(L₃)的一端相接，第三滤波电感(L₃)的另一端和第三滤波电容(C₃)以及输出端口的正端共接，第一副边绕组(N_S)的另一端和第三滤波电容(C₃)以及输出端口的负端共接。

4.如权利要求1或2或3所述的隔离型电压补偿电路，其特征在于，所述的输入电源为交流电，输入电源的正负端之间可并接电容；所述的输出端为交流电，输出端的正负端之间可并接电容。

5.如权利要求1或2或3所述的隔离型电压补偿电路，其特征在于，所述的带反并二极管(D₁)的第一功率开关管(Q₁)、带反并二极管(D₂)的第二功率开关管(Q₂)、带反并二极管(D₃)的第三功率开关管(Q₃)、带反并二极管(D₄)的第四功率开关管(Q₄)分别由独立开关管和独立二极管反向并联后构成，或由内部自带反并二极管的开关管构成。

6.如权利要求1或2或3所述的隔离型电压补偿电路，其特征在于，所述的隔离变压器的第一原边绕组(N_P1)和第二原边绕组(N_P2)的匝数相等，所述的隔离变压器的第一副边绕组(N_S)匝数小于第一原边绕组(N_P1)和第二原边绕组(N_P2)的匝数。

Images