CN104201929A - 带pfc和电网补偿的能量双馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带PFC和电网补偿的能量双馈装置采用H桥结构，根据三相SVG的控制思路，采用Id、Iq独立控制思想，充分考虑成本、电路复杂度、易开发和调适性，被装置采用ACDC和DCDC两级变换器，整个电路只需要6只开关管便可实现能量双向流动，ACDC级完成和电网的换能，因为H桥基本思想是BOOST电路，所以在220V单相用电中，H桥的输出电压VH一定大于311V，为了能够满足用户多需求，增加一级双向DCDC变换器，DCDC变换采用电流控制方式，可以实现输出0～VH恒压输出，恒电流输出，恒电流反馈电网。

Description

带PFC和电网补偿的能量双馈装置

技术领域

本发明为涉及电能治理领域动态无功补偿方法和电源领域PFC矫正、电网领域逆变入网。

背景技术

目前国内市场上电源较多为模拟电源，调试难度大，设备功能单一，市面上仍有很多电源产品未对PFC处理，导致给电网灌入无功和谐波，这些谐波和无功积少成多后严重影响电能质量。

为了解决PFC和提高电源效率，很多研究者提出各种各样的电路拓扑，但是大多数仅仅基于研究，并未兼顾可开发性和调试性、电源效率、功率因素、设备成本、无功和谐波补偿能力、能量双馈，下面就目前市场具有的拓扑进行比较。

为了解决功率因数，有人提出有桥BOOST电路，其控制方法多为单周期积分控制，通过Uref给定和反馈Udc进行PI后得到调节量Vint，Vint正脉宽内积分值VM和Vint-Is*R(Is为入网电流，R电流采样电阻)进行比较获得PWM波，该方法一般使用单周期积分集成芯片实现，外围电路较繁杂，调试很困难，同时输入端使用了整流硅堆，降低了电源效率同时也增了发热量。

后来经过改进，仅用两个BOOST桥并联实现无桥PFC矫正，能够提高电源效率，两个BOOST桥交替

工作，更加有利于散热，但是该电路拓扑的能量只能从AC侧流向DC测。

另外也有H桥拓扑结构，能够实现能量的双向流动，该电路拓扑电路简洁，损耗低，但有些拓扑通过变压耦合输出，不仅成本增加，变压容易发热，是设备效率降低。

本发明也采用H桥结构，根据三相SVG的控制思路，采用Id、Iq独立控制思想，充分考虑成本、电路复杂度、易开发和调适性，被装置采用ACDC和DCDC两级变换器，整个电路只需要6只开关管便可实现能量双向流动，ACDC级完成和电网的换能，因为H桥基本思想是BOOST电路，所以在220V单相用电中，H桥的输出电压VH一定大于311V，为了能够满足用户多需求，增加一级双向DCDC变换器，DCDC变换采用电流控制方式，可以实现输出0～VH恒压输出，恒电流输出，恒电流反馈电网。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现输出0～VH恒压输出，恒电流输出，恒电流反馈电网的带PFC和电网补偿的能量双馈装置。

为了实现上述目的本发明采用以下技术方案：

带PFC和电网补偿的能量双馈装置，其特征在于包括：

隔离变压器：对后级输出进行隔离；

AC/DC变换器：ACDC变换器采用H桥结构，实现和电网的有功能量交换和无功的补偿；

DC/DC变换器：双向DC/DC变换器采用半桥结构，以电流为控制对象，实现输出0～VH恒压输出，恒电流输出，恒电流反馈电网；

控制单元：控制PWM输出；

ACDC驱动：驱动ACDC变换器的IGBT

ACDC采集单元：对采集目标进行信号调理，采集单相电网电压、入网电流、ADCD输出电压和负载电流；

DCDC驱动：驱动DCDC变换器的IGBT

DCDC采集单元：采集DCDC输出电流、DCDC输出电压；

辅电单元：实现给驱动单元、采集单元、控制单元和人机接口进行供电；

通过H桥结构进行前级AC/DC换能，入网的有功电流i_d，无功电流i_q进行独立控制，通过检测负载电流对电网进行无功和谐波治理，AC/DC变换器后端DC/DC变换器，实现整个装置能量双向进行，DCDC级运行在恒压输出模式、恒流输出模式、恒流馈网模式中的任一模式，实现能量自由交换。

上述技术方案中，对入网电流进行i_di_q独立控制，对ACDC的输出电压和给定Uref进行PI调节，调节量作为i_d指令进行有功控制，如果对AC用电负载进行无功补偿和谐波治理，此时，设备采集负载电流，将负载的减去基波后的有功电流i_d电流叠加到i_d指令中，负载的无功电流i_q加到i_q指令进行无功和谐波的补偿。

上述技术方案中，DC/DC变换器包括上管T5，下管T6，上管T5与下管T6连接端通过电感L2引出为输出端，输出端通过电容CL接下管T6，DC/DC变换器的量输入端通过电容CH连接。

上述技术方案中，恒电流输出模式下，上管T5导通后在L2电抗上正向储能，上管T5断开后，电感L2电流通过下管T6反并二极管续流，能量传递到低压侧，该模式下下管T6不起作用，该电路等效为BUCK电路，通过电流PI调节实现电流的稳定输出。

恒电流馈网模式下，下管T6导通后在L2上反向储能，下管T6断开后，L2电流通过上管T5反并二极管续流，能量馈送到高压侧，该模式下下管T5不起作用，该电路等效为BOOST电路，通过电流PI调节实现电流的稳定反馈；

恒电压模式下，DCDC变换器交替工作在BUCK状态和BOOST状态下，通过电压外环PI调节，实现输出电压的稳定。

与最接近的现有技术相比，本申请提案有何技术优点：

1、本发明从成本、可开发和调试性、设备效率、FPC电源的基本要求角度出发，采用ACDC和DCDC两级变换器，整个电路只需要6只开关管便可实现能量双向流动，电路拓扑见附图3，ACDC级完成和电网的换能，DCDC实现直流电压输出控制和电流出入控制，电路简单易实现。

2、可以实现三种工作模式：恒电压输出，恒电流流输出，恒电流馈网，用户不仅可以用电，依可利用该装置发电入网，实现分布式发电，减轻电网压力，给电网公司和用电客户都来效益。

3、该发明除了能够实现设备自身的PFC矫正外，同时可以实现对电网无功和谐波补偿，可以实现分布式就地补偿，降低入户线损。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明的应用图。

图3为电路结果拓扑。

图4为DCDC工作电流输出模式下，电流储能示意图。

图5为DCDC工作电流输出模式下，电流续流示意图。

图6为DCDC工作电流反馈模式下，电流储能示意图。

图7为DCDC工作电流反馈模式下，电流续流示意图。

具体实施方式

1、装置：

带PF C和电网补偿的双向数字电源装置，包括隔离变压器(1)、辅电单元(2)、ACDC变换器(3)、ACDC驱动(4)、ACDC采集单元(5)、DCDC变换器(6)、DCDC驱动(7)、DCDC采集单元(8)、控制单元(9)、人机接口(10)，装置结构见图1。

带PFC和电网补偿的能量双馈装置通过H桥进行前级ACDC换能，入网的有功电流i_d，无功电流i_q进行独立控制，可以通过检测负载电流对电网进行无功和谐波治理，由于ACDC输出电压必须高于电网，于是在后端增加了一级DCDC变换器，实现整个装置能量可双向进行，DCDC级可多模式工作，可以运行在恒压输出模式、恒流输出模式、恒流馈网模式，实现能量自由交换，该装置功能齐备，应用宽泛。

2、方法

(1)辅电单元，实现给驱动单元、采集单元、控制单元和人机接口进行供电。

(2)隔离变压器，如果不加隔离变压器输出为浮地，使用时容易发生事故，通过变压器进行隔离，如果有人员被短接在+-极，设备可通过检测过流及时保护人生安全和设备安全。

(3)ACDC变换器、ACDC驱动、ACDC采集单元，实现和电网的换能，对输入电压采集量进行电网锁相，对入网电流进行i_d i_q独立控制，对ACDC的输出电压和给定Uref进行PI调节，调节量作为i_d指令进行有功控制，如果用户需要对自己的AC用电负载进行无功补偿和谐波治理，可选择启动补偿模式，此时，设备采集负载电流，将负载的减去基波后的有功电流i_d电流叠加到i_d指令中，负载的无功电流i_q加到i_q指令进行无功和谐波的补偿。

Id Iq分离方法公式推导：

电流傅里叶方程式(1)

$\begin{array}{c}i=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{I_{\mathrm{dn}}\sin \left(\mathrm{nwt}\right)+I_{\mathrm{qn}}\cos \left(\mathrm{nwt}\right)\}\\ =\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}+e^{-\mathrm{jnwt}}}{2}\}\end{array}---\left(1\right)$

i：总电流

w：电网角频率

I_dn：总电流中(n-1)次谐波正序分量

I_qn：总电流中(n-1)次谐波负序分量

用sin(wt)旋转后得到式(2)

$\begin{array}{c}i=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{(I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2})\sin \left(\mathrm{wt}\right)\}\\ =I_{d1}\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)+I_{q1}\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)\\ +\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(I_{d1}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{q1}\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2j})\sin \left(\mathrm{wt}\right)\right\}\\ =I_{d1}\left(\frac{e^{j2\mathrm{wt}}+e^{-j2\mathrm{wt}}-2}{-4}\right)+I_{q1}\left(\frac{e^{j2\mathrm{wt}}-e^{-j2\mathrm{wt}}}{-4j}\right)\\ +\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2})\sin \left(\mathrm{wt}\right)\right\}\end{array}---\left(2\right)$

i：总电流

w：电网角频率

I_d1：总电流中基波正序分量

I_q1：总电流中基波负序分量

I_dn：总电流中(n-1)次谐波正序分量

I_qn：总电流中(n-1)次谐波负序分量

用-cos(wt)旋转后得到式(3)

$\begin{array}{c}i=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}+e^{-\mathrm{jnwt}}}{2}\left)\cos \left(\mathrm{wt}\right)\right\}\\ =I_{d1}\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)+I_{q1}\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)\\ +\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{I_{\mathrm{dn}}\left(\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}\right)(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2})+I_{\mathrm{qn}}\left(\frac{e^{\mathrm{jnwt}}+e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)\right\}\\ =I_{d1}\left(\frac{e^{j2\mathrm{wt}}+e^{-j2\mathrm{wt}}}{-4j}\right)+I_{q1}\left(\frac{e^{j2\mathrm{wt}}-e^{-j2\mathrm{wt}}+2}{4}\right)\\ +\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{I_{\mathrm{dn}}(\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j})\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)+I_{\mathrm{qn}}(\frac{e^{\mathrm{jnwt}}+e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j})\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)\right\}\end{array}---\left(3\right)$

i：总电流

w：电网角频率

I_d1：总电流中基波正序分量

I_q1：总电流中基波负序分量

I_dn：总电流中(n-1)次谐波正序分量

I_qn：总电流中(n-1)次谐波负序分量

根据公式(2)和公式(3)，可以看到只有基波分量经过旋转后会产生直流量，高次谐波被旋转后仍为交流量，因此可以分离出Id Iq分量并对其进行独立控制。

(4)DCDC变换器、DCDC驱动、DCDC采集单元，实现高压到低压双向流动，用户可以选择三种工作模式：

恒电流输出模式下，上管T5导通后在L2电抗上正向储能，能量流向见附图4，上管T5断开后，L2电流通过下管T6反并二极管续流，能量传递到低压侧，能量流向见附图5，该模式下下管T6不起作用，该电路等效为BUCK电路，通过电流PI调节实现电流的稳定输出。

恒电流馈网模式下，下管T6导通后在L2上反向储能，能量流向见附图6，下管T6断开后，L2电流通过上管T5反并二极管续流，能量馈送到高压侧，能量流向见附图7，该模式下下管T6不起作用，该电路等效为BOOST电路，通过电流PI调节实现电流的稳定反馈。

恒电压模式下，DCDC变换器交替工作在BUCK状态和BOOST状态下，通过电压外环PI调节，实现输出电压的稳定。

a)恒电压模式

设备仍然采用电流内环，电压外环控制方法，这样防止发生电流不受控而引起对设备的冲击，该模式下用户可以输出0～VH(VH为ACDC输出电压)范围内电压。

b)恒电流输出模式

设备根据用户给定电流大小进行输出，如蓄电池充电，通常蓄电池充电分为快充阶段、涓流阶段、过充阶段和浮充阶段，需要恒流恒压切换进行，以对蓄电池进行快充而又不损伤电池，用户可以通过人机接口对输出模式进行时段和切换阶段完成标志的设定。

c)恒电流馈网模式

该模式下，用户外接发电电源，如太阳能输出，发电机输出，DCDC变换将能量反馈到ACDC级，ACDC级通过有功i_d电流反馈到电网，实现用户侧发电入网。

Claims (4)

1.带PFC和电网补偿的能量双馈装置，其特征在于包括：

隔离变压器：对后级输出进行隔离；

AC/DC变换器：ACDC变换器采用H桥结构，实现和电网的有功能量交换和无功的补偿；

DC/DC变换器：双向DC/DC变换器采用半桥结构，以电流为控制对象，实现输出0～VH恒压输出，恒电流输出，恒电流反馈电网；

控制单元：控制PWM输出；

ACDC驱动：驱动ACDC变换器的IGBT

ACDC采集单元：对采集目标进行信号调理，采集单相电网电压、入网电流、ADCD输出电压和负载电流；

DCDC驱动：驱动DCDC变换器的IGBT

DCDC采集单元：采集DCDC输出电流、DCDC输出电压；

辅电单元：实现给驱动单元、采集单元、控制单元和人机接口进行供电；

通过H桥结构进行前级AC/DC换能，入网的有功电流i_d，无功电流i_q进行独立控制，通过检测负载电流对电网进行无功和谐波治理，AC/DC变换器后端DC/DC变换器，实现整个装置能量双向进行，DCDC级运行在恒压输出模式、恒流输出模式、恒流馈网模式中的任一模式，实现能量自由交换。

2.根据权利要求1所述的带PFC和电网补偿的能量双馈装置，其特征在于，对入网电流进行i_di_q独立控制，对ACDC的输出电压和给定Uref进行PI调节，调节量作为i_d指令进行有功控制，如果对AC用电负载进行无功补偿和谐波治理，此时，设备采集负载电流，将负载的减去基波后的有功电流i_d电流叠加到i_d指令中，负载的无功电流i_q加到i_q指令进行无功和谐波的补偿。

3.根据权利要求1所述的带PFC和电网补偿的能量双馈装置，其特征在于，DC/DC变换器包括上管T5，下管T6，上管T5与下管T6连接端通过电感L2引出为输出端，输出端通过电容CL接下管T6，DC/DC变换器的量输入端通过电容CH连接。

4.根据权利要求3所述的带PFC和电网补偿的能量双馈装置，其特征在于，恒电流输出模式下，上管T5导通后在L2电抗上正向储能，上管T5断开后，电感L2电流通过下管T6反并二极管续流，能量传递到低压侧，该模式下下管T6不起作用，该电路等效为BUCK电路，通过电流PI调节实现电流的稳定输出；

恒电流馈网模式下，下管T6导通后在L2上反向储能，下管T6断开后，L2电流通过上管T5反并二极管续流，能量馈送到高压侧，该模式下下管T6不起作用，该电路等效为BOOST电路，通过电流PI调节实现电流的稳定反馈；

恒电压模式下，DCDC变换器交替工作在BUCK状态和BOOST状态下，通过电压外环PI调节，实现输出电压的稳定。