CN104882889A - 一种集成整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种集成了整流、有源滤波和能量反馈制动等功能的复合电路及其控制方法,包括整流单元、有源滤波及无功补偿单元、钳位电路,整流单元与有源滤波及无功补偿单元在交流侧直接相连,并通过钳位电路在直流侧连接,钳位电路连接在有源滤波及无功补偿单元与直流母线之间,为能量从制动负载经有源滤波单元回馈电网提供回路。本发明可对钻井平台电网中的谐波电流进行较好的补偿,还解决了绞车下降时所产生的过电压影响,反馈负载制动能量到电网,节能效率高。

Description

一种集成整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于石油钻井平台的(还包括其它提升类负载,卷扬机负载等) 整流、有源滤波及能量反馈制动电路,属于电力谐波抑制及能量反馈制动技术领域。
背景技术
[0002] 目前,我国在石油钻采工程上大量使用电驱动钻机,而石油钻机系统通常其动力 配备主要是由柴油发电机组或者公共电网提供。当使用公共电网供电时大量的非线性电子 装置如逆变器、整流器及各种开关电源的使用,使得600V电网系统中存在大量的谐波,从 而对600V电网上的其它用电设备(比如线路、发电机及井场照明)带来不良影响,谐波及 无功损耗加大。目前常用的谐波抑制方法是采用有源电力滤波器(APF)来补偿电网中存在 的谐波与无功。有源电力滤波器的基本原理是,检测补偿对象的电压和电流,经指令电流运 算电路计算得出补偿电流的指令信号,该信号经补偿电流发生电路放大,得出补偿电流,补 偿电流与负载电流中要补偿的谐波和无功等电流相互抵消,最终得到期望的电源电流。
[0003] 目前常用在石油钻机平台中的电气传动控制系统为VFD系统(变频调速传动控制 系统),该系统中的每个钻机系统单元将电网AC600V交流电先用二极管整流或晶闸管整流 成直流电,经大容量电容器滤波,再用IGBT三相桥完成逆变过程,得到电压和频率均可调 的交流电,驱动该单元上的绞车、泥浆泵和顶驱或转盘等电机类设备。
[0004] 目前市场上常用于解决电网输入谐波和能量反馈问题的方案有两种,分别如图1 和图2所示。图1采用的是不可控整流加APF的复合电路,并且配置了另外的能量消耗制 动电路。该方案的优点在于二极管整流电路简单可靠,APF容量小。图2采用的四象限全 控整流能量可回馈的电路方式,虽然与前一方案相比器件数量较少,电路简单,但前者全控 模块(APF)容量只为后者全控整流模块容量的40%左右,所以该方案的成本较高。
[0005] VFD系统在减速过程中,电机类负载是处于发电状态的,发出来的电经IGBT管的 寄生二极管全波整流后反馈给直流母线上的电容,使电容两端的电压上升。为了将电容器 上多余的电荷释放掉,这就需要接入制动电阻,通过制动电阻转换成热能消耗掉。这就会造 成能量的损失。
[0006] 一般情况下谐波均是由非线性负载产生的,因此防止谐波电流注入钻机平台电网 的最有效的办法是在谐波源附近安装滤波器,使滤波器中流过的谐波正好与谐波源的谐波 相抵消,从而可以有效阻止谐波流入系统中。对于VFD系统而言,为了取得较好的谐波补偿 效果,最好在每个VFD附近安装APF单元。这无疑增加了系统的复杂度,也不利于集成化设 计。
[0007] 从上述分析可以看出,如图1所示的不可控整流加APF方案需要独立配置有源滤 波单元与斩波制动单元,实际工作时,各单元均分时工作。制动时,电源侧的输入电流为零, 无需APF单元工作,APF处于闲置状态;牵引时,制动单元处于闲置状态,此时只需要APF工 作。因此该方案不仅增加了系统的复杂程度和成本,还降低了设备的利用率。图2所示的 四象限全控整流方案可以实现能量的双向流动,故可实现整流和能量反馈制动功能,并且 无需配APF滤波装置。但由于反馈制动功率通常为牵引功率的40%左右,使得设备的利用 率降低,全控整流方案的成本也高于不可控整流加少量的APF方案,并且不控整流比全控 整流可靠性更高。
发明内容
[0008] 为了解决上述两种常用方案存在的缺点,本发明按照一体化设计理念,将有源电 力滤波单元和能量消耗制动单元的功能复合到一起,用有源电力滤波单元(APF)完成滤波 和能量回馈制动功能,然后整流单元和有源电力滤波单元组合到一起,提高设备利用率,降 低VFD系统的成本和复杂度。
[0009] 本发明具体采用如下技术方案:
[0010] 一种集成了整流、有源滤波和能量反馈功能的复合电路,其特征在于包括整流单 元、有源滤波及无功补偿单元和钳位电路,整流单元与有源滤波及无功补偿单元在交流侧 直接相连,并通过钳位电路在直流侧连接,钳位电路连接在有源滤波及无功补偿单元与直 流母线之间,为能量反馈提供回路。
[0011] 本发明将整流单元与有源电力滤波单元组合在一起,使得补偿环路变短,同时也 构成共母线输出,从而可以使得直流母线上的设备相互交换功率,以提高能量利用率。当电 网电源输出电流从不可控整流器的交流部分流向直流部分时,电流中含有大量的谐波和无 功,因此需要有源滤波器进行滤波和无功补偿;直流部分后接的负载(比如绞车)减速或者 下降时,有能量反馈到直流部分,引起直流母线电压升高,二极管钳位电路接在有源电力滤 波单元与直流母线之间,为能量从制动负载经有源滤波单元回馈电网提供回路,从而稳定 直流电压。本装置可对钻井平台电网中的谐波电流进行较好的补偿,还解决了直流部分后 接的负载(如绞车)下降时所产生的过电压影响,反馈负载制动能量到电网,节能效率高。
[0012] 本发明具有如下有益效果:
[0013] 1、实现整流、有源滤波、能量反馈制动的一体化设计,将APF电路与能量反馈电路 整合到一起,省掉能耗制动电路及其制动电阻,降低了设备制造成本;
[0014] 2、整流单元与有源电力滤波单元装在一起使得补偿环路变短,便于获得较好的补 偿效果,同时也构成共母线输出,从而可以充分的利用母线上的能量;
[0015] 3、本发明电路可在有源滤波状态和能量反馈状态之间相互切换,分时工作,与整 流工况和能量反馈工况的分时工作相适应,以提高设备利用率;
[0016] 4、不可控整流中含有大量的谐波,加入APF单元后对电网输入电源中的谐波及无 功电流进行较好的补偿,降低了电网的损耗,减少了谐波电流;
[0017] 5、二极管整流较IGBT可控整流可靠性更高,即使本发明中的APF装置损坏,没有 滤波功能和能量反馈功能,也不影响后续负载的直流供电,制动时也可采取机械制动来消 耗制动的能量,从而不影响后续电机负载的牵引和制动。
附图说明
[0018] 图1是不可控整流加APF复合方案结构图。
[0019] 图2是四象限整流方案结构图。
[0020] 图3是包含本发明复合电路的VFD系统结构示意图。
[0021] 图4是常用并联型APF系统框图。
[0022] 图5是应用本发明电路的系统结构框图。
[0023] 图6是并联型有源电力滤波器等效电路。
[0024] 图7a是APF工作状态结构图。
[0025] 图7b是能量反馈工作状态结构图。
具体实施方式
[0026] 下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。
[0027] 考虑到在钻井平台中存在大量的电力电子设备,而这些设备会产生大量的谐波, 所以为了改善电网的电能质量,有源电力滤波器是必须要使用的。但同时该电网中存在大 量的绞车设备,这些设备在减速过程中,绞车是处于发电状态的。发出来的电,经和IGBT管 反向并联的续流二极管全波整流后反馈给直流电路,使直流电压上升,会损坏直流母线上 的设备。为解决钻机平台电网中主要存在的这两个主要问题,采用了一种有源滤波及能量 反馈制动结构。
[0028] 如图3所示,本发明复合电路包括整流单元M1、有源滤波及无功补偿单元(APF单 元)M2和钳位电路,整流单元Ml与有源滤波及无功补偿单元M2在交流侧直接相连,并通过 钳位电路在直流侧连接,钳位电路连接在有源滤波及无功补偿单元M2与直流母线之间,为 能量从绞车负载向有源滤波单元传输提供回路。
[0029] 整流单元M2采用不可控整流电路实现。钳位电路采用二极管D实现,二极管D的 正极连接直流正母线,负极连接有源滤波及无功补偿单元M2的直流正端,有源滤波及无功 补偿单元M2的直流负端连接直流负母线。有源滤波及无功补偿单元M2采用三相三线有源 滤波电路实现,由连接在交流侧的电感、6个反并联二极管的IGBT组成的逆变桥和连接在 直流母线两端的高压电容组成。
[0030] 图4是常用并联型APF系统结构框图,图5是应用本发明电路的系统结构框图。对 比这两框图可知,本发明的电路较常见的有源电力滤波器的电路,增加了钳位电路。当U1 大于U2时,二极管D反偏,母线电压不影响APF侧直流电压,此时电路工作于APF状态;当 U1小于U2时,二极管D导通,直流侧多余的能量通过有源滤波及无功补偿单元M2泄放,从 而降低对整流电路的冲击,此时本发明电路工作于能量反馈状态。
[0031] 对于并联型有源电力滤波器,其等效电路图如图6所示,而电压型变流器所产生 的补偿电流满足下面的等式,BP
[0032]
Figure CN104882889AD00051
[0033] 式中、⑴士⑴和Uc;(t)分别为补偿电流,系统电压和有源电力滤波器逆变器的 输出电压,而L、R分别为等效电感和电阻,通常情况下,等效电阻很小,因此可以忽略。所示 上式可近似为:
[0034]
Figure CN104882889AD00052
[0035] 因此,有源电力滤波器产生的补偿电流的大小主要取决于逆变器输出电压ue(t) 的大小。而当输出电感的值一定的情况下,为了增强电流的跟踪能力,只能提高逆变器的输 出电压,而该值的大小与直流的电压大小成正比,故可知电容两端电压的越高,有源电力滤 波器输出电流跟踪能力也越强。故使二极管负极电压U1稍大于整流器输入电压的峰值。
[0036] 本发明复合电路可工作在两种工作状态:
[0037] APF状态,此时Ul > U2,电路主要用来补偿谐波电流,提高系统功率因数,其等效 结构图如图7a所示;
[0038] 能量反馈状态,此时U2彡U1,直流母线上多余的能量通过APF单元(工作于逆变 状态),反馈到输入电源侧,给电网上其它交流负载使用,该状态等效结构图如图7b所示。
[0039] 因此,本发明有源滤波及能量反馈制动电路具有很强的实用性。

Claims (5)

1. 一种集成了整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路,其特征在于包括整流 单元(Ml )、有源滤波及无功补偿单元(M2)和钳位电路,整流单元(Ml)与有源滤波及无功补 偿单元(M2)在交流侧直接相连,并通过钳位电路在直流侧连接,钳位电路连接在有源滤波 及无功补偿单元(M2)与直流母线之间,为能量反馈提供回路。
2. 如权利要求1所述的集成了整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路,其特 征在于所述整流单元(Ml)采用不可控整流电路实现。
3. 如权利要求1所述的集成了整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路,其特 征在于钳位电路采用二极管实现,二极管的正极连接直流正母线,负极连接有源滤波及无 功补偿单元(M2)的直流正端,有源滤波及无功补偿单元(M2)的直流负端连接直流负母线。
4. 如权利要求1所述的集成了整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路,其特 征在于有源滤波及无功补偿单元(M2)采用三相三线有源滤波电路实现。
5. 如权利要求1所述的集成了整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路,其特 征在于该电路有两种工作状态: APF状态:此时Ul > U2,其中Ul为钳位电路负极电压,U2为钳位电路正极电压,电路 主要用来补偿谐波电流,提高系统功率因数; 能量反馈状态:此时U2多U1,直流母线上多余的能量通过有源滤波及无功补偿单元 (M2)反馈到输入电源侧,给电网上其它交流负载使用。
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