CN106877333B

CN106877333B - 具备主动补偿能力的pwm整流器及其控制方法

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Publication number: CN106877333B
Application number: CN201710188793.8A
Authority: CN
Inventors: 蔡蔚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2037-03-27
Also published as: CN106877333A

Abstract

本发明揭示了一种具备主动补偿能力的PWM整流器，该PWM整流器主要包括PWM整流器主电路和PWM整流器控制器，在PWM整流器的交流输入侧耦合有输入电流传感器和输入滤波器，直流输出侧耦合有输出电压传感器、输出电流传感器和直流侧滤波电容；电网公共点与PWM整流控制器之间耦合有电网电压传感器和电网电流传感器。本发明还揭示了一种PWM整流器的控制方法，PWM整流器可具有直流侧闲置模式、有功功率控制模式、能量吸收模式以及能量回馈模式，在该控制方法下PWM整流器根据不同的负载状态，直流侧电压以及电网对于补偿的不同要求切换至相应的工作状态，从而实现提高PWM整流器容量利用率并改善公共接入点电能质量的目的。

Description

具备主动补偿能力的PWM整流器及其控制方法

技术领域

本发明的实施例涉及PWM整流器，具体而言，涉及具备主动补偿能力的PWM整流器及其控制方法。

背景技术

目前，由于大量非线性负载被接入电网，电网存在电能质量问题，比如：功率因数低、谐波含量高、电压出现闪变、供电线路末端电压偏低、静止补偿器过补偿、电网负序电流过大、有功不足导致的电网频率下降以及电源中断等问题。在这种电网条件下，各种异步电机、电磁设备和传统整流器会产生大量无功和谐波，电弧炉会产生电压闪变和负序电流，各种冲击性负载会导致瞬时电压跌落，发生短路跳闸时会产生电源中断问题。对于要求高的用电设备以及电网，不安装适当的电能质量治理装置是不能满足供电要求的。

比如针对谐波含量高问题，通常是加装有源滤波器和电力电容滤波器，但是有源滤波器造价高昂，电力电容滤波器容易产生过补和谐波震荡。又比如功率因数低的问题，通常采用动态无功补偿方式进行补偿，电源中断和电压闪变通常需要加装DVR。又比如电能质量问题，通常加装APF、SVG、TCR或者DVR等设备，这就需要增加规划用电或者布置空间，对空间本身就比较进展的配电站或者系统来说是比较为难的事，同时这些电能质量治理设备主本身也是多由全控功率半导体器件组成，价格较高，会增加项目总投资。

目前，大部分PWM整流器是电压型或电流型的，采用功率定额控制的比较少，然而在蓄电池充电或某些特殊的应用场合下，需要根据不同阶段控制整流器直流侧的输出功率，而不是仅仅控制直流侧的电压或者电流。由于PWM整流并不是时刻工作在满功率状态下，尤其是当负载是蓄电池，其在进行充电时，刚开始充电电流或者说充电功率很大，需要很大的整流器容量；然而随着充电过程的继续，PWM整流器直流侧的功率和电流会逐渐减小，这时并网的整流的容量没有得到很好的利用，整流器处于低负荷状态；当电池充满电或者负载功率很小时，PWM整流器处于空载状态；当电池或者负载切除时，PWM整流器完全处于闲置状态，虽然挂在电网上，但是并没有起到任何作用；更有甚者，当电网缺少有功功率时，直流侧接入电池或者其他能产生电能的设备的普通PWM整流器并不能将有功功率回送到电网中。

因此，针对功率控制目标的PWM整流器的控制和应用方法中，没有能很好的利用PWM整流器富余的容量，电网电能质量需要进行治理，还需要加装价格不菲的电能质量治理装置，如何利用好PWM整流器的闲置富余容量改善用电环境，将有很有现实意义和社会效益。

授权发明专利CN102868309B《一种脉冲宽度调制PWM整流器控制方法及PWM整流器》，该发明提出了一种不检测负载电流的情况下，通过检测系统侧电流，使用重复控制补偿无源性控制的PWM整流器，该整流器可以实现无功补偿功能和有源滤波功能。但是由于重复控制是将上一周期的无功和谐波作为控制指令信号加入到本周期的控制，如果谐波发生突变情况下，重复可能会引起系统不稳定，因此它不适合在负载谐波频谱变化广的应用场合，同时实时性差对于非周期性的谐波响应。该授权发明专利提出了一种基于拉格朗日-夏比积分法和重复控制补偿的无源性控制方法。然而，首先该方法提到的重复控制方法由于是采用之前周期的计算出来的无功和谐波作为补偿指令信号，其检测延迟是比较大并且是固有难以根除的，对于非周期性的干扰信号难以根除，对于突变的有功，无功以及谐波信号更是难以应对。其次，该方法提到的通过拉格朗日-夏比积分法获取PWM整流器的基于端口受控耗散哈密顿模型的互联和阻尼配置的控制规律，然而该方法计算复杂，在工程应用中由于设备的理论参数和实际参数总是有一定的误差，过于精细的控制方式会让工程师们难以设置合适的控制参数。最后，该发明主要针对电压型PWM控制模式进行优化，但没有采集直流负载的电流，并不适用于PWM定功率控制模式，当负载电流下降时该发明无法侦测到，因此不能针对负载功率进行相应控制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种充分利用闲置功率容量的，具备主动补偿能力的PWM整流器。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种具备主动补偿能力的PWM整流器，包括PWM整流器主电路和PWM整流器控制器，所述PWM整流器主电路的交流输入侧耦合有输入电流传感器和输入滤波器，直流输出侧耦合有输出电压传感器、输出电流传感器和直流侧滤波电容；电网公共点与PWM整流控制器之间耦合有电网电压传感器和电网电流传感器。

此外，本发明还提供如下附属技术方案：

优选地，PWM整流器交流输入侧还耦合有交流变压器，用于使所述PWM整流器能接入更高电压等级的电网。

优选地，PWM整流器的直流输出侧还耦合有输出滤波电感，用于降低输出电流波纹。

优选地，输入滤波器为LCL型滤波器或LC型滤波器。

优选地，当电网公共点是单相电路时，可以通过构造三相电路信号或者其他已知方法对单相电路有功功率、无功功率和谐波进行提取，以实现本发明中提出控制方法。

相比于现有技术，本发明的优势在于：揭示了一种具备主动补偿能力的PWM整流器，其电路设计简单且合理，是一种功率型PWM整流器，其直流侧有电压和电流传感器，在交流侧有电流传感器，同时在电网公共点有电压和电流传感器。通过采集直流侧电压和电流计算出直流侧负载功率，通过采集交流侧电流和电网公共点电压计算出有功分量和无功分量，因此工作模式有直流侧闲置模式、有功功率控制模式、能量吸收模式(充电模式)、以及能量回馈模式，PWM整流器根据不同的负载状态，直流侧电压以及电网对于补偿的不同要求切换至相应的工作状态，从而实现提高PWM整流器容量利用率并改善公共接入点电能质量的目的。

本发明还提供一种PWM整流器的控制方法，首先判断PWM整流器直流侧是否接入有负载；如果没有，PWM整流器进入直流侧闲置模式，以直流侧电压为控制目标，根据电网公共接入点需求，进行无功补偿、谐波补偿、或者同时无功补偿和谐波补偿。

优选地，如果PWM整流器直流侧接入有负载，PWM整流器以给定有功功率为控制目标；再判断直流侧电压，如果直流侧电压不符合要求范围，PWM整流器只进行有功功率控制，不进行谐波补偿和无功补偿。

优选地，有功功率控制方法包括如下步骤：1)通过输出电压传感器和负载侧输出电流传感器分别测得PWM整流器直流侧的输出电压和输出电流，并计算出直流负载侧有功功率，将直流负载侧有功功率与给定有功功率值比较，经过PI调节器得出电流内环参考值；2)通过电网电压传感器测得电网电压，锁相后得到锁相信号，再通过输入电流传感器测得交流侧电流，采用d-q分解法计算出交流侧电流有功分量；3)电流内环参考值与交流侧电流有功分量进行比较，经过PI调解器后得到PWM调制参考信号，然后将PWM调制参考信号作为控制信号对吸收电网的有功功率进行双闭环控制。

优选地，如果直流侧电压符合要求范围，PWM整流器以功率控制目标；又判断电网是否需要有功功率支撑；如果不需要，PWM整流器进入能量吸收模式，吸收电网有功并向直流侧提供能量，并根据电网公共接入点需求，同时进行无功补偿、谐波补偿、或者无功补偿和谐波补偿结合。

优选地，如果直流侧电压符合要求范围，PWM整流器以功率控制目标；又判断电网是否需要有功功率支撑；如果需要，PWM整流器将原来的有功给定的方向改变符号，PWM整流器工作在能量回馈模式，往电网输出能量，并根据电网公共接入点需求，同时进行无功补偿、谐波补偿、或者无功补偿和谐波补偿结合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，并非对本发明的限制。

图1是具备主动补偿能力的PWM整流器实施例1的电路原理图。

图2是具备主动补偿能力的PWM整流器实施例2的电路原理图。

图3是具备主动补偿能力的PWM整流器的控制方法的控制流程图。

图4是直流侧闲置状态下PWM整流器的有功功率控制框图。

图5是直流侧闲置状态下补偿无功+谐波抑制时的控制框图。

图6是给定功率值下的直流侧功率控制框图。

图7是能量吸收模式下补偿无功时的控制框图。

图8是能量吸收模式下补偿无功+谐波抑制时的控制框图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步非限制性的详细描述。

实施例1：

见图1，本实施例的包括：电网电压传感器1、电网电流传感器2、输入电流传感器3、输入滤波器4、PWM整流器主电路5、输出电压传感器6、直流侧滤波电容7、PWM整流器控制系统8、以及输出电流传感器9。本实施例，输入滤波器4为LCL型；PWM整流器主电路5采用H桥或者其他种类任意的具备四象限工作能力的整流器。

具体地，

电网电压传感器1和电网电流传感器2耦合在电网公共点，分别用于检测电网电压和电流值。

输入电流传感器3和输入滤波器4耦合在PWM整流器主电路5的交流输入侧，其中的输入电流传感器3用于检测PWM整流器主电路5交流侧电流值，输入滤波器4用于减少或消除谐波。

输出电压传感器6、输出电流传感器9和直流侧滤波电容7耦合在PWM整流器主电路5的直流输出侧，其中的输出电压传感器6和输出电流传感器9分别用于检测直流侧负载的电压和电流值，可计算出负载功率，直流侧滤波电容7用于减少或消除谐波。

为了能接入更高电压等级的电网中可在PWM整流器主电路5的前端加装交流变压器(图未示)。为了降低输出电流波纹，在直流侧滤波电容7后的负载侧串联输出滤波电感(图未示)。

实施例2：

见图2，本实施例的包括：电网电压传感器1、电网电流传感器2、输入电流传感器3、输入滤波器4、PWM整流器主电路5、输出电压传感器6、直流侧滤波电容7、PWM整流器控制系统8、以及输出电流传感器9。本实施例的输入滤波器4为LC型；其他元器件的连接关系、作用和原理都与实施例1相同。

实施例3：

见图3，本发明的PWM整流器的控制方法如下：

第一，判断PWM整流器直流侧是否有负载，如果没有负载，PWM整流器切换入直流侧闲置模式，此时PWM整流器以直流侧电压为控制目标，如果电网公共接入点需要无功补偿，则将系统无功功率加入控制目标；如果电网公共接入点需要进行谐波抑制时，则输出与电网公共接入点谐波电流相位相反的电流；如果电网公共接入点同时需要无功补偿和谐波抑制时，则将无功补偿功率和谐波抑制电流一同加入PWM整流器控制环路中，使PWM整流器在空载时既能实现无功补偿也能实现有源滤波功能。

直流侧闲置模式，PWM整流器直流侧有功控制采用给定直流电压

与直流电压反馈值u_dc比较，通过图4所示的直流侧闲置状态下PWM整流器的有功功率控制框图得到有功功率控制量。

由图5所示的直流侧闲置状态下补偿无功及谐波抑制时的控制框图可知，控制时可根据需要设定输出无功目标值Q^*、谐波电流d轴目标值

和谐波电流q轴目标值

就可以实现补偿电网无功功率和抑制电网谐波含量的目的。

第二，当PWM整流器直流侧有负载时，PWM整流器以功率控制为目标，此时PWM整流器以给定的有功功率进行控制，并进一步判断直流侧电压，如果直流侧电压不符合范围要求，则PWM整流器只进行有功功率控制，并不进行谐波和无功补偿。

如图6所示的给定功率值下的直流侧功率控制框图，有功功率控制的方法包括如下步骤：

1)通过输出电压传感器和输出电流传感器分别测得PWM整流器直流侧的输出电压和输出电流，并计算出直流侧有功功率，将直流侧有功功率与给定有功功率值比较，经过PI调节器得出电流内环参考值

2)通过电网电压传感器测得电网电压，锁相后得到锁相信号ωt，再通过输入电流传感器测得交流侧电流，采用d-q分解法计算出交流侧电流有功分量i_d和无功分量i_q。瞬时电压d-q分解法的公式如下所示：

3)电流内环参考值

与交流侧电流有功分量i_d进行比较，经过PI调解器后得到PWM调制参考信号，然后将PWM调制参考信号作为控制信号对吸收电网的有功功率进行双闭环控制。

第三，当PWM整流器直流侧有负载时，并且直流侧电压满足要求范围时，此时PWM整流器以功率控制为目标，如果电网不需要有功功率支撑，PWM整流器切换为能量吸收模式(即充电模式)，此时PWM整流吸收电网有功并向直流侧提供能量。

在能量吸收模式下，如果电网需要无功补偿，则将电网公共接入点所需补偿无功加入PWM整流器无功控制环控制，PWM整流器此时既以给定有功功率方式吸收电网有功,同时也产生适当的无功功率，实现提高公共接入点功率因数的目的。如图7所示，无功补偿控制是将无功功率参考值Q^*设置为电网需要补偿的数值，并采用d-q分解法求得电网实时无功功率Q_s，无功功率参考值Q^*与电网实时无功功率Q_s作比较，得出差值后经过PI调节器得出无功功率给定值

再将该给定值与PWM整流器交流侧电流i_q比较，又经过PI调节器后得出PWM调制所需的参考信号u_q。

上述电网实时无功功率Q_s是通过采样电网公共接入点电压和电网公共接入点电流，然后使用d-q分解法的变换矩阵计算出电网公共接入点的无功和谐波含量。

在能量吸收模式下，如果电网只需要进行谐波抑制，则将检测到的公共接入点中存在谐波d轴分量和q轴分量反相后分别加入有功电流环和无功电流环，这时PWM整流器在吸收电网有功的同时产生谐波用于抑制电网公共接入点的谐波含量。具体控制如图8所示，即在无功补偿基础上将电网公共点的谐波含量加入电流环中，并将无功功率参考值Q^*设置为零。

在能量吸收模式下，如果电网公共接入点需要无功补偿同时还需要谐波抑制时，则将无功补偿功率和谐波抑制电流一同加入PWM整流器控制环路中，使PWM整流器在给定有功功率控制的前提下既能实现无功补偿也能实现有源滤波功能。具体控制如图8所示，即在无功补偿基础上将电网公共点的谐波含量加入电流环中。

在能量吸收模式下，如果仅需要给负载提供有功功率，则只需将无功功率参考和谐波电流参考值设置为零。

第四，如果电网电源中断，或者需要有功功率支撑，将原来的有功给定的方向改变符号，则PWM整流器切换为能量回馈模式。

在能量回馈模式下，如果电网需要补偿无功，则将公共接入点所需补偿无功加入PWM整流器无功控制环控制，PWM整流器此时既以给定有功功率方式向电网注入有功的同时也产生适当的无功功率，从而实现能量回馈的同时提高公共接入点功率因数的目的。本模式下的无功补偿控制方式与图7所示控制方法基本相同，只是由原来的吸收电网有功变成回馈有功功率，这时有功的参考值P^*为负值。

在能量回馈模式下，如果电网需要进行谐波抑制，则将检测到的公共接入点中存在谐波d轴分量和q轴分量反相后分别加入有功电流环和无功电流环，这时PWM整流器在向电网注入有功的同时产生谐波用于抑制电网公共接入点的谐波含量。本模式下仅进行谐波抑制的控制方法与图8所示的控制方法基本相同，只需将有功的参考值P^*换为负值，并且设置Q^*＝0即可。

在能量回馈模式下，如果电网公共接入点需要无功补偿同时还需要谐波抑制时，则将无功补偿功率和谐波抑制电流一同加入PWM整流器控制环路中，使PWM整流器在向电网回馈能量的同时既能实现无功补偿也能实现有源滤波功能。本模式下的谐波抑制控制方法与图8所示的控制方法基本相同，只需将有功的参考值P^*换为负值。

综上所述，本发明的具备主动补偿能力的PWM整流器及其控制方法充分利用了PWM整流器的富余容量，提高电网的电能质量，可在低负荷且直流电压符合要求的情况下，对其接入点的电网无功或者谐波进行治理；没有负载时，可当作有源电力滤波器(APF)或者静止无功发生器(SVG)使用；当其负载为电池或者其他储能装置时，还能在电网需要有功回馈时提供逆向放电。应用本发明的PWM整流器系统，不需要加装无功补偿和谐波治理装置，还能兼顾提高供电质量功能，治理其他设备产生的无功和谐波问题，节省供电系统设备安装空间，降低供电设备总投资。而且由于是功率型PWM整流器，主要适用电动汽车动力电池充电器，以恒能量为控制目标的并网逆变器等，但不限于以上应用的方式。

需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具备主动补偿能力的PWM整流器的控制方法，所述PWM整流器包括PWM整流器主电路和PWM整流器控制器，所述PWM整流器主电路的交流输入侧耦合有输入电流传感器和输入滤波器，直流输出侧耦合有输出电压传感器、输出电流传感器和直流侧滤波电容，电网公共点与PWM整流控制器之间耦合有电网电压传感器和电网电流传感器，其特征在于，所述控制方法包括如下：

1)判断所述PWM整流器的直流侧是否接入有负载；

2)如果没有接入负载，所述PWM整流器进入直流侧闲置模式，PWM整流器直流侧有功控制采用给定直流电压

与直流电压反馈值u_dc比较，并计算出有功功率控制量；在直流侧闲置模式下，PWM整流器以直流侧电压为控制目标，根据电网公共接入点需求设定输出无功目标值Q^*、谐波电流d轴目标值

和谐波电流q轴目标值

进行无功补偿、谐波抑制、或者同时无功补偿和谐波抑制；

3)如果所述PWM整流器直流侧接入有负载，PWM整流器以给定有功功率为控制目标，在以给定有功功率为控制目标下，判断直流侧电压；如果直流侧电压不符合要求范围，PWM整流器只进行有功功率控制，不进行谐波抑制和无功补偿；如果直流侧电压能符合要求范围，PWM整流器以有功功率为控制目标，并判断电网是否需要有功功率支撑；其中的有功功率控制方法包括：

3.1)通过输出电压传感器和输出电流传感器分别测得PWM整流器直流侧的输出电压和输出电流，并计算出直流侧有功功率，将直流侧有功功率与给定有功功率值比较，经过PI调节器得出电流内环参考值

3.2)通过电网电压传感器测得电网电压，锁相后得到锁相信号ωt，再通过输入电流传感器测得交流侧电流，采用d-q分解法计算出交流侧电流有功分量i_d和无功分量i_q ; 瞬时电压d-q分解法的公式如下所示：

3.3)电流内环参考值

与交流侧电流有功分量i_d进行比较，经过PI调解器后得到PWM调制参考信号，然后将PWM调制参考信号作为控制信号对吸收电网的有功功率进行双闭环控制；

4)如果所述PWM整流器直流侧接入有负载，PWM整流器以给定有功功率为控制目标下，且直流侧电压能符合要求范围，如果不需要有功功率支撑，PWM整流器进入能量吸收模式，吸收电网有功并向直流侧提供能量，并根据电网公共接入点需求，同时进行无功补偿、谐波补偿、或者同时无功补偿和谐波抑制；其中，

4.1)无功补偿的控制方法为：将无功功率参考值Q^*设置为电网需要补偿的数值，并采用d-q分解法求得电网实时无功功率Q_s，无功功率参考值Q^*与电网实时无功功率Q_s作比较，得出差值后经过PI调节器得出无功功率给定值

再将该给定值与PWM整流器交流侧电流i_q比较，又经过PI调节器后得出PWM调制所需的参考信号u_q；

4.2)谐波补偿的控制方法为：在上述无功补偿基础上将电网公共点的谐波含量加入电流环中，并将无功功率参考值Q^*设置为零；

4.3)同时无功补偿和谐波抑制的控制方法为：在上述无功补偿基础上将电网公共点的谐波含量加入电流环中；

5)如果所述PWM整流器直流侧接入有负载，PWM整流器以给定有功功率为控制目标下，且直流侧电压能符合要求范围，如果需要有功功率支撑，PWM整流器将原来的有功给定的方向改变符号，PWM整流器工作在能量回馈模式，往电网输出能量，并根据电网公共接入点需求，同时进行无功补偿、谐波补偿、或者同时无功补偿和谐波抑制。

2.根据权利要求1所述的具备主动补偿能力的PWM整流器的控制方法，其特征在于：所述PWM整流器主电路的交流输入侧还耦合有交流变压器，用于使所述PWM整流器能接入更高电压等级的电网。

3.根据权利要求1所述的具备主动补偿能力的PWM整流器的控制方法，其特征在于：所述PWM整流器主电路的直流输出侧还耦合有输出滤波电感，用于降低输出电流波纹。

4.根据权利要求1所述的具备主动补偿能力的PWM整流器的控制方法，其特征在于：所述输入滤波器为LCL型滤波器或LC型滤波器。