CN109980949A

CN109980949A - 一种基于软开关电路的统一电能质量调节器

Info

Publication number: CN109980949A
Application number: CN201910214715.XA
Authority: CN
Inventors: 徐德鸿; 施科研; 赵安; 邓金溢
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2019-07-05

Abstract

本发明公开一种基于软开关电路的统一电能质量调节器，输入侧由三个半桥桥臂组成三相变流器电路，通过LC滤波器和变压器与三相电网串连，输出侧由另外三个半桥桥臂组成三相变流器，通过输出滤波电感与负载端的电网并连，每个半桥桥臂由上下串联的两个主开关管组成；在六个半桥桥臂的正、负公共母线之间接入由辅助开关管、箝位电容以及谐振电感组成的谐振支路，主开关管和辅助开关管两端并联谐振电容。本发明将辅助开关管与主开关管的驱动脉冲信号进行同步，能够在每个开关周期内实现所有开关管的零电压开通，有效抑制主开关反并联二极管的反向恢复电流，开关损耗小，电路效率高，有利于提高开关频率，提升系统功率密度。

Description

一种基于软开关电路的统一电能质量调节器

技术领域

本发明涉及统一电能质量调节器技术领域，尤其涉及一种基于软开关电路的统一电能质量调节器。

背景技术

传统的统一电能质量调节器电路包括输入侧三相变流器和输出侧三相变流器，每组三相变流器分别由三个半桥桥臂和三组滤波器组成；每组桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成；其中输入侧三相变流器通过变压器串接在三相电网与负载之间；输出侧三相变流器直接连接三相负载；两组三相变流器的正、负直流母线相互连接，形成正、负公共直流母线，该正、负公共直流母线分别与直流母线电容的正、负端相连。传统的统一电能质量调节器电路工作在硬开关状态，存在二极管反向恢复现象，换流器件开关损耗大，限制了工作频率的提高，导致需采用较大的滤波器，降低了电路效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种减小开关损耗，提高电路效率的基于软开关电路的统一电能质量调节器拓扑及其调制方法。

本发明内容的一个方面，提供一种基于软开关电路的统一电能质量调节器，所述基于软开关电路的统一电能质量调节器拓扑包括输入侧三相变流器、三相变压器和三相电网、辅助谐振支路和直流侧电容C_dc、输出侧三相变流器以及三相负载；上述辅助谐振支路包含一个并联二极管D₇的辅助开关管S₇、谐振电感L_r和箝位电容C_c，其中辅助开关管S₇与箝位电容C_c串联后再和谐振电感L_r并联；上述输入侧三相变流器由三个半桥桥臂和三个输出滤波电感L_ai、L_bi、L_ci、三个滤波电容C_a、C_b、C_c组成；每组半桥桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成；上述输入侧三相变流器的第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_i1、S_i4和D_i1、D_i4，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_i3、S_i6和D_i3、D_i6，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_i5、S_i2和D_i5、D_i2，三个桥臂的中点分别与三个输出滤波电感L_ai、L_bi、L_ci的一端相连；L_ai、L_bi、L_ci的另一端分别连接C_a、C_b、C_c以及三相变压器一端，三相变压器的另一端分别串接在三相电网和三相负载之间；上述输出侧三相变流器由三个半桥桥臂和三个输出滤波电感L_ao、L_bo、L_co组成；每组半桥桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成；上述输出侧三相变流器的第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_o1、S_o4和D_o1、D_o4，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_o3、S_o6和D_o3、D_o6，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_o5、S_o2和D_o5、D_o2，三个桥臂的中点分别与三个输出滤波电感L_ao、L_bo、L_co的一端相连；L_ao、L_bo、L_co的另一端分别与三相负载相连；输入侧三相变流器的正、负直流母线与输出侧三相变流器的正、负直流母线相互连接，形成正、负公共直流母线；正公共直流母线与直流侧电容C_dc的正端之间接入上述辅助谐振支路，负公共直流母线与直流侧电容C_dc的负端相连；各开关管S_i1～S_i6、S_o1～S_o6和S₇的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容C_i1～C_i6、C_o1～C_o6和C₇。

本发明内容的另一个方面，提供一种基于软开关电路的统一电能质量调节器的调制方法，所述输入侧三相变流器和输出侧三相变流器的主开关管采用零电压脉宽调制方法进行控制，所有主开关管和辅助开关管具有相同的开关频率；在每个开关周期中，对上述输入侧三相变流器和输出侧三相变流器所有桥臂中存在的由二极管向主开关管换流的开关动作时刻进行同步，并且在上述由二极管向主开关管换流的开关动作时刻前关断辅助开关管S₇，正、负公共直流母线电压谐振为零，为主开关管创造零电压开通的条件；在所有二极管向主管换流过程结束之后，谐振电容C₇上的电压将谐振为零，辅助开关管S₇进行零电压开通。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

采用本发明的统一电能质量调节器电路，能实现输入侧三相变流器和输出侧三相变流器在工频周期内全范围零电压开关，该变换器中箝位二极管的反向恢复得到抑制，减少了电磁干扰。电路中所有功率开关器件实现软开关，开关损耗小，电路效率高，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。

附图说明

图1为基于软开关电路的统一电能质量调节器电路拓扑图。

图2为一个工频周期内根据输出电流波形划分的十二个工作区间示意图。

图3为本发明在区间1中的脉冲控制时序图。

图4～21分别为本发明在区间1中一个开关周期的各阶段的工作等效电路。

图22为本发明在区间1中一个开关周期的主要工作电压和电流波形。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1，基于软开关电路的统一电能质量调节器包括输入侧三相变流器、三相变压器和三相电网、辅助谐振支路和直流侧电容C_dc、输出侧三相变流器以及三相负载；上述辅助谐振支路包含一个并联二极管D₇的辅助开关管S₇、谐振电感L_r和箝位电容C_c，其中辅助开关管S₇与箝位电容C_c串联后再和谐振电感L_r并联；上述输入侧三相变流器由三个半桥桥臂和三个输出滤波电感L_ai、L_bi、L_ci、三个滤波电容C_a、C_b、C_c组成；每组半桥桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成；上述输入侧三相变流器的第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_i1、S_i4和D_i1、D_i4，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_i3、S_i6和D_i3、D_i6，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_i5、S_i2和D_i5、D_i2，三个桥臂的中点分别与三个输出滤波电感L_ai、L_bi、L_ci的一端相连；L_ai、L_bi、L_ci的另一端分别连接C_a、C_b、C_c以及三相变压器一端，三相变压器的另一端分别串接在三相电网和三相负载之间；上述输出侧三相变流器由三个半桥桥臂和三个输出滤波电感L_ao、L_bo、L_co组成；每组半桥桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成；上述输出侧三相变流器的第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_o1、S_o4和D_o1、D_o4，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_o3、S_o6和D_o3、D_o6，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_o5、S_o2和D_o5、D_o2，三个桥臂的中点分别与三个输出滤波电感L_ao、L_bo、L_co的一端相连；L_ao、L_bo、L_co的另一端分别与三相负载相连；输入侧三相变流器的正、负直流母线与输出侧三相变流器的正、负直流母线相互连接，形成正、负公共直流母线；正公共直流母线与直流侧电容C_dc的正端之间接入上述辅助谐振支路，负公共直流母线与直流侧电容C_dc的负端相连；各开关管S_i1～S_i6、S_o1～S_o6和S₇的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容C_i1～C_i6、C_o1～C_o6和C₇。

对于基于软开关电路的统一电能质量调节器电路，可以根据输入侧三相变流器的三相输入电流和输出三相变流器的三相输出电流的相位情况，将工作区域划分成十二个区域，如图2所示。下面以三相输入、输出电流处在区域1为例，对电路工作在一个开关周期内的工作过程进行分析。由于在区域1内i_ai和i_bi均大于零，i_bi、i_ci、i_bo、i_co均小于零，根据图1所示的电路的电流参考方向，在一个开关周期内，存在六个二极管向主开关管换流的过程，分别为D_i1向S_i4换流、D_i6向S_i3换流、D_i2向S_i5换流、D_o4向S_o1换流、D_o3向S_o6换流、D_o5向S_o2换流，在该开关周期内，开关管的脉冲控制时序如图3所示，变流器共有18个工作状态。图4～21是该区域内一个开关周期的工作等效电路，工作时的主要电压和电流波形如图22所示，电路工作在其它区间内的工作过程与此类似。

具体阶段分析如下：

阶段一(t₀～t₁)：

如图4所示，输入侧第一桥臂上管二极管D_i1，第二桥臂下管二极管D_i6，第三桥臂下管二极管D_i2，输出侧第一桥臂下管二极管D_o4，第二桥臂上管二极管D_o3，第三桥臂上管二极管D_o5均导通，由谐振电感L_r、箝位电容C_c、辅助开关S₇组成的辅助电路中，箝位电容C_c两端电压为U_Cc，谐振电感电流线性上升；

阶段二(t₁～t₂)：

如图5所示，在t₁时刻辅助开关S₇关断，谐振电感L_r使主开关管S_i4、S_i3、S_i5、S_o1、S_o6、S_o2的并联电容C_i4、C_i3、C_i5、C_o1、C_o6、C_o2放电，同时使辅助开关S₇的并联电容C₇充电，谐振电感L_r的电流i_Lr谐振下降，在t₂时刻，主开关S_i4、S_i3、S_i5、S_o1、S_o6、S_o2的并联电容C_i4、C_i3、C_i5、C_o1、C_o6、C_o2电压谐振至零，该阶段结束；

阶段三(t₂～t₃)：

如图6所示，在t₂时刻以后D_i4、D_i3、D_i5、D_o1、D_o6、D_o2会导通，将C_i4、C_i3、C_i5、C_o1、C_o6、C_o2上的电压箝位为零，可在t₂时刻开通S_i4、S_i3、S_i5、S_o1、S_o6、S_o2，可实现S_i4、S_i3、S_i5、S_o1、S_o6、S_o2的零电压开通，在t₃时刻，D_i4、D_i3、D_i5、D_o1、D_o6、D_o2关断，该阶段结束。

阶段四(t₃～t₄)：

如图7所示，在D_i4、D_i3、D_i5、D_o1、D_o6、D_o2关断后，电路进入换流阶段，电流i_ai由二极管D_i1向开关管S_i4换流，电流i_bi由二极管D_i6向开关管S_i3换流，电流i_ci由二极管D_i2向开关管S_i5换流，电流i_ao由二极管D_o4向开关管S_o1换流，电流i_bo由二极管D_o3向开关管S_i6换流，电流i_co由二极管D_o5向开关管S_o2换流，在t₄时刻，以上六个桥臂换流均结束，该阶段结束。

阶段五(t₄～t₅)：

如图8所示，在t₄时刻以后i_Lr继续下降，C₇开始放电，C_i1、C_i6、C_i2、C_o4、C_o3、C_o5开始充电，电路进入第二次谐振过程，在t₅时刻C₇上的电压谐振到零，该阶段结束。

阶段六(t₅～t₆)：

如图9所示，t₅时刻以后，D₇会导通，将C₇上的电压箝位为零，为辅助管S₇的零电压开通提供条件，可在t₅时刻给S₇发送开通信号，使其实现零电压开通，当S_i4在t₆时刻关断时，该阶段结束。

阶段七(t₆～t₇)：

如图10所示，S_i4在t₆时刻关断后，输入侧变流器的第一桥臂开始换流，C_i4开始充电，C_i1开始放电，在t₇时刻，C_i4上的电压上升到U_Cc+V_dc，C_i1上的电压下降到零，该阶段结束，其中V_dc为直流侧母线电容C_dc两端的电压。

阶段八(t₇～t₈)：

如图11所示，在输入侧变流器的第一桥臂完成换流，D_i1续流导通后，S_i1开通，在此阶段S_i3、S_i5、S_o1、S_o6、S_o2、S₇保持开通状态，谐振电感电流线性上升，在t₈时刻S_i5关断，该阶段结束。

阶段九(t₈～t₉)：

如图12所示，S_i5在t₈时刻关断后，输入侧变流器的第三桥臂开始换流，C_i5开始充电，C_i2开始放电，在t₉时刻，C_i5上的电压上升到U_Cc+V_dc，C_i2上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十(t₉～t₁₀)：

如图13所示，在输入侧变流器的第三桥臂完成换流，D_i2续流导通后，S_i2开通，在此阶段S_i1、S_i3、S_o1、S_o6、S_o2、S₇保持开通状态，谐振电感电流线性上升，在t₁₀时刻S_i3关断，该阶段结束。

阶段十一(t₁₀～t₁₁)：

如图14所示，S_i3在t₁₀关断后，输入侧变流器的第二桥臂开始换流，C_i3开始充电，C_i6开始放电，在t₁₁时刻，C_i3上的电压上升到U_Cc+V_dc，C_i6上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十二(t₁₁～t₁₂)：

如图15所示，在输入侧变流器的第二桥臂完成换流，D_i6续流导通后，S_i6开通，在此阶段S_i1、S_i2、S_o1、S_o6、S_o2、S₇保持开通状态，谐振电流线性上升，在t₁₂时刻S_o6关断，该阶段结束。

阶段十三(t₁₂～t₁₃)：

如图16所示，S_o6在t₁₂关断后，输出侧变流器的第二桥臂开始换流，C_o6开始充电，C_o3开始放电，在t₁₃时刻，C_o6上的电压上升到U_Cc+V_dc，C_o3上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十四(t₁₃～t₁₄)：

如图17所示，在输出侧变流器的第二桥臂完成换流，D_o3续流导通后，S_o3开通，在此阶段S_i1、S_i6、S_i2、S_o1、S_o2、S₇保持开通状态，谐振电流线性上升，在t₁₄时刻S_o2关断，该阶段结束。

阶段十五(t₁₄～t₁₅)：

如图18所示，S_o2在t₁₄关断后，输出侧变流器的第三桥臂开始换流，C_o2开始充电，C_o5开始放电，在t₁₅时刻，C_o2上的电压上升到U_Cc+V_dc，C_o5上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十六(t₁₅～t₁₆)：

如图19所示，在输出侧变流器的第三桥臂完成换流，D_o5续流导通后，S_o5开通，在此阶段S_i1、S_i6、S_i2、S_o1、S_o3、S₇保持开通状态，谐振电流线性上升，在t₁₆时刻S_o1关断，该阶段结束。

阶段十七(t₁₆～t₁₇)：

如图20所示，S_o1在t₁₆关断后，输出侧变流器的第一桥臂开始换流，C_o1开始充电，C_o4开始放电，在t₁₇时刻，C_o1上的电压上升到U_Cc+V_dc，C_o4上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十八(t₁₇～t₀’)：

如图21所示，在输出侧变流器的第一桥臂完成换流，D_o4续流导通后，S_o4开通，在此阶段S_i1、S_i6、S_i2、S_o3、S_o5、S₇保持开通状态，谐振电流线性上升，该阶段与阶段一相同。

Claims

1.一种基于软开关电路的统一电能质量调节器，其特征在于：所述基于软开关电路的统一电能质量调节器拓扑包括输入侧三相变流器、三相变压器和三相电网、辅助谐振支路和直流侧电容C_dc、输出侧三相变流器以及三相负载；上述辅助谐振支路包含一个并联二极管D₇的辅助开关管S₇、谐振电感L_r和箝位电容C_c，其中辅助开关管S₇与箝位电容C_c串联后再和谐振电感L_r并联；上述输入侧三相变流器由三个半桥桥臂和三个输出滤波电感L_ai、L_bi、L_ci、三个滤波电容C_a、C_b、C_c组成；每组半桥桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成；上述输入侧三相变流器的第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_i1、S_i4和D_i1、D_i4，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_i3、S_i6和D_i3、D_i6，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_i5、S_i2和D_i5、D_i2，三个桥臂的中点分别与三个输出滤波电感L_ai、L_bi、L_ci的一端相连；L_ai、L_bi、L_ci的另一端分别连接C_a、C_b、C_c以及三相变压器一端，三相变压器的另一端分别串接在三相电网和三相负载之间；上述输出侧三相变流器由三个半桥桥臂和三个输出滤波电感L_ao、L_bo、L_co组成；每组半桥桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成；上述输出侧三相变流器的第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_o1、S_o4和D_o1、D_o4，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_o3、S_o6和D_o3、D_o6，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_o5、S_o2和D_o5、D_o2，三个桥臂的中点分别与三个输出滤波电感L_ao、L_bo、L_co的一端相连；L_ao、L_bo、L_co的另一端分别与三相负载相连；输入侧三相变流器的正、负直流母线与输出侧三相变流器的正、负直流母线相互连接，形成正、负公共直流母线；正公共直流母线与直流侧电容C_dc的正端之间接入上述辅助谐振支路，负公共直流母线与直流侧电容C_dc的负端相连；各开关管S_i1～S_i6、S_o1～S_o6和S₇的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容C_i1～C_i6、C_o1～C_o6和C₇。

2.一种基于软开关电路的统一电能质量调节器的调制方法，其特征在于：所述输入侧三相变流器和输出侧三相变流器的主开关管S_i1～S_i6、S_o1～S_o6采用零电压脉宽调制方法进行控制，所有主开关管和辅助开关管S₇具有相同的开关频率；在每个开关周期中，对上述输入侧三相变流器和输出侧三相变流器所有半桥桥臂中存在的由二极管向主开关管换流的开关动作时刻进行同步，并且在上述由二极管向主开关管换流的开关动作时刻前关断辅助开关管S₇，正、负公共直流母线电压谐振为零，为主开关管创造零电压开通的条件；在所有二极管向主管换流过程结束之后，谐振电容C₇上的电压将谐振为零，辅助开关管S₇进行零电压开通。