CN110112756B - 一种不平衡电网中功率耦合电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不平衡电网中功率耦合电路及控制方法，包括：电网侧电路，其具有星形连接的三相电源以及每相均有一个漏感Lg；主电路，其具有依次并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂、和第三桥臂均包括两个开关器件，所述第一桥臂，第二桥臂和第三桥臂的中心点分别接入三相电网；功率耦合电路，其具有一个并联在主电路右侧的第四桥臂，所述耦合桥臂包括两个开关器件，该桥臂的中点和地线之间依次串联一个耦合电感和耦合电容；直流侧电路，其具有与主电路并联的直流侧电容和负载。本发明可以将由于电网的不平衡所产生的振荡功率全部转移到功率耦合电路中，维持直流侧电压无波动，改善电能质量。

Description

一种不平衡电网中功率耦合电路及控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子控制领域，具体是涉及一种不平衡电网中功率耦合电路及控制方法。
背景技术
三相三线制变流器的广泛使用，使得智能电网具有更灵活的可控性，可以获得更的高功率因数，从而改善电能质量。然而，当电网电压出现不平衡的时候，三相变流器系统的直流侧中会出现低次振荡功率。这个振荡功会大大影响直流侧设备工作、恶化电能质量甚至降低电网的可靠性。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术中所提出的问题，提供一种不平衡电网中功率耦合电路及控制方法。本发明在三相三线制的变流器基础上增加一个功率耦合电路，将低次振荡功率通过控制算法转移到功率耦合电路中的交流电容中，保持变流器直流侧电压的稳定，从而维持直流侧负载的正常运行，改善电能质量。
本发明提供一种不平衡电网中功率耦合电路，该电路包括：
电网侧电路，其具有星形连接的三相电源以及每相均有一个漏感Lg；
主电路，其具有依次并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂、和第三桥臂均包括两个开关器件，所述第一桥臂，第二桥臂和第三桥臂的中心点分别接入三相电网；
功率耦合电路，其具有一个并联在主电路右侧的第四桥臂，所述第四桥臂包括两个开关器件，该桥臂的中点和地之间依次串联一个耦合电感L和耦合电容Cac；
直流侧电路，其具有与主电路并联的直流侧电容Cdc和负载Rload。
在上述技术方案基础上，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，包括两个串联的开关器件，第一桥臂的两个开关器件之间有第一连接点A，第二桥臂的两个开关器件之间有第二连接点B，第三桥臂的两个开关器件之间有第三连接点C，第四桥臂的两个开关器件之间有第四连接点D，三相电网分别与A，B，C三个点相连接。
在上述技术方案的基础上，所述四个桥臂所采用的开关器件为电力场效晶体管POWER MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、门极可关断晶闸管GTO和电力晶体管GTR中的任意一种或者多种的组合。
本发明还提供一种基于上述实现不平衡电网中功率耦合电路的控制方法，该方法包括如下步骤：
常规三相三线制变流器控制；
控制由于电网电压不平衡所产生振荡功率转移到功率耦合电路中的耦合电容Cac中。
在上述技术方案的基础上，所述方法还包括：
常规三相三线制变流器控制；其中，根据对变流器的要求，对输入的ua，ub，uc、ia，ib，ic以及Udc进行常规控制，计算得到主电路各个桥臂上开关器件开通和关断的电压信号；
再根据三相电压ua，ub，uc和三相电流ia，ib，ic对应相相乘，并相加得到总功率p，经过调理及A/D采样后振荡功率数字滤波器得到振荡功率pr，分别求得振荡功率的幅值和相角后，得到功率耦合桥臂上用于控制开关器件开通和关断的电压信号。
在上述技术方案的基础上，数字滤波器采用FIR带通滤波器，可以在一个周期准确提取振荡功率的幅值和相角；
在上述技术方案的基础上，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，包括两个个串联的开关器件，第一桥臂的两个开关器件S1、S2之间有第一连接点A，第二桥臂的两个开关器件S3、S4之间有第二连接点B，第三桥臂的两个开关器件S5、S6之间有第三连接点C，第四桥臂的两个开关器件S7、S8之间有第四连接点D；
采用常规算法，确定开关器件S1～S6的触发脉冲；采用FIR带通滤波算法计算得到第四连接点D的电压uD。
在上述技术方案的基础上，将各个桥臂上用于控制开关器件开通和关断的电压信号，转换为脉冲宽度调制PWM控制信号后，再输出到桥臂。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明将三相不平衡电网中低次振荡功率通过控制算法转移到功率耦合电路中的交流电容中，保持变流器直流侧电压的稳定，从而维持直流侧负载的正常运行，改善电能质量。
附图说明
图1是本发明实施例的一种不平衡电网中功率耦合电路图。
图2是本发明实施例的一种不平衡电网中功率耦合电路的控制原理图。
图3是根据本发明一个实施例的数字滤波Bode图。
图4是根据本发明一个实施例的耦合电容上电压和电流图。
图5是根据本发明一个实施例的功率跟随图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种不平衡电网中功率耦合电路，电网、主电路、功率耦合电路和直流侧电路。
其中，电网侧电路具有星形连接的三相电源以及每相均有一个漏感Lg；主电路具有依次并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂、和第三桥臂均包括两个开关器件，所述第一桥臂，第二桥臂和第三桥臂的中心点分别接入三相电网；功率耦合电路具有一个并联在主电路右侧的第四桥臂，所述耦合桥臂包括两个开关器件，该桥臂的中点和地线之间依次串联一个耦合电感L和耦合电容Cac；直流侧电路具有与主电路并联的直流侧电容Cdc和负载Rload。
在本实施例中，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，包括两个串联的开关器件，第一桥臂的两个开关器件S1、S2之间有第一连接点A，第二桥臂的两个开关器件S3、S4之间有第二连接点B，第三桥臂的两个开关器件S5、S6之间有第三连接点C，第四桥臂的两个开关器件S7、S8之间有第四连接点D，三相电网分别与A，B，C三个点相连接。
所采用的开关器件为电力场效晶体管POWER MOSFET、IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、GTO(Gate Turn OffThyristor，门极可关断晶闸管)和GTR(Giant Transistor，电力晶体管)中的任意一种或者多种的组合。
参见图2所示，本发明实施例还提供一种单不平衡电网中功率耦合电路的控制方法，包括如下步骤：
本发明提供一个实施例，电网中，三相电压不平衡而电流平衡，且主电路三相三线变流器工作在整流状态，此时在直流侧会出现一个低次振荡功率，影响直流侧。关键参数如表1所示。
表1参数表
Figure BDA0002061425250000041
S1、根据整流电路的要求，确定开关器件S1～S6的触发脉冲；
S2、计算电网功率；
三相电网总功率
Figure BDA0002061425250000051
分解后的得知，总功率由直流功率和低次振荡功率构成。
S3、振荡功率提取滤波器的设计；
经过信号调理后一个周期采样128点，纹波提取采用幅频特性如图3所示的滤波器，滤波器的传递函数为：
Figure BDA0002061425250000052
数字滤波得到振荡功率pr。
S4、求功率耦合支路控制电压uD；
耦合电容Cac上的控制电压幅值和相角分别为：
Figure BDA0002061425250000053
那么耦合电容Cac上控制电压和电流分别为：
Figure BDA0002061425250000054
忽略电感上的电压降，那么：
uD＝uac (5)
S5、调制得到开关器件S7和S8控制信号。
控制系统的处理器包括通用数字信号处理器、专用集成电路ASIC、现场可编程逻辑控制器PLC、复杂可编程逻辑器件CPLD、现场可编程门阵列FPGA。
在本实施例中，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，包括两个串联的开关器件，第一桥臂的两个开关器件之间有第一连接点A，第二桥臂的两个开关器件之间有第二连接点B，第三桥臂的两个开关器件之间有第三连接点C，第四桥臂的两个开关器件之间有第四连接点D。
参见图4和图5所示，分别示出了本发明实施例的耦合电容控制电压和控制电流，以及对低次振荡功率的跟随性能。由图4可知，该控制算法可以准确计算出耦合电容的电压以及电流。由图5可知经过0.02秒(一个电源周期)，由于不平衡带来的振荡功率可以准确地耦合到功率耦合支路电容上去，达到稳定整流电路直流侧电压的目的。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于不平衡电网中功率耦合电路的控制方法，其特征在于，该不平衡电网中功率耦合电路包括：
电网侧电路，其具有星形连接的三相电源以及每相均有一个漏感Lg；
主电路，其具有依次并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂、和第三桥臂均包括两个开关器件，所述第一桥臂，第二桥臂和第三桥臂的中心点分别接入三相电网；
功率耦合电路，其具有一个并联在主电路右侧的第四桥臂，所述第四桥臂包括两个开关器件，该桥臂的中点和地之间依次串联一个耦合电感L和耦合电容Cac；
直流侧电路，其具有与主电路并联的直流侧电容Cdc和负载Rload；
所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，包括两个串联的开关器件，第一桥臂的两个开关器件之间有第一连接点A，第二桥臂的两个开关器件之间有第二连接点B，第三桥臂的两个开关器件之间有第三连接点C，第四桥臂的两个开关器件之间有第四连接点D，三相电网分别与A，B，C三个点相连接；
所述四个桥臂所采用的开关器件为电力场效晶体管POWER MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、门极可关断晶闸管GTO和电力晶体管GTR中的任意一种或者多种的组合；
该基于不平衡电网中功率耦合电路的控制方法包括如下步骤：
S1、根据整流电路的要求，确定开关器件S1～S6的触发脉冲；
S2、计算电网功率；
三相电网总功率
p＝uaia+ubib+ucic (1)
分解后的得知，总功率由直流功率和低次振荡功率构成；
S3、振荡功率提取滤波器的设计；
经过信号调理后一个周期采样128点，纹波提取采用滤波器的传递函数为：
Figure FDA0004106192670000021
数字滤波得到振荡功率pr；
S4、求功率耦合支路控制电压uD；
耦合电容Cac上的控制电压幅值和相角分别为：
Figure FDA0004106192670000022
那么耦合电容Cac上控制电压和电流分别为：
Figure FDA0004106192670000023
忽略电感上的电压降，那么：
uD＝uac (5)
S5、调制得到S7和S8控制信号；
控制系统的处理器包括通用数字信号处理器、专用集成电路ASIC、现场可编程逻辑控制器PLC、复杂可编程逻辑器件CPLD、现场可编程门阵列FPGA。
2.如权利要求1所述的一种不平衡电网中功率耦合电路的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
常规三相三线制变流器控制；其中，根据对变流器的要求，对输入的ua，ub，uc、ia，ib，ic以及Udc进行常规控制，计算得到主电路各个桥臂上开关器件开通和关断的电压信号；
再根据三相电压ua，ub，uc和三相电流ia，ib，ic对应相相乘，并相加得到总功率p，经过调理及A/D采样后振荡功率数字滤波器得到振荡功率pr，分别求得振荡功率的幅值和相角后，得到功率耦合桥臂上用于控制开关器件开通和关断的电压信号。
3.如权利要求1所述的一种不平衡电网中功率耦合电路的控制方法，其特征在于：数字滤波器采用FIR带通滤波器，可以在一个周期准确提取振荡功率的幅值和相角。
4.如权利要求1所述的一种不平衡电网中功率耦合电路的控制方法，其特征在于：所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，包括两个个串联的开关器件，第一桥臂的两个开关器件之间有第一连接点A，第二桥臂的两个开关器件之间有第二连接点B，第三桥臂的两个开关器件之间有第三连接点C，第四桥臂的两个开关器件之间有第四连接点D；
采用常规算法，确定开关器件S1～S6的触发脉冲；采用FIR带通滤波算法计算得到第四连接点D的电压uD。
5.如权利要求1所述的一种不平衡电网中功率耦合电路的控制方法，其特征在于：将各个桥臂上用于控制开关器件开通和关断的电压信号，转换为脉冲宽度调制PWM控制信号后，再输出到桥臂。
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