CN110504850B - 一种整流装置及其环流抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种整流装置及其环流抑制方法，整流装置包括：滤波电抗器、PWM整流器和二极管整流器。至少i重PWM整流器的直流侧直接并联于直流电源/直流负载的两端，i≥2。PWM整流器的交流侧通过滤波电抗器并联于并联点，二极管整流器的直流侧与PWM整流器的直流侧并联。二极管整流器的交流侧直接并联于PWM整流器交流侧的并联点，并联点连接至交流电源/交流负载。i重PWM整流器采用载波错相
Figure DDA0001664254350000011
调制，或采用载波错时
Figure DDA0001664254350000012
调制，Ts为PWM整流器开关器件的开关周期。本发明能够解决现有整流装置环流抑制方式结构复杂、硬件投入成本、设备体积大和适用性不强的技术问题。

Description

一种整流装置及其环流抑制方法
技术领域
本发明涉及变流技术领域，尤其是涉及一种电压型PWM(Pulse WidthModulation，脉宽调制的简称)整流装置及其环流抑制方法。
背景技术
随着电网谐波污染问题日益严重，以及人们对高性能电力传动技术的需要，PWM整流技术已引起人们越来越多的注意。三相PWM整流器可以做到输入电流正弦、单位功率因数、直流电压输出稳定，具有良好的动态性能并可实现能量的双向流动。因此，PWM整流器成为当前电力电子领域研究的热点课题之一。电压型PWM整流器通过对电路进行正弦波PWM控制，使得整流桥的交流输入端产生正弦PWM电压，对各相电压进行控制，就可以使各相电流为正弦波且和电压相位相同，从而使功率囚数为1。当电路工作在整流状态下，能量从电网侧流向直流侧的负载；当电路工作在再生状态下，类似于三相PWM电压型逆变器，可以将直流侧的能量回馈到交流电网侧。
然而，在电压型PWM整流器(VSR型PWM整流器)与二极管整流器并联运行时，通常会在二极管中产生环流。在现有技术中，抑制环流的方法通常有以下三种：
第一种方法是在二极管整流器的交流侧或直流侧增加电感或电阻。如附图1所示，整流器包括：滤波电抗器3、PWM整流器4、二极管整流器5、变压器8和环流抑制电抗器9，变压器8连接至交流母线7。此种方案不需要隔离变压器，滤波电抗器3是必不可少的，滤波电抗器3连接于PWM整流器4的交流侧，需要单独放置。为了抑制环流，在二极管整流器5的直流侧(交流侧也可以)放置环流抑制电抗器(或电阻)9。此种方案环流的大小取决于PWM整流器的开关频率以及环流抑制电抗器感值的大小，且也需要增加硬件投入与设备体积。
第二种是在PWM整流器的交流侧连接隔离变压器后再连接二极管整流器。如附图2所示，整流器包括：PWM整流器4、二极管整流器5、变压器8和隔离变压器10，PWM整流器4的直流侧与二极管整流器5的直流侧相连，变压器8连接至交流母线7。此种方案在PWM整流器4的交流侧连接隔离变压器10，以隔断环流路径，此隔离变压器10可通过漏抗的形式集成交流侧滤波电抗器，也可以将此滤波电抗器外置。此方案虽然能抑制环流，但是需要增加隔离变压器10，增加了装置成本、体积。
第三种是在二极管整流器的直流侧增加大功率开关器件控制环流回路的通断。如附图3所示，整流器包括：滤波电抗器3、PWM整流器4、二极管整流器5、变压器8和可控功率器件11，滤波电抗器3连接于PWM整流器4的交流侧，变压器8连接至交流母线7。此种方案在二极管整流器5的直流侧增设可控功率器件11，在只需要PWM整流器4运行时将可控功率器件11断开，从而切断环流回路，显然此种方案不适用于要求PWM整流器4和二极管整流器5同时运行的情况(如并联在二极管直流侧两端的有源滤波场合)，且还需要增加可控功率器件及其控制装置。
因此，上述第一、二种方案增加了整流装置的成本、体积与损耗，而第三种方案不仅增加了整流装置的成本、体积和损耗，而且不能适用于需要二极管整流器5和PWM整流器4同时投入工作的场合。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种整流装置及其环流抑制方法，以解决现有整流装置环流抑制方式结构复杂、硬件投入成本、设备体积大和适用性不强的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种整流器的技术实现方案，一种整流装置，包括：
PWM整流器、二极管整流器和i个滤波电抗器。至少i重PWM整流器的直流侧直接并联于直流电源/直流负载的两端，i≥2。PWM整流器的交流侧分别通过各自对应的滤波电抗器并联于并联点，所述二极管整流器的直流侧与PWM整流器的直流侧并联。所述二极管整流器的交流侧直接并联于所述PWM整流器交流侧的并联点，所述并联点连接至交流电源/交流负载。i重PWM整流器采用载波错相
Figure GDA0002673256670000021
SPWM调制，或采用载波错时
Figure GDA0002673256670000022
SVPWM调制，Ts为PWM整流器开关器件的开关周期。
优选的，所述PWM整流器包括j相桥臂，j≥1，当所述PWM整流器包括两相以上的桥臂时，所述桥臂之间相互并联。所述PWM整流器的交流侧通过所述滤波电抗器逐相并联于j个并联点，j相的二极管整流器交流侧直接并联于所述PWM整流器交流侧的j个并联点。
优选的，通过i重PWM整流器采用载波错相
Figure GDA0002673256670000023
SPWM调制，或采用载波错时
Figure GDA0002673256670000024
SVPWM调制，使得并联点的电位为0，所述并联点对PWM整流器直流侧的负极无电势差以抑制环流。
优选的，所述整流装置包括两重直流侧并联的PWM整流器。
优选的，所述PWM整流器包括三相并联的桥臂，三相的滤波电抗器与PWM整流器交流侧对应的桥臂逐相相连，所述二极管整流器采用三相桥式整流器。
优选的，所述整流装置仅包括一个二极管整流器。
优选的，所述整流装置还包括网侧电抗器，所述网侧电抗器连接于交流电源/交流负载与所述并联点之间。
优选的，所述PWM整流器输出波形F(t)的双重傅里叶表达式为：
Figure GDA0002673256670000031
式中，QKm为调制信号幅值，ω为调制信号角频率，E为PWM整流器的直流侧电压，K为谐波次数，φK为K次谐波相位，J0(x)为0阶贝塞尔函数，Jn(x)为n阶贝塞尔函数，ωc为载波角频率，φc为载波相位，ωm为调制信号中K次谐波角频率，φKm为调制信号中K次谐波相位，m、n为谐波次数，t为时间。
本发明还另外具体提供了一种基于上述整流器的环流抑制方法的技术实现方案，一种整流器环流抑制方法，包括以下步骤：
A)将至少i重PWM整流器的直流侧直接并联于直流电源/直流负载的两端，i≥2，将所述PWM整流器的交流侧通过滤波电抗器并联于并联点；
B)将二极管整流器的直流侧与所述PWM整流器的直流侧并联，将所述二极管整流器的交流侧直接并联于PWM整流器交流侧的并联点，所述并联点连接至交流电源/交流负载；
D)i重PWM整流器采用载波错相
Figure GDA0002673256670000032
SPWM调制，或采用载波错时
Figure GDA0002673256670000033
SVPWM调制，Ts为PWM整流器开关器件的开关周期。
优选的，所述PWM整流器采用j相桥臂，j≥1，当所述PWM整流器包括两相以上的桥臂时，所述桥臂之间相互并联。所述PWM整流器的交流侧通过所述滤波电抗器逐相并联于j个并联点，j相的二极管整流器交流侧直接并联于所述PWM整流器交流侧的j个并联点。
优选的，通过i重PWM整流器采用载波错相
Figure GDA0002673256670000034
SPWM调制，或采用载波错时
Figure GDA0002673256670000035
SVPWM调制，使得并联点的电位为0，所述并联点对PWM整流器直流侧的负极无电势差以抑制环流。
优选的，所述整流装置包括两重直流侧并联的PWM整流器，所述PWM整流器包括三相并联的桥臂，将三相的滤波电抗器与PWM整流器交流侧对应的桥臂逐相相连，所述二极管整流器采用三相桥式整流器。
优选的，所述方法还包括以下步骤：
C)将网侧电抗器连接于交流电源/交流负载与所述并联点之间。
通过实施上述本发明提供的整流装置及其环流抑制方法的技术方案，具有如下有益效果：
(1)本发明从整流器电路拓扑结构角度出发，配以相应的控制算法，无需增加额外硬件，即可显著抑制二极管整流器与PWM整流器并联运行时二极管上的环流；
(2)本发明由于抑制了二极管整流器与PWM整流器并联运行时的环流，因此适用于当需要二极管整流器在直流侧短路时旁路掉短路电流的工况，使短路电流经过过流能力更强的二极管整流器，而不经过IGBT器件的续流二极管，从而保护了PWM整流器，同时对正常运行时系统的稳定性和效率影响很小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的实施例。
图1是现有技术1具有环流抑制功能的整流装置的结构原理框图；
图2是现有技术2具有环流抑制功能的整流装置的结构原理框图；
图3是现有技术3具有环流抑制功能的整流装置的结构原理框图；
图4是本发明整流装置一种具体实施例的电路拓扑结构图；
图5是本发明整流装置环流抑制方法一种具体实施例的原理波形图；
图6是应用本发明整流装置环流抑制方法调制后输出的PWM波形图；
图7是应用本发明整流装置环流抑制方法调制前的环流波形图；
图8是应用本发明整流装置环流抑制方法调制后的环流波形图；
图中：1-交流电源/交流负载，2-网侧电抗器，3-滤波电抗器，4-PWM整流器，5-二极管整流器，6-直流电源/直流负载，7-交流母线，8-变压器，9-环流抑制电抗器，10-隔离变压器，11-可控功率器件。
具体实施方式
为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：
VSR型PWM整流器：电压型PWM整流器；
PWM：Pulse Width Modulation，脉宽调制的简称；
SPWM：Sinusoidal PWM，正弦脉宽调制的简称；
SVPWM：Space Vector PWM，空间矢量脉宽调制的简称。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图4至附图8所示，给出了本发明整流装置及其环流抑制方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如附图4所示，一种整流装置的实施例，具体包括：PWM整流器4、二极管整流器5和i个滤波电抗器3。至少i重PWM整流器4的直流侧直接并联于直流电源/直流负载(直流电源或直流负载)6的两端，i≥2。PWM整流器4的交流侧分别通过各自对应的滤波电抗器3并联于并联点，二极管整流器5的直流侧与PWM整流器4的直流侧并联。二极管整流器5的交流侧直接并联于PWM整流器4交流侧的并联点，并联点连接至交流电源/交流负载(交流电源或交流负载)1。其中，当整流装置的左侧连接交流电源时，整流装置的右侧连接直流负载，而当整流装置的左侧连接交流负载时，整流装置的右侧连接直流电源。i重PWM整流器4采用载波错相
Figure GDA0002673256670000051
SPWM调制，或采用载波错时
Figure GDA0002673256670000052
SVPWM调制，Ts为PWM整流器4开关器件的开关周期。PWM整流器4包括j相桥臂，j≥1，当PWM整流器4包括两相以上的桥臂时，桥臂之间相互并联。PWM整流器4的交流侧通过滤波电抗器3逐相并联于j个并联点，j相的二极管整流器5交流侧直接并联于PWM整流器4交流侧的j个并联点。通过i重PWM整流器4采用载波错相
Figure GDA0002673256670000053
SPWM调制，或采用载波错时
Figure GDA0002673256670000054
SVPWM调制，使得并联点的电位为0，并联点对PWM整流器4直流侧的负极无电势差以抑制环流。
作为本发明一种典型的具体实施例，整流装置包括两重直流侧并联的PWM整流器4，即附图4中的INV1和INV2两重PWM整流器。PWM整流器4包括三相并联的桥臂，三相的滤波电抗器3与PWM整流器4交流侧对应的桥臂逐相相连，二极管整流器5(即附图4中的Diode)采用三相桥式整流器。PWM整流器4的直流侧直接并联，交流侧则分别通过滤波电抗器Linv1和Linv2后并联于并联点O1、O2、O3。二极管整流器5的直流侧与PWM整流器4的直流侧并联，二极管整流器5的交流侧直接并联在两个PWM整流器4的交流侧并联点O1、O2、O3上(二极管整流器5的交流侧和直流侧无需电抗器)。两个PWM整流器4在调制算法上采用载波错相180°SPWM，其波形如附图5所示。
整流装置还包括网侧电抗器2(即附图4中的Lg)，网侧电抗器2连接于交流电源/交流负载1与并联点之间。整流装置仅包括一个二极管整流器5。
在图6(a)中M(t)为调制信号，其表达式为：
M(t)＝QKmcos(ωt+φKm) 式(1)
式(1)中，QKm为调制信号幅值，ω为调制信号角频率，φKm为调制信号相位。
在图6(b)中F(t)为调制后输出的PWM波形，其傅里叶表达式为：
Figure GDA0002673256670000061
式(2)中，E为PWM整流器4的直流侧电压，K为谐波次数，CK为K次谐波幅值，φK为K次谐波相位。
通过双重傅里叶变换，PWM整流器4输出波形F(t)的双重傅里叶表达式为：
Figure GDA0002673256670000062
式中，QKm为调制信号幅值，ω为调制信号角频率，E为PWM整流器4的直流侧电压，K为谐波次数，J0(x)为0阶贝塞尔函数，Jn(x)为n阶贝塞尔函数，ωc为载波角频率，φc为载波相位，ωm为调制信号中K次谐波角频率，φKm为调制信号中K次谐波相位，m、n为谐波次数，t为时间。
环流主要是由式(3)中载波频率的正弦信号构成，即式(3)中第二项当m＝1的部分，当采用载波错相SPWM(或错时SVPWM)时，载波相位φc相差180°，使得附图4中并联点O1、O2、O3的电位为0，于是使得并联点O1、O2、O3电位对直流侧负极无电势差，无法形成环流。
其中，两重PWM整流器4在调制算法上除了采用载波错相180°SPWM之外，还可以采用错时
Figure GDA0002673256670000063
(Ts为PWM整流器4开关器件的开关周期，与开关频率fs的关系为Ts＝1/fs)的SVPWM。当PWM整流器4的并联数为i时，SPWM的错相角度为
Figure GDA0002673256670000064
(或SVPWM错时
Figure GDA0002673256670000065
)。同时，PWM整流器4的并联数不限于两重(此时二极管整流器5的数量依然只有1个)，大于等于2的数量都可以实现本实施例描述的技术方案。
本实施例无需增加额外硬件，即可显著抑制二极管整流器5与PWM整流器4并联运行时二极管上的环流。如附图7和附图8所示分别为直流侧1700V，交流滤波电感1mH，单重PWM整流器4以500kW功率并入950V三相交流电网时，采用本实施例方案与不采用本实施例方案的环流波形(测量点为二极管的交流侧)对比示意图。
由于本实施例描述的整流装置技术方案极大地抑制了二极管整流器5与PWM整流器4并联运行时的环流，因此本实施例的技术方案适用于当需要二极管整流器5在直流侧短路时旁路掉短路电流的工况，使短路电流经过过流能力更强的二极管整流器5，而不经过IGBT器件的续流二极管，从而保护了PWM整流器4。同时，由于环流很小，因此对正常运行时系统的稳定性和效率影响很小。
实施例2
一种基于实施例1所述整流装置的环流抑制方法，具体包括以下步骤：
A)将至少i重PWM整流器4的直流侧直接并联于直流电源/直流负载6的两端，i≥2，将PWM整流器4的交流侧通过滤波电抗器3并联于并联点；
B)将二极管整流器5的直流侧与PWM整流器4的直流侧并联，将二极管整流器5的交流侧直接并联于PWM整流器4交流侧的并联点，并联点连接至交流电源/交流负载1；
D)i重PWM整流器4采用载波错相
Figure GDA0002673256670000071
SPWM调制，或采用载波错时
Figure GDA0002673256670000072
SVPWM调制，Ts为PWM整流器4开关器件的开关周期。
通过i重PWM整流器4采用载波错相
Figure GDA0002673256670000073
SPWM调制，或采用载波错时
Figure GDA0002673256670000074
SVPWM调制，使得并联点的电位为0，并联点对PWM整流器4直流侧的负极无电势差以抑制环流。
PWM整流器4包括j相桥臂，j≥1，当PWM整流器4包括两相以上的桥臂时，桥臂之间相互并联。PWM整流器4的交流侧通过滤波电抗器3逐相并联于j个并联点，j相的二极管整流器5交流侧直接并联于PWM整流器4交流侧的j个并联点。
本实施例描述的整流装置环流抑制方法还包括：
C)将网侧电抗器2连接于交流电源/交流负载1与并联点之间。
作为本发明一种典型的具体实施例，整流装置包括两重直流侧并联的PWM整流器4，PWM整流器4包括三相并联的桥臂，将三相的滤波电抗器3与PWM整流器4交流侧对应的桥臂逐相相连，二极管整流器5采用三相桥式整流器。
本实施例中其它更详细的技术方案可以参见实施例1的相关描述，在此不再赘述。
通过实施本发明具体实施例描述的整流装置及其环流抑制方法机车牵引系统故障诊断及方法的技术方案，能够产生如下技术效果：
(1)本发明具体实施例描述的整流装置及其环流抑制方法从整流器电路拓扑结构角度出发，配以相应的控制算法，整流器无需增加额外硬件，即可显著抑制二极管整流器与PWM整流器并联运行时二极管上的环流；
(2)本发明具体实施例描述的整流装置及其环流抑制方法由于抑制了二极管整流器与PWM整流器并联运行时的环流，因此适用于当需要二极管整流器在直流侧短路时旁路掉短路电流的工况，使短路电流经过过流能力更强的二极管整流器，而不经过IGBT器件的续流二极管，从而保护了PWM整流器，同时对正常运行时系统的稳定性和效率影响很小。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (11)

1.一种整流装置，其特征在于，包括：PWM整流器(4)、二极管整流器(5)和i个滤波电抗器(3)；至少i重PWM整流器(4)的直流侧直接并联于直流电源/直流负载(6)的两端，i≥2；所述PWM整流器(4)的交流侧分别通过各自对应的滤波电抗器(3)并联于并联点，所述二极管整流器(5)的直流侧与PWM整流器(4)的直流侧并联；所述二极管整流器(5)的交流侧直接并联于所述PWM整流器(4)交流侧的并联点，所述并联点连接至交流电源/交流负载(1)；i重PWM整流器(4)采用载波错相
Figure FDA0002673256660000011
SPWM调制，或采用载波错时
Figure FDA0002673256660000012
SVPWM调制，Ts为PWM整流器(4)开关器件的开关周期；通过i重PWM整流器(4)采用载波错相
Figure FDA0002673256660000013
SPWM调制，或采用载波错时
Figure FDA0002673256660000014
SVPWM调制，使得并联点的电位为0，所述并联点对PWM整流器(4)直流侧的负极无电势差以抑制环流。
2.根据权利要求1所述的整流装置，其特征在于：所述PWM整流器(4)包括j相桥臂，j≥1，当所述PWM整流器(4)包括两相以上的桥臂时，所述桥臂之间相互并联；所述PWM整流器(4)的交流侧通过所述滤波电抗器(3)逐相并联于j个并联点，j相的二极管整流器(5)交流侧直接并联于所述PWM整流器(4)交流侧的j个并联点。
3.根据权利要求1或2所述的整流装置，其特征在于：所述整流装置包括两重直流侧并联的PWM整流器(4)。
4.根据权利要求3所述的整流装置，其特征在于：所述PWM整流器(4)包括三相并联的桥臂，三相的滤波电抗器(3)与PWM整流器(4)交流侧对应的桥臂逐相相连，所述二极管整流器(5)采用三相桥式整流器。
5.根据权利要求1、2或4所述的整流装置，其特征在于：所述整流装置仅包括一个二极管整流器(5)。
6.根据权利要求5所述的整流装置，其特征在于：所述整流装置还包括网侧电抗器(2)，所述网侧电抗器(2)连接于交流电源/交流负载(1)与所述并联点之间。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的整流装置，其特征在于：所述PWM整流器(4)输出波形F(t)的双重傅里叶表达式为：
Figure FDA0002673256660000015
式中，QKm为调制信号幅值，ω为调制信号角频率，E为PWM整流器(4)的直流侧电压，K为谐波次数，φK为K次谐波相位，J0(x)为0阶贝塞尔函数，Jn(x)为n阶贝塞尔函数，ωc为载波角频率，φc为载波相位，ωm为调制信号中K次谐波角频率，φKm为调制信号中K次谐波相位，m、n为谐波次数，t为时间。
8.一种基于权利要求1所述的整流装置环流抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)将至少i重PWM整流器(4)的直流侧直接并联于直流电源/直流负载(6)的两端，i≥2，将所述PWM整流器(4)的交流侧通过滤波电抗器(3)并联于并联点；
B)将二极管整流器(5)的直流侧与所述PWM整流器(4)的直流侧并联，将所述二极管整流器(5)的交流侧直接并联于PWM整流器(4)交流侧的并联点，所述并联点连接至交流电源/交流负载(1)；
D)i重PWM整流器(4)采用载波错相
Figure FDA0002673256660000021
SPWM调制，或采用载波错时
Figure FDA0002673256660000022
SVPWM调制，Ts为PWM整流器(4)开关器件的开关周期；
通过i重PWM整流器(4)采用载波错相
Figure FDA0002673256660000023
SPWM调制，或采用载波错时
Figure FDA0002673256660000024
SVPWM调制，使得并联点的电位为0，所述并联点对PWM整流器(4)直流侧的负极无电势差以抑制环流。
9.根据权利要求8所述的整流装置环流抑制方法，其特征在于：所述PWM整流器(4)包括j相桥臂，j≥1，当所述PWM整流器(4)包括两相以上的桥臂时，所述桥臂之间相互并联；所述PWM整流器(4)的交流侧通过所述滤波电抗器(3)逐相并联于j个并联点，j相的二极管整流器(5)交流侧直接并联于所述PWM整流器(4)交流侧的j个并联点。
10.根据权利要求8或9所述的整流装置环流抑制方法，其特征在于：所述整流装置包括两重直流侧并联的PWM整流器(4)，所述PWM整流器(4)包括三相并联的桥臂，将三相的滤波电抗器(3)与PWM整流器(4)交流侧对应的桥臂逐相相连，所述二极管整流器(5)采用三相桥式整流器。
11.根据权利要求10所述的整流装置环流抑制方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
C)将网侧电抗器(2)连接于交流电源/交流负载(1)与所述并联点之间。
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