CN111313727A - 一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路及其控制方法 - Google Patents

一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路及其控制方法。包括串联连接的不控整流电路和调压电路，所述调压电路输出不控整流电路输出电压中的谐波成分，以消除不控整流电路输出电压谐波。本发明由于调压电路采用含独立电容的H桥模块，为了使电容电压稳定，提出了在H桥模块输出的谐波电压中加入偏移量的方法，通过对偏移量的闭环调节，保证模块电容电压在正常工作范围；本发明还给出了调压电路具体的控制步骤，通过本发明的电路与控制策略，实现了不控整流下直流侧电压的稳定，由于直流侧无需电容滤波，避免了短路故障时电容放电带来的不利影响，同时有效减小了整流电路结构，特别适合中压整流场合。

Description

一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路及其控制方法，通过在二极管或晶闸管整流电路中加入调压电路，实现整流后电压的平整，从而省略掉直流侧的滤波电容，有利于直流侧的故障保护。
背景技术
二极管和晶闸管整流桥电路在交直流变换中得到广泛应用，但是采用这种整流方式，直流侧电压存在大量谐波，影响负载设备的正常使用。为了减小直流侧电压谐波，通常的做法是在直流侧并联大容量的滤波电容，但这将增大系统体积，同时在直流侧出现短路时，电容将首先进行放电，给故障点汇入更多电流，造成故障情况更难以处理。
在某些场合还可以采用多脉冲整流技术，利用移相变压器，获得不同相位的交流电并通过二极管或晶闸管整流电路获得最终的直流电。采用这种方式直流侧谐波显著降低，但需要额外的笨重的移相变压器。
此外，还有的整流器串联使用二极管整流电路和PWM整流电路，提高直流侧电压的稳定性，但同样需要大容量的变压器，造成整流设备体积大，在飞机，船舶直流电网系统应用中将占据更多吨位，影响经济性。
为此本发明提出了一种串联接入直流电网，用于稳定直流侧电压的调压电路，该调压电路仅采用双向DC/DC变换器，无需变压器等设备，即可保持直流侧电压平稳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路及其控制方法，实现了不控整流下直流侧电压的稳定，由于直流侧无需电容滤波，避免了短路故障时电容放电带来的不利影响，同时有效减小了整流电路结构，降低系统成本，特别适合中压整流场合。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路，包括串联连接的不控整流电路和调压电路，所述调压电路输出不控整流电路输出电压中的谐波成分，以消除不控整流电路输出电压谐波。结构如图1所示。
在本发明一实施例中，所述不控整流电路为由二极管或晶闸管构成的三相整流电路。
在本发明一实施例中，所述调压电路包括含独立电容的H桥模块、LC滤波电路。
在本发明一实施例中，所述调压电路还包括一用于旁路调压电路的晶闸管。
在本发明一实施例中，所述含独立电容的H桥模块包括电容C1，开关器件S1、S2、S3、S4；所述LC滤波电路包括滤波电感L，输出滤波电容C2；C1的一端与S1的第一端、S2的第一端连接，C1的另一端与S3的第二端、S4的第二端连接，S1的第二端与S3的第一端相连接至L的一端，S2的第二端与S4的第一端相连接至晶闸管的阴极、C2的一端，L的另一端与晶闸管的阳极、C2的另一端连接，C2的两端作为所述调压电路的两输出端。
本发明还提供了一种基于上述所述的一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路的控制方法，通过对含独立电容的H桥模块输出的谐波电压叠加偏移量，实现含独立电容的H桥模块的电容电压稳定，同时，采用电压外环结合电流内环，对含独立电容的H桥模块输出电压进行控制，获得准确的补偿电压，抵消不控整流电路输出电压中的谐波分量。
在本发明一实施例中，该方法具体实现如下：
(1)含独立电容的H桥模块的电容电压控制：
(1.1)采集C1的电压值UC1，与设定值Vcapref做差，送入比例积分控制器PI1，得到控制量UCC；
(1.2)采集不控整流电路整流侧输出电压UDC，并采集交流侧三相电压，假设交流侧相电压有效值为Up，则不控整流电路整流侧电压平均值为
Figure BDA0002433426090000021
(1.3)UDC、UCC和Umean通过加法器得到调压电路的参考电压ucomm＝UDC+UCC-Umean；
(2)调压电路输出电压控制：
(2.1)采集C2上电压，与参考电压ucomm做差，送入比例积分调节器PI2，得到内环电流参考值icref；
(2.2)检测H桥模块输出电流ic，与参考值icref做差后，送入比例积分调节器PI3，得到H桥模块输出参考电压Uref，经过PWM调制后产生H桥模块各开关器件的控制信号。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明实现了不控整流下直流侧电压的稳定，由于直流侧无需电容滤波，避免了短路故障时电容放电带来的不利影响，同时有效减小了整流电路结构，降低系统成本，特别适合中压整流场合。
附图说明
图1是本发明本发明中的整流设备拓扑结构。
图2是本发明中H桥模块补偿电路的控制框图。
图3是三相不控整流电路输出电压及其谐波。
图4是采用本发明后各电压分量。
图5是采用本发明后各支路电流分量。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路，包括串联连接的不控整流电路和调压电路，所述调压电路输出不控整流电路输出电压中的谐波成分，以消除不控整流电路输出电压谐波。直流负载连接于不控整流电路和调压电路之间。
所述不控整流电路为由二极管或晶闸管构成的三相整流电路。
所述调压电路包括含独立电容的H桥模块、LC滤波电路。所述调压电路还包括一用于旁路调压电路的晶闸管。
所述含独立电容的H桥模块包括电容C1，开关器件S1、S2、S3、S4；所述LC滤波电路包括滤波电感L，输出滤波电容C2；C1的一端与S1的第一端、S2的第一端连接，C1的另一端与S3的第二端、S4的第二端连接，S1的第二端与S3的第一端相连接至L的一端，S2的第二端与S4的第一端相连接至晶闸管的阴极、C2的一端，L的另一端与晶闸管的阳极、C2的另一端连接，C2的两端作为所述调压电路的两输出端。
本发明还提供了一种基于上述所述的一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路的控制方法，通过对含独立电容的H桥模块输出的谐波电压叠加偏移量，实现含独立电容的H桥模块的电容电压稳定，同时，采用电压外环结合电流内环，对含独立电容的H桥模块输出电压进行控制，获得准确的补偿电压，抵消不控整流电路输出电压中的谐波分量。该方法具体实现如下：
(1)含独立电容的H桥模块的电容电压控制：
(1.1)采集C1的电压值UC1，与设定值Vcapref做差，送入比例积分控制器PI1，得到控制量UCC；
(1.2)采集不控整流电路整流侧输出电压UDC，并采集交流侧三相电压，假设交流侧相电压有效值为Up，则不控整流电路整流侧电压平均值为
Figure BDA0002433426090000031
(1.3)UDC、UCC和Umean通过加法器得到调压电路的参考电压ucomm＝UDC+UCC-Umean；
(2)调压电路输出电压控制：
(2.1)采集C2上电压，与参考电压ucomm做差，送入比例积分调节器PI2，得到内环电流参考值icref；
(2.2)检测H桥模块输出电流ic，与参考值icref做差后，送入比例积分调节器PI3，得到H桥模块输出参考电压Uref，经过PWM调制后产生H桥模块各开关器件的控制信号。
以下为本发明的具体实现过程。
如图1所示，本发明提供了一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路，包括，(1)三相整流桥，可以是二极管整流桥或者晶闸管整流桥。(2)调压电路包括电容C1；开关器件S1，S2，S3，S4，并构成H桥结构；为了滤除开关噪声，采用LC滤波电路，包括滤波电感L，输出滤波电容C2；此外包括一晶闸管SP，其作用是，当直流电网出现短路故障时，旁路掉调压电路以保护调压电路。(3)整流桥输出端与调压电路及直流负载构成串联关系，最终直流负载上的电压为整流桥输出电压与调压电路输出电压之差。由于调压电路补偿了整流桥输出电压中的谐波，使得直流负载上电压谐波较少，直流侧不需要额外的滤波设备。
如图2所示，针对上述一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路，本发明还提出了控制方法，用以补偿直流侧的谐波电压，同时保证调压电路自身电容电压的稳定。该方法，包括：
(1)补偿电路的H桥模块电容电压控制，生成调压电路的补偿电压ucomm，该补偿电压包含整流电压UDC中的谐波成分，如图3所示，该谐波成分包括正负部分，假设流过调压电路的电流不变，如果电压正的部分和负的部分在一个周期内的积分相同，则调压电路在一个周期内的能量变化为0，即E＝∫u+i+∫u-i＝i(∫u++∫u-)＝0，这样模块电容在一个周期内能量交换为0，电容电压将保持稳定。由于损耗等各种原因，可能引起电容电压偏离设定值，因此需要对电容电压进行闭环调整，可以在谐波成分上加入一偏移量Ucc。该控制过程具体实现方法为，采集模块电容C1的电压值UC1，与设定值Vcapref做差，送入比例积分控制器PI1，得到控制量UCC。采集整流侧输出电压UDC，并采集交流侧三相电压，假设交流侧相电压有效值为Up，则整流后其直流侧电压平均值为
Figure BDA0002433426090000041
最终UDC，UCC和Umean通过加法器得到补偿电路的参考电压ucomm＝UDC+UCC-Umean。
(2)为了把补偿电路的输出电压控制在ucomm，通过电压外环及电流内环实现。该控制过程包括：采集电容C2上电压，与参考电压ucomm做差，送入比例积分调节器PI2，得到内环电流参考值icref。检测H桥模块输出电流ic，与参考值icref做差后，送入比例积分调节器PI3，得到H桥模块输出参考电压Uref，经过PWM调制后产生H桥模块各开关器件的控制信号，完成整个系统的控制。
通过本发明所提出的电路及其控制方案，从图4可以看到相对于未补偿情况，负载电压谐波保持在较低水平，再此过程中H桥模块电容电压保持稳定。同时从图5可以看到，H桥模块电流近似等于直流负载上电流，由于电容C2容量小，其分支电路上的电流较小。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路，其特征在于，包括串联连接的不控整流电路和调压电路，所述调压电路输出不控整流电路输出电压中的谐波成分，以消除不控整流电路输出电压谐波。
2.根据权利要求1所述的一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路，其特征在于，所述不控整流电路为由二极管或晶闸管构成的三相整流电路。
3.根据权利要求1所述的一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路，其特征在于，所述调压电路包括含独立电容的H桥模块、LC滤波电路。
4.根据权利要求3所述的一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路，其特征在于，所述调压电路还包括一用于旁路调压电路的晶闸管。
5.根据权利要求4所述的一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路，其特征在于，所述含独立电容的H桥模块包括电容C1，开关器件S1、S2、S3、S4；所述LC滤波电路包括滤波电感L，输出滤波电容C2；C1的一端与S1的第一端、S2的第一端连接，C1的另一端与S3的第二端、S4的第二端连接，S1的第二端与S3的第一端相连接至L的一端，S2的第二端与S4的第一端相连接至晶闸管的阴极、C2的一端，L的另一端与晶闸管的阳极、C2的另一端连接，C2的两端作为所述调压电路的两输出端。
6.一种基于权利要求5所述的一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路的控制方法，其特征在于，通过对含独立电容的H桥模块输出的谐波电压叠加偏移量，实现含独立电容的H桥模块的电容电压稳定，同时，采用电压外环结合电流内环，对含独立电容的H桥模块输出电压进行控制，获得准确的补偿电压，抵消不控整流电路输出电压中的谐波分量。
7.根据权利要求6所述的一种串联电压补偿的无电容滤波型整流电路的控制方法，其特征在于，该方法具体实现如下：
(1)含独立电容的H桥模块的电容电压控制：
(1.1)采集C1的电压值UC1，与设定值Vcapref做差，送入比例积分控制器PI1，得到控制量UCC；
(1.2)采集不控整流电路整流侧输出电压UDC，并采集交流侧三相电压，假设交流侧相电压有效值为Up，则不控整流电路整流侧电压平均值为
Figure FDA0002433426080000011
(1.3)UDC、UCC和Umean通过加法器得到调压电路的参考电压ucomm＝UDC+UCC-Umean；
(2)调压电路输出电压控制：
(2.1)采集C2上电压，与参考电压ucomm做差，送入比例积分调节器PI2，得到内环电流参考值icref；
(2.2)检测H桥模块输出电流ic，与参考值icref做差后，送入比例积分调节器PI3，得到H桥模块输出参考电压Uref，经过PWM调制后产生H桥模块各开关器件的控制信号。
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