CN111384870A - 一种三电平整流器的控制装置与控制方法 - Google Patents

一种三电平整流器的控制装置与控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于信号整流技术领域，提供了一种三电平整流器的控制装置与控制方法，三电平整流器包括六个功率模块，每个功率模块分别通过驱动信号进行控制，每两个功率模块形成上桥臂和下桥臂的关系并分别通过电抗接入三相交流电，通过检测三相交流电的电信号，并对电信号进行零漂处理和锁相后，输出相位角，根据相位角控制驱动信号，以使六个功率模块轮流导通预设时间后进行关断，并使得输出的六个脉波均相差预设角度。由于无电压环电流环等环路限制，仅通过锁相即可对功率模块进行导通和关断，控制方便简单；并且电流既可从电网流向逆变侧，又可从逆变侧流向电网，避免能量回馈不及时导致机器损坏的现象发生。

Description

一种三电平整流器的控制装置与控制方法
技术领域
本发明属于信号整流技术领域，尤其涉及一种三电平整流器的控制装置与控制方法。
背景技术
三电平整流器的主回路由PWM电抗、缓冲回路、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)功率模块及母线电容等组成，并与逆变器一起组成四象限变频器，应用于位势负载的场合，例如：提升机、矿山皮带机等，以满足各种位势负载的调速要求，可将电机的再生能量转化为电能回馈电网，在实现回馈制动的情况下，达到高效节能的目的。
目前，应用比较广泛的由二极管整流、相控整流器(晶闸管整流器)和三电平PWM整流，其缺点分别是：
(1)二极管不控整流只能实现能量的单向流动，不能实现能量的双向流动，即是能量只能由网侧流向逆变侧，不能由逆变侧流向网侧，因此只能通过制动单元把逆变器送来的再生能量消耗在制动电阻中；
(2)三电平相控整流器突出的问题是晶闸管换相会引起网侧电压波形畸变，且闭环控制时动态响应较慢，存在逆变失败的可能，若在回馈桥工作期间突然交流电源故障，进线电压降低过多，则会导致短路；
(3)三电平PWM整流器虽然可以实现单位能量的双向流动，但由于受到电流环、电压环以及锁相环的带宽及AD采样滞后的限制，在一些特殊场合(如矿山下行皮带机)，回馈状态下由于能量不能及时回馈到电网导致母线电压抬升过高而造成模块的损坏。
因此，现有的整流技术存在着因电压环电流环带宽限制，使得控制复杂，并且能量无法双向流动，能量回馈不及时而导致机器损坏的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三电平整流器的控制装置与控制方法，旨在解决现有的整流技术存在着因电压环电流环带宽限制，使得控制复杂，并且能量无法双向流动，能量回馈不及时而导致机器损坏的问题。
本发明第一方面提供了一种三电平整流器的控制装置，所述三电平整流器包括六个功率模块，每个所述功率模块分别通过驱动信号进行控制，每两个所述功率模块形成上桥臂和下桥臂的关系并分别通过电抗接入三相交流电；
所述控制装置包括：
与三相电网连接，用于检测所述三相交流电的电信号，并对所述电信号进行零漂处理的处理模块；
与所述处理模块连接，用于对零漂处理后的所述电信号进行锁相，并输出相位角的锁相模块；以及
与所述锁相模块连接，根据所述相位角控制所述驱动信号，以使六个所述功率模块轮流导通预设时间后进行关断，并使得输出的六个脉波均相差预设角度的发波处理模块。
本发明第二方面提供了一种三电平整流器的控制方法，其特征在于，所述三电平整流器包括六个功率模块，每个所述功率模块分别通过驱动信号进行控制，每两个所述功率模块形成上桥臂和下桥臂的关系并分别通过电抗接入三相交流电；
所述控制方法包括：
检测所述三相交流电的电信号，并对所述电信号进行零漂处理；
对零漂处理后的所述电信号进行锁相，并输出相位角；
根据所述相位角控制所述驱动信号，以使六个所述功率模块轮流导通预设时间后进行关断，并使得输出的六个脉波均相差预设角度。
本发明提供的一种三电平整流器的控制装置与控制方法，三电平整流器包括六个功率模块，每个功率模块分别通过驱动信号进行控制，每两个功率模块形成上桥臂和下桥臂的关系并分别通过电抗接入三相交流电，通过检测三相交流电的电信号，并对电信号进行零漂处理和锁相后，输出相位角，根据相位角控制驱动信号，以使六个功率模块轮流导通预设时间后进行关断，并使得输出的六个脉波均相差预设角度。由于无电压环电流环等环路限制，仅通过锁相即可对功率模块进行导通和关断，控制方便简单；并且电流既可从电网流向逆变侧，又可从逆变侧流向电网，避免能量回馈不及时导致机器损坏的现象发生，解决了现有的整流技术存在着因电压环电流环带宽限制，使得控制复杂，并且能量无法双向流动，能量回馈不及时而导致机器损坏的问题。
附图说明
图1是本发明提供的一种三电平整流器的结构示意图。
图2是本发明提供的一种三电平整流器的控制装置的结构示意图。
图3是对应图1的三电平整流器的开关管导通顺序示意图。
图4为能量由网侧到逆变侧状态下的波形示意图。
图5为能量由逆变侧到网侧状态下的波形示意图。
图6是本发明一实施例提供的一种三电平整流器的控制方法的步骤流程示意图。
图7是本发明另一实施例提供的一种三电平整流器的控制方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
上述的一种三电平整流器的控制装置与控制方法，三电平整流器包括六个功率模块，每个功率模块分别通过驱动信号进行控制，每两个功率模块形成上桥臂和下桥臂的关系并分别通过电抗接入三相交流电，通过检测三相交流电的电信号，并对电信号进行零漂处理和锁相后，输出相位角，根据相位角控制驱动信号，以使六个功率模块轮流导通预设时间后进行关断，并使得输出的六个脉波均相差预设角度。由于无电压环电流环等环路限制，仅通过锁相即可对功率模块进行导通和关断，控制方便简单；并且电流既可从电网流向逆变侧，又可从逆变侧流向电网，避免能量回馈不及时导致机器损坏的现象发生。
图1和图2分别示出了本发明提供的一种三电平整流器的结构和一种三电平整流器的控制装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
上述一种三电平整流器10的控制装置，三电平整流器10包括六个功率模块，每个功率模块分别通过驱动信号进行控制，每两个功率模块形成上桥臂和下桥臂的关系并分别通过电抗接入三相交流电；
具体地，六个功率模块包括第一功率模块101、第二功率模块102、第三功率模块103、第四功率模块104、第五功率模块105以及第六功率模块106，其中，第一功率模块101受第一驱动信号控制，第二功率模块102受第二驱动信号控制，第三功率模块103受第三驱动信号控制，第四功率模块104受第四驱动信号控制，第五功率模块105受第五驱动信号控制，第六功率模块106受第六驱动信号控制。并且，第一功率模块101包括开关管VT1上和开关管VT1下，第二功率模块102包括开关管VT2上和开关管VT2下，第三功率模块103包括开关管VT3上和开关管VT3下，第四功率模块104包括开关管VT4上和开关管VT4下，第五功率模块105包括开关管VT5上和开关管VT5下，第六功率模块106包括开关管VT6上和开关管VT6下。开关管VT1上、开关管VT1下、开关管VT2上、开关管VT2下、开关管VT3上、开关管VT3下、开关管VT4上、开关管VT4下、开关管VT5上、开关管VT5下、开关管VT6上以及开关管VT6下均为绝缘栅双极型晶体管。
第一功率模块101、第三功率模块103以及第五功率模块105均与母线电容C1并联，第二功率模块102、第四功率模块104以及第六功率模块106均与母线电容C2并联。第一功率模块101和第四功率模块104形成上桥臂和下桥臂的关系，并通过第一电感L1接三相交流电的第一相；第三功率模块103和第六功率模块106形成上桥臂和下桥臂的关系，并通过第二电感L2接三相交流电的第二相；第二功率模块102和第五功率模块105形成上桥臂和下桥臂的关系，并通过第三电感L3接三相交流电的第三相。
该控制装置包括处理模块20、锁相模块30以及发波处理模块40。
处理模块20与三相电网连接，用于检测三相交流电的电信号，并对电信号进行零漂处理。
锁相模块30与处理模块20连接，用于对零漂处理后的电信号进行锁相，并输出相位角。
发波处理模块40与锁相模块30连接，根据相位角控制驱动信号，以使六个功率模块轮流导通预设时间后进行关断，并使得输出的六个脉波均相差预设角度。
作为本发明一实施例，上述控制装置还包括检测模块50，检测模块50与母线连接，用于检测流经母线的电压值。
作为本发明一实施例，上述控制装置还包括故障保护模块60，故障保护模块60与处理模块20及检测模块50连接，用于当母线的电压值超过预设电压和/或三相交流电的电信号出现异常时进行报警。
作为本发明一实施例，由于采用相同的驱动信号控制同一功率模块中的两个开关管，使得两个开关管同时导通或关断，并且每个开关管在一个交流周期内只导通和关断一次，于自然换流点开始导通，持续120°后关断，可四象限工作，工作频率为50Hz。由于无电压环电流环带宽限制，控制简单，能量可以双向流动，最终解决四象限变频器在能量回馈不及时而导致机器损坏问题。
作为本发明一实施例，上述锁相模块30利用级联型广义二阶滤波模型构造正交信号实现对电网电压锁相，其中k为环路滤波增益，
Figure BDA0001930729640000061
为输入信号v(s)基波角频率，v'(s)为与输入信号同相位滤波输出，qv'(s)为输入信号正交滤波输出。其SOGI-QSG系统的传递函数为：
Figure BDA0001930729640000062
Hp(s)可看作是一个带通滤波器，中心频率为谐振频率
Figure BDA0001930729640000063
Hq(s)可看作是一个低通滤波器，截止频率等于
Figure BDA0001930729640000064
由于三相电网可能存在实际的三相不平衡现象，而Hp(s)对直流偏置的抑制能力有限(低通特性)，为获得稳定的电网同步信号，采用级联型广义二阶滤波基波正序提取模型，该模型结合Hp(s)的带通滤波特性来消除实际采样回路的直流偏置，并利用正交信号特性来获取基波正序分量以抑制由实际电网或采样增益误差导致的不平衡现象，最终锁相模块30输出相电压的锁相角度。
并且，在发波处理模块40中，根据锁相模块30输出的相位角，在每个周期里，每个开关管都导通120°，即当U相电压角度在自然换流处30°时开始，开关管VT1上与开关管VT1下同时导通，延时120°后同时关断；当U相电压角度90°时开始，开关管VT2上与开关管VT2下同时导通，延时120°后同时关断；当U相电压角度150°时开始，开关管VT3上与开关管VT3下同时导通，延时120°后同时关断；当U相电压角度210°时开始，开关管VT4上与开关管VT4下同时导通，延时120°后同时关断；当U相电压角度270°时开始，开关管VT5上与开关管VT5下同时导通，延时120°后同时关断；当U相电压角度330°时开始，开关管VT6上与开关管VT6下同时导通，延时120°后同时关断。所有开关管导通产生的组合效果是，在直流侧产生六个脉波，每个脉波相差60°。最终得出在一个周期内，相输出端直流平均电压为计算公式如下：
Figure BDA0001930729640000065
其中，Vdc为直流电压平均值；Vp为相电压峰值；VLL为线电压有效值。
作为本发明一实施例，由于采用上述三电平整流器结构，每个开关管上承受的电压为整个整流器电压的一半，大大提高了装置的容量。对于U相桥臂来说，上桥臂的开关管VT1上与开关管VT1下、下桥臂的开关管VT4上与开关管VT4下驱动信号相同；对于V相桥臂来说，上桥臂的开关管VT3上与开关管VT3下、下桥臂的开关管VT6上与开关管VT6下驱动信号相同；对于W相桥臂来说，上桥臂的开关管VT5上与开关管VT5下、下桥臂的开关管VT2上与开关管VT2下驱动信号相同，且上下两个开关器件导通彼此错开，相互依次间隔60°，开关管无直通可能，工作稳定可靠，开关频率与电网同步(50Hz)，不存在能量回馈不及时问题，有效解决大功率四象限变频器能量回馈不及时导致模块损坏问题。
图3示出了三电平整流器的开关管导通顺序，图4示出了能量由网侧到逆变侧状态下的波形，以及图5示出了能量由逆变侧到网侧状态下的波形，以下结合图1-图5对上述一种用于三电平整流器的控制装置的工作原理进行描述如下：
首先，对三相交流电的电信号进行采样并零漂处理，接着对采样处理后的电网电压进行锁相处理，根据锁相出来的相电压相位角，利用在自然换流处开始导通，延时120°后关断，具体参考图3并按照如下若干情况：
1.当θ锁相出来U相电压角度∈[30,150]时，开关管VT1上与开关管VT1下同时导通，否则关闭；
2.当θ锁相出来U相电压角度∈[90,210]时，开关管VT2上与开关管VT2下同时导通，否则关闭；
3.当θ锁相出来U相电压角度∈[150,270]时，开关管VT3上与开关管VT3下同时导通，否则关闭；
4.当θ锁相出来U相电压角度∈[210,330]时，开关管VT4上与开关管VT4下同时导通，否则关闭；
θ锁相出来U相电压角度∈[270,360]
5.当θ锁相出来U相电压角度∈[0,30]时，开关管VT5上与开关管VT5下同时导通，否则关闭；
θ锁相出来U相电压角度∈[330,360]
6.当θ锁相出来U相电压角度∈[0,90]时，开关管VT6上与开关管VT6下同时导通，否则关闭。
由此可得，一个周期内每个开关管只导通和关断一次，并且每个功率模块导通相位角依次相差60°，导通延时120°后关断。由图4的能量由网侧到逆变侧(电动)状态下实测波形，以及图5的能量由逆变侧到电网(回馈)状态下实际加载波形，从波形上可以看出理论与实际趋于一致，验证了算法的可行性和正确性。
图6示出了本发明一实施例提供的一种三电平整流器的控制方法的步骤流程，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
本发明还提供了一种三电平整流器的控制方法，三电平整流器包括六个功率模块，每个功率模块分别通过驱动信号进行控制，每两个功率模块形成上桥臂和下桥臂的关系并分别通过电抗接入三相交流电；
具体地，六个功率模块包括第一功率模块101、第二功率模块102、第三功率模块103、第四功率模块104、第五功率模块105以及第六功率模块106，其中，第一功率模块101受第一驱动信号控制，第二功率模块102受第二驱动信号控制，第三功率模块103受第三驱动信号控制，第四功率模块104受第四驱动信号控制，第五功率模块105受第五驱动信号控制，第六功率模块106受第六驱动信号控制。并且，第一功率模块101包括开关管VT1上和开关管VT1下，第二功率模块102包括开关管VT2上和开关管VT2下，第三功率模块103包括开关管VT3上和开关管VT3下，第四功率模块104包括开关管VT4上和开关管VT4下，第五功率模块105包括开关管VT5上和开关管VT5下，第六功率模块106包括开关管VT6上和开关管VT6下。开关管VT1上、开关管VT1下、开关管VT2上、开关管VT2下、开关管VT3上、开关管VT3下、开关管VT4上、开关管VT4下、开关管VT5上、开关管VT5下、开关管VT6上以及开关管VT6下均为绝缘栅双极型晶体管。
第一功率模块101、第三功率模块103以及第五功率模块105均与母线电容C1并联，第二功率模块102、第四功率模块104以及第六功率模块106均与母线电容C2并联。第一功率模块101和第四功率模块104形成上桥臂和下桥臂的关系，并通过第一电感L1接三相交流电的第一相；第三功率模块103和第六功率模块106形成上桥臂和下桥臂的关系，并通过第二电感L2接三相交流电的第二相；第二功率模块102和第五功率模块105形成上桥臂和下桥臂的关系，并通过第三电感L3接三相交流电的第三相。
该控制方法包括以下步骤：
S101.检测三相交流电的电信号，并对电信号进行零漂处理；
S102.对零漂处理后的电信号进行锁相，并输出相位角；
S103.根据相位角控制驱动信号，以使六个功率模块轮流导通预设时间后进行关断，并使得输出的六个脉波均相差预设角度。
具体地，在上述步骤S102中，对零漂处理后的电信号进行锁相包括：
采用级联型广义二阶滤波模型的传递函数公式，结合带通滤波特性消除实际采样回路的直流偏置，所述传递函数公式为：
Figure BDA0001930729640000091
其中，k为环路滤波增益，
Figure BDA0001930729640000092
为输入信号v(s)基波角频率，v'(s)为与输入信号同相位滤波输出，qv'(s)为输入信号正交滤波输出，Hp(s)可看作是一个带通滤波器，中心频率为谐振频率
Figure BDA0001930729640000093
Hq(s)可看作是一个低通滤波器，截止频率等于
Figure BDA0001930729640000094
具体地，上述步骤S103具体为：根据相位角，在每个周期里，每个开关管都导通120°，即当U相电压角度在自然换流处30°时开始，开关管VT1上与开关管VT1下同时导通，延时120°后同时关断；当U相电压角度90°时开始，开关管VT2上与开关管VT2下同时导通，延时120°后同时关断；当U相电压角度150°时开始，开关管VT3上与开关管VT3下同时导通，延时120°后同时关断；当U相电压角度210°时开始，开关管VT4上与开关管VT4下同时导通，延时120°后同时关断；当U相电压角度270°时开始，开关管VT5上与开关管VT5下同时导通，延时120°后同时关断；当U相电压角度330°时开始，开关管VT6上与开关管VT6下同时导通，延时120°后同时关断。所有开关管导通产生的组合效果是，在直流侧产生六个脉波，每个脉波相差60°。
图7示出了本发明另一实施例提供的一种三电平整流器的控制方法的步骤流程，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
作为本发明另一实施例，上述控制方法还包括以下步骤：
S104.检测流经母线的电压值；
S105.当母线的电压值超过预设电压和/或三相交流电的电信号出现异常时进行报警。
上述一种三电平整流器的控制装置与控制方法的优点体现在：
1)对于三电平整流器其中一相，上桥臂的两个开关管控制方式相同，即同时导通或者同时关断，下桥臂两个开关管控制方式相同，即同时导通或者同时关断；与PWM整流控制方式相比，不存在中间两个开关管导通情况，其控制相对简单，每个开关管承受的电压为正常电压的一半；
2)每个开关管在交流周期中导通和关断一次，于自然换流点处导通，持续120°关断，每个相支路上桥臂两个开关管与下桥臂两个开关管导通彼此错开，即从第一功率模块到第六功率模块的顺序依次间隔60°，一个周期内按照第一功率模块-第二功率模块-第三功率模块-第四功率模块-第五功率模块-第六功率模块的时序，不存在开关管直通情况；
3)对三电平整流器结构来说，进线电压高于直流母线电压时，电流经开关管反并联续流二极管从电网流向逆变侧；当进线交流电压低于直流母线电压时，电流经开关管从直流逆变侧流向电网，实现能量双向流动，开关频率低(50Hz)，可提高装置回馈时出力；
4)由于无电流环、电压环等环路控制，仅根据锁相环的锁相角度来控制开关管的导通和关断，控制相对简单，调试方便。
综上，本发明实施例提供的一种三电平整流器的控制装置与控制方法，三电平整流器包括六个功率模块，每个功率模块分别通过驱动信号进行控制，每两个功率模块形成上桥臂和下桥臂的关系并分别通过电抗接入三相交流电，通过检测三相交流电的电信号，并对电信号进行零漂处理和锁相后，输出相位角，根据相位角控制驱动信号，以使六个功率模块轮流导通预设时间后进行关断，并使得输出的六个脉波均相差预设角度。由于无电压环电流环等环路限制，仅通过锁相即可对功率模块进行导通和关断，控制方便简单；并且电流既可从电网流向逆变侧，又可从逆变侧流向电网，避免能量回馈不及时导致机器损坏的现象发生。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三电平整流器的控制装置，其特征在于，所述三电平整流器包括六个功率模块，每个所述功率模块分别通过驱动信号进行控制，每两个所述功率模块形成上桥臂和下桥臂的关系并分别通过电抗接入三相交流电；
所述控制装置包括：
与三相电网连接，用于检测所述三相交流电的电信号，并对所述电信号进行零漂处理的处理模块；
与所述处理模块连接，用于对零漂处理后的所述电信号进行锁相，并输出相位角的锁相模块；以及
与所述锁相模块连接，根据所述相位角控制所述驱动信号，以使六个所述功率模块轮流导通预设时间后进行关断，并使得输出的六个脉波均相差预设角度的发波处理模块。
2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：
与母线连接，用于检测流经所述母线的电压值的检测模块。
3.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：
与所述处理模块及所述检测模块连接，用于当所述母线的电压值超过预设电压和/或所述三相交流电的电信号出现异常时进行报警的故障保护模块。
4.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，每个所述功率模块均包括两个开关管，并且同个所述功率模块中的两个所述开关管通过同一所述驱动信号进行控制。
5.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述预设角度为60°。
6.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，六个所述功率模块包括第一功率模块、第二功率模块、第三功率模块、第四功率模块、第五功率模块以及第六功率模块；
所述第一功率模块与所述第四功率模块形成上桥臂和下桥臂的关系并通过第一电抗接所述三相交流电的第一相，所述第二功率模块与所述第五功率模块形成上桥臂和下桥臂的关系并通过第二电抗接所述三相交流电的第二相，所述第三功率模块与所述第六功率模块形成上桥臂和下桥臂的关系并通过第三电抗接所述三相交流电的第三相。
7.一种三电平整流器的控制方法，其特征在于，所述三电平整流器包括六个功率模块，每个所述功率模块分别通过驱动信号进行控制，每两个所述功率模块形成上桥臂和下桥臂的关系并分别通过电抗接入三相交流电；
所述控制方法包括：
检测所述三相交流电的电信号，并对所述电信号进行零漂处理；
对零漂处理后的所述电信号进行锁相，并输出相位角；
根据所述相位角控制所述驱动信号，以使六个所述功率模块轮流导通预设时间后进行关断，并使得输出的六个脉波均相差预设角度。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，对零漂处理后的所述电信号进行锁相包括：
采用级联型广义二阶滤波模型的传递函数公式，结合带通滤波特性消除实际采样回路的直流偏置，所述传递函数公式为：
Figure FDA0001930729630000021
其中，k为环路滤波增益，
Figure FDA0001930729630000022
为输入信号v(s)基波角频率，v'(s)为与输入信号同相位滤波输出，qv'(s)为输入信号正交滤波输出，Hp(s)可看作是一个带通滤波器，中心频率为谐振频率
Figure FDA0001930729630000023
Hq(s)可看作是一个低通滤波器，截止频率等于
Figure FDA0001930729630000024
9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
检测流经母线的电压值；
当所述母线的电压值超过预设电压和/或所述三相交流电的电信号出现异常时进行报警。
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CN115102431A (zh) * 2022-06-28 2022-09-23 上海儒竞智控技术有限公司 一种直流风机的制动控制装置及系统

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