CN112821791B - 一种直流降半压四象限整流器 - Google Patents

一种直流降半压四象限整流器 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子变换及新能源发电技术领域，尤其涉及一种直流降半压四象限整流器(DHV‑FQR)。该整流器的新型电路结构针对传统的电压源桥式FQR存在的一个明显的缺点，即，为了保证其正常工作，尤其是为了达到对交流侧瞬态电流波形优良的控制性能，必须使直流侧电压升得足够高，导致其应用范围受到限制，本专利提供了一种直流侧降半压式四象限整流器，包括电源输入电路单元、交叉H桥电路单元和输出负载单元，其直流侧工作电压比传统结构可以降低近似一半，适合于直流侧额定工作电压具有较低要求的电力电子变换应用场合。

Description

一种直流降半压四象限整流器
技术领域
本发明涉及一种新型直流降半压四象限整流器，属于电力电子变换及新能源发电技术领域。
背景技术
电压源型四象限PWM整流器(FQR,Four-Quadrant Rectifier)，由于其交流侧电流相对于交流电压之间的相位可以在0°～±180°四个象限任意设置，而且其电流波形也可以通过瞬态电流跟踪进行灵活控制，因而赋予四象限PWM整流器有四大性能优势，主要包括：
1)交流侧电流可以按照设定的波形进行跟踪控制，尤其在常用的正弦波情况下，对电网无谐波污染；
2)交流侧可以通过电流控制呈现感性、容性或功率因数等于1；
3)交-直流侧能量可双向传送，直流侧能量可逆变到交流侧(电网)；
4)直流侧电压Ud稳定且可调。
因此通常FQR应用并不仅用于双向AC/DC变换(PWM可逆整流)，而且在实现电力有源滤波、电力系统无功补偿和太阳能、风力发电等新能源变换及并网逆变等方面都有十分广泛的应用。就FQR的拓扑结构而言，以三相或单相电压源型桥式电路结构的应用尤为广泛。但是，众所周知，电压源桥式FQR结构存在有一个明显的缺点，即为了保证其正常工作，尤其是为了保证其交流侧电流波形的瞬态可控性，必须使其直流侧电压升得足够高，此特征源于电压型桥式FQR的升压式拓扑，使其应用范围受到了一定限制，只能工作在高直流电压状态。
针对传统的桥式FQR结构存在的上述缺陷，本专利提出了一种直流侧降半压式四象限整流器新型电路结构(DHV-FQR，Direct HalfVoltage Four Quadrant Rectifier)，其直流侧工作电压比传统结构可以降低近似一半，适合于直流侧额定工作电压具有较低要求的电力电子变换应用场合。
发明内容
本发明提供了一种直流降半压四象限整流器。针对传统的电压源桥式FQR存在的一个明显的缺点，即，为了保证其正常工作，尤其是为了达到对交流侧瞬态电流波形优良的控制性能，必须使直流侧电压升得足够高，导致其应用范围受到限制，本专利提出了一种直流侧降半压式四象限整流器(DHV-FQR)新型电路结构，其直流侧工作电压比传统结构可以降低近似一半，适合于直流侧额定工作电压具有较低要求的电力电子变换应用场合。
针对传统桥式FQR结构存在的技术问题，本发明采用的具体技术方案归纳如下：
一种直流降半压四象限整流器，包括：电源输入电路单元、交叉H桥电路单元和输出负载单元；
电源输入电路单元包括第一交流电源ek和与之相串联的第一输入电感L1；
交叉H桥电路单元包括三部分：1)H形桥式结构的一个对角两桥臂，即第一开关管T1及其反并联的第一二极管D1，第二开关管T2及其反并联的第二二极管D2；2)H形桥式结构的另一个对角两桥臂，即第一电容C1，C1正极性端接第一开关管T1的集电极，C1负极性端接第二开关管T2的发射极；第二电容C2，C2其正极性端接第二开关管T2的集电极，C2负极性端接第一开关管T1的发射极；3)第二电感L2跨接于交叉H桥的两个中间点，即L2左端接开关管T2的集电极，L2右端接开关管T1的集电极；
输出负载单元包括以交叉H桥电路单元的第一电容C1端电压作为直流降半压四象限整流器的输出端，以及该直流电压输出端所接无源负载等效阻抗，或者带有反电势的等效阻感负载。
电源输入电路单元以并联方式接于交叉H桥电路单元的第一开关管T1的发射极与第二开关管T2的发射极之间；输出负载单元以并联方式接于第一电容C1的正负两端之间。
DHV-FQR交流侧输入电源ek一般多为较低频率、幅度为Ekm的交流正弦电压；稳态下直流侧平均输出电压Ud1要求满足：Ud1>Ekm。此输出电压要求，比传统的单相半桥式FQR直流侧输出平均值电压Ud要求满足：Ud>Ekpp＝2Ekm，幅值降低近似一半，即所谓直流降半压(DHV)型四象限整流器。
DHV-FQR的两只开关管T1和T2采用与传统的单相半桥式四象限整流器相同的正弦型PWM控制方式，包括其正弦调制波的频率与输入交流电源ek相同，相位满足与ek的同步和对交流侧电流ik的控制要求等。
在DHV-FQR满足相应的工作电压要求(Ud>Ekm)和PWM控制要求的前提下，可以实现交流侧电流ik按照设定的电流波形达到有效的瞬态电流跟踪和四象限运行控制。尤其是DHV-FQR的整流状态在一定条件下会逆转为逆变状态，即，输出负载单元可代之以直流电压源Ud1，其极性及幅值均与电容C1端电压的要求相同，交叉H桥电路单元满足相应的正弦型PWM控制要求，能够将直流侧电压源Ud1能量逆变到输入电路单元，被交流电源ek所吸收，并通过交流电源ek反送至交流电网中。
DHV-FQR在两电容C1、C2端电压Ud1、Ud2分别接自两个相同直流电压源的对称有源或无源逆变情况下，电感L2可以省掉，并且可达到同样的交流侧电流控制效果。
附图说明
该附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在下述附图中：
图1为本发明提供的直流降半压FQR电路的建构思路：图1a为半桥式FQR电路图；图1b为交叉桥结构图；图1c为交叉H桥FQR结构图。
图2为单相直流降半压FQR的构成示意图。
图3为三相直流降半压FQR的构成示意图。
图4为直流降半压FQR的光伏发电并网逆变系统结构图。
具体实施方式
针对传统的电压源桥式FQR存在的缺点，本发明提供了一种直流降半压FQR新型电路结构，其直流侧工作电压比传统结构可以降低近似一半，适合于直流侧额定工作电压具有较低要求的电力电子变换应用场合。
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方式，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方式和案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
针对要解决的问题，本发明按照如下思路提出方案：
如图1a所示为已获得较广泛应用的传统的半桥式FQR电路单元，电压源PWM型单相和三相桥式FQR均乃基于该单元组合而成，然而，它们的交流侧电流谐波等性能，受制于直流侧工作电压需要足够高。具体而言，在运行中如果出现直流侧平均值电压Ud不高于交流侧电压峰-峰值Ekpp的情况，其交流侧瞬态电流ik波形的控制效果会严重恶化甚至失控，难以满足较低直流电压负载的要求。针对这一性能缺陷，尝试将图1a所示半桥FQR单元的正负对称输出直流电压Ud，改为两电容分压Ud1、Ud2分别独立输出，同时，为了保证上下两回路直流平衡，使ik的平均值保持为零，将电容C2与由开关管T2连同其反并联二极管D2构成的双向开关，按原极性对调位置，得图1b所示交叉桥式电路结构。此结构与原图1a比较，工作原理相同，如果对T1和T2施加与半桥FQR同样的PWM控制，则对调前后的S点将具有相同的PWM波形。当然其前提是Ud1、Ud2两直流平均值电压保持相等,鉴于在此条件下图1b中具备P、M两点的对地直流电位相等的特征，基于电感稳态伏秒平衡原理，在P、M两点之间跨接一只电感L2，旨在维持两点平均值电位相等，进而达到Ud1、Ud2均等及直流平衡，如图1c所示，从而在Ud1、Ud2分别输出接不同负载，或者仅有Ud1输出接负载的非对称情况下，仍可以保持Ud1、Ud2两直流电压均衡，并且使ik不会因负载不平衡而产生直流分量。(需要指明，在两电容C1、C2端电压Ud1、Ud2分别接自两个相同直流电压源的对称逆变情况下，第二电感L2可以省掉，并且可达到同样的电流控制效果。)通过上述拓扑变换一方面可以使FQR的直流侧输出电压比原来的半桥式FQR减低近一半，我们不妨将该新型电路结构称作直流降半压式四象限整流器(DHV-FQR)；另一方面，该整流器仍然可依照原半桥式FQR的工作模式和PWM控制方式，并具备同样的交流侧电流基本控制效果，当然其数学模型会有差异。
如图1c所示直流降半压FQR电路的主体结构即交叉H桥电路单元，T1和T2开关管通常选用IGBT或VDMOSFET等快速全控型器件；D1和D2应采用高压快恢复电力二极管；C1和C2通常可选用电解电容，注意其极性的连接方向；L2一般电感量取值较大以抑制其电流交流分量，可采用铁氧体磁芯电感，鉴于其电流会含有较大直流分量，磁路应留有一定气隙。
DHV-FQR电路可以在Ud1、Ud2两输出端同时接负载，不过通常只用Ud1更为方便，不失一般性可将通常的各种直流负载等效为反电势串联电阻EL-RL，极性如图1c中所示。其输出电压Ud1取值范围下限值Ud1min要求比交流侧电源电压峰-峰值的一半应略高一些，通常的推荐值取Ud1min＝1.12Ekm。
如图1c所示DHV-FQR的交流侧输入电源ek为较低频率、幅度为Ekm的交流正弦电压；电源侧滤波电感L1，由于PWM开关频率较高，通常选电感量较小，可采用空芯电感。
DHV-FQR的两只开关管(T1和T2)可采用与传统的单相半桥式FQR相同的SPWM控制方式，包括其正弦调制波与输入交流电源ek频率相同，相位满足与ek的同步和对交流侧电流ik的控制要求等。
图1c所示整流器可以作为DHV型FQR变换单元，如同以传统的半桥式FQR作为单相FQR和三相FQR的组成单元一样，以两个或者三个DHV单元同样可以依次分别构成单相FQR或者三相FQR，如图2和图3所示。各FQR单元的直流侧输出端并联，共用同一只滤波电容(C1)；单相FQR结构中交流侧两个输入电源电压e1和e2要求等幅反相(相当于两相输入)，实际当中以一个交流电源e＝2e1跨接于两输入端之间，从而构成单相FQR，此时输入回路的两只滤波电感亦可以合并为一只。在三相结构中，要求交流侧输入交流电源电压三相对称。
实施例一：
若选择每个FQR单元的交流侧输入电源ek(k＝1,2,3)均为工频50Hz、有效值220V电网正弦波电压，则对于传统的半桥式FQR单元而言，直流侧电压Ud取值范围下限值要求为：Udmin>2Ekm＝622V，实际当中要略高出一定裕量，通常推荐的裕量系数取1.12，则约为697V；对于传统的三相FQR而言，该下限值要求为：
Figure BDA0002929394530000051
按裕量系数取1.12，实际当中取值约604V。而比较本发明而言，无论DHV型FQR单元还是三相FQR等，直流侧电压Ud1取值范围下限值要求为：Ud1min>Ekm＝311V，实际当中也要略高出一定裕量，按照通常推荐的裕量系数取1.12，则约为348V，均比传统的FQR结构降低接近一半。
实施例二：
DHV型FQR应用于光伏发电并网逆变的实施案例系统结构如图4所示。鉴于DHV-FQR直流侧电压要求比传统的桥式FQR低得多，在实施光伏发电逆变时，毋需经过升压式DC/DC变换，可以将较低电压的光伏电池阵列直接接到DHV-FQR直流侧。其控制方式仍可采用与传统桥式FQR基本一致的典型双闭环控制系统见图4。
设交流侧并网电压为三相线电压380V(或单相电压220V亦然)，根据实施例一中考虑实际当中直流侧电压Ud1取值范围下限值要高出一定裕量，Ud1min取推荐值为348V。
选用功率315W的单晶硅光伏组件，最大工作电压为39.6V，由光伏电池供电的DHV-FQR并网逆变器直流侧工作电压Ud1下限值Ud1min＝348V，额定功率85kW。可算得光伏阵列的串联数目为：348V/39.6V＝8.79，近似取整9块，核计直流工作电压为356V；按照额定功率确定光伏组件总数：85000W/315W＝269.8，近似取整270块，则并联串数为30，光伏电池板整体为9×30阵列。
鉴于交、直流侧的多种性能要求，FQR属于一种典型的多变量非线性控制对象，既要控制直流侧的电压Ud1，又要控制交流侧的电流ik的相位及瞬时波形和能流方向。图4所示典型的DHV-FQR应用于光伏发电并网逆变的双闭环控制系统。图中的DHV-FQR主电路可以是DHV单元、单相或三相DHV-FQR(k＝1,2,3)，其控制系统结构相同。
DHV-FQR控制系统的外环是直流侧电压控制环，考虑到光伏电池阵列PV的输出电压Upv直接作为DHV-FQR的直流输入电源Ud1，此处将直流侧电压控制与光伏发电的最大功率点跟踪(MPPT)控制结合在一起。系统根据检测的光伏电池输出电压和电流，通过特定的MPPT控制算法得出光伏电池工作点的电压指令参考信号Upvr，将它与光伏电池输出电压的采样反馈信号UPV比较得偏差信号送入电压控制器(PI)，经电流内环调节，使光伏电池的负载特性与其输出伏安特性达到最佳匹配，实现光伏电池的MPPT控制。
该控制器通常采用PI调节器，其输出代表DHV-FQR交流网侧电流的幅值指令信号Ikmr，也可以说为直流侧电流指令信号Ipvr，因为Ipv的大小和DHV-FQR交流侧电流的幅值成正比。交流侧电网电压ek经过降压调理环节，产生与ek同相的正弦波(决定着交流侧电流的相位)，再和电压控制器的输出Ikmr相乘，得到电流波形的给定信号ikr，它包含了正弦电流的全部三要素。通过适当的电流跟踪控制算法，可以达到控制DHV-FQR交流侧电流ik波形与其给定信号ikr波形相符合之目的。系统在稳态时Upv＝Upvr，PI调节器输入偏差信号为零，PI调节器的输出Ikmr和交流侧电流的幅值相对应，也和DHV-FQR直流侧光伏电池输出电流大小相对应，达到光伏发电最大功率点的自动跟踪和逆变入网的效果。

Claims (6)

1.一种直流降半压四象限整流器，其特征在于，包括电源输入电路单元、交叉H桥电路单元和输出负载单元；
所述的电源输入电路单元包括第一交流电源ek和与之相串联的第一输入电感L1；
所述的交叉H桥电路单元包括三部分：1)H形桥式结构的一个对角两桥臂，即第一开关管T1及其反并联的第一二极管D1，第二开关管T2及其反并联的第二二极管D2；2)H形桥式结构的另一个对角两桥臂，即第一电容C1，C1正极性端接第一开关管T1的集电极，C1负极性端接第二开关管T2的发射极；第二电容C2，C2正极性端接第二开关管T2的集电极，C2负极性端接第一开关管T1的发射极；3)第二电感L2跨接于交叉H桥的两个中间点，即L2左端接开关管T2的集电极，L2右端接开关管T1的集电极；
所述的输出负载单元包括以交叉H桥电路单元的第一电容C1端电压作为直流降半压四象限整流器的输出端，以及该直流电压输出端所接无源负载等效阻抗，或者带有反电势的等效阻感负载；
电源输入电路单元以并联方式接于交叉H桥电路单元的第一开关管T1的发射极与第二开关管T2的发射极之间；输出负载单元以并联方式接于第一电容C1的正负两端之间；
第一交流电源ek为低频率、幅度为Ekm的交流正弦电压；要求在稳态下直流侧平均输出电压Ud1满足：Ud1>Ekm。
2.根据权利要求1所述的直流降半压四象限整流器，其特征在于，第一开关管T1和第二开关管T2采用与传统的单相半桥式四象限整流器相同的正弦型PWM控制方式，包括其正弦调制波的频率与输入交流电源ek相同，相位满足与ek的同步和对交流侧电流ik的控制要求。
3.根据权利要求1或2所述的直流降半压四象限整流器，其特征在于，该直流降半压四象限整流器的整流状态在一定条件下会逆转为逆变状态，即，输出负载单元可代之以直流电压源Ud1，Ud1的极性及幅值均与电容C1端电压的要求相同，交叉H桥电路单元满足相应的正弦型PWM控制要求，能够将直流电压源Ud1能量逆变到输入电路单元，被交流电源ek所吸收，并通过交流电源ek反送至交流电网中。
4.根据权利要求1所述的直流降半压四象限整流器，其特征在于，该整流器作为DHV型FQR变换单元，以三个或者两个DHV单元可以分别构成三相FQR或者单相FQR；各FQR单元的直流侧输出端并联，共用同一只滤波电容；三相FQR结构中，输入交流电源电压三相对称；单相FQR结构中，交流电源输入有两种方式：1)交流侧两个输入电源电压e1和e2等幅反相；2)一个交流电源e＝2e1跨接于两输入端之间，此时输入回路的两只滤波电感L1亦合并为一只且大小加倍。
5.根据权利要求1所述的直流降半压四象限整流器，在第一电容C1和第二电容C2端电压Ud1、Ud2分别接自两个相同直流电压源的对称逆变情况下，将第二电感L2省掉。
6.根据权利要求1所述的直流降半压四象限整流器，其特征在于，第一开关管T1和第二开关管T2选用IGBT或VDMOSFET快速全控型器件，第一二极管D1和第二二极管D2采用高压快恢复电力二极管，第一电容C1和第二电容C2选用电解电容，第二电感L2采用铁氧体磁芯电感，磁路留有气隙。
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