CN113346769A - 混合式整流装置 - Google Patents

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曾国宏
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Abstract

本发明提供了一种混合式整流装置，包括：不控整流器、并网变流器和功率调节器；不控整流器和并网变流器并联，不控整流器和并网变流器的输入端与电网电源电连接，输出端电路连接在直流母线上，不控整流器的输出端与直流母线之间串联功率调节器，且功率调节器的输出端与所述不控整流器的输出端电路串联，用于控制不控整流器的输出电流。本装置改善了不控整流存在的不足，同时，减小了直流侧无源滤波器件的使用，提高了装置的功率密度，降低系统成本，适用于大功率整流场合。

Description

混合式整流装置
技术领域
本发明涉及供电系统技术领域，尤其涉及一种混合式整流装置。
背景技术
直流供电系统广泛应用在生产生活中的各个领域。通过将交流电整流后得到稳定的直流电。整流器是直流供电系统的关键设备，多脉波整流器在大功率交流电机调速、地铁牵引供电系统中得到广泛应用，通过提高直流电压脉动次数来抑制交流侧谐波污染，改善系统功率因数，但是该装置由于其采用不控整流方式，存在能量无法双向流动、谐波特性欠佳以及直流电压不可控等缺陷。PWM整流器因其具有低谐波污染、单位功率因数、能量双向流动、直流电压可控等优点，主要应用在电动汽车充电、直流微网、航空电源等领域，但其缺点在于受限于开关器件的耐压耐流能力，在大功率场合的可靠性降低。三电平及多电平技术的发展，使大功率装置向小型化、高功率因数发展。Vienna整流器是一种三相三电平拓扑结构，具有与PWM整流器同样的优势，同时具有开关器件的电压应力减半、系统功率密度高、无桥臂直通问题的特点，但由于Vienna整流器功率只能单向流动，无法实现能量回馈电网。
因此，亟需一种可以解决上述问题的整流装置。
发明内容
本公开提供了一种混合式整流装置，以解决现有技术中的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本公开提供了一种混合式整流装置，包括：不控整流器、并网变流器和功率调节器；
所述不控整流器和并网变流器并联，不控整流器和并网变流器的输入端与电网电源电连接，输出端电路连接在直流母线上，不控整流器的输出端与直流母线之间串联有功率调节器，且所述功率调节器的输出端与所述不控整流器的输出端电路串联，用于控制不控整流器的输出电流。
优选地，所述功率调节器包括高频隔离双向DC/DC和串联型可控电源，所述高频隔离双向DC/DC和串联型可控电源串联；
串联型可控电源的输出串接在不控整流器的输出上，用于控制不控整流器的输出电流；
所述高频隔离双向DC/DC将并网变流器和串联型可控电源的直流侧连接起来，用于为补偿能量的双向流动提供通路。
优选地，所述并网变流器为三相PWM整流电路。
优选地，所述并网变流器采用三相两电平半桥的拓扑结构，并网变流器的交流侧与电网电源相连，直流输出并联在直流母线上。
优选地，所述串联型可控电源为采用单相全桥的拓扑结构，串联型可控电源的输出连接在不控整流器输出端，直流电压由高频隔离双向DC/DC提供。
优选地，所述高频隔离双向DC/DC的高压侧为单相全桥拓扑结构，所述高频隔离双向DC/DC的直流输入与并网变流器直流输出相连，中间采用三绕组高频电力电子变压器，所述高频隔离双向DC/DC的低压侧为全波整流电路，所述高频隔离双向DC/DC的输出连接后级串联型可控电源的直流侧。
由上述本公开的混合式整流装置提供的技术方案可以看出，本公开通常应用在电动汽车充电、城市轨道交通牵引供电以及大功率开关电源等直流供电场合，将不控整流与可控整流组合成为混合整流装置，通过并联可控整流器，稳定直流电压、补偿网侧谐波电流、能够网侧低谐波污染、直流侧电压可控、单位功率因数以及能量双向流动；串联侧可控电源通过控制不控整流输出电流，使负载功率在不控整流与可控整理之间灵活分配，尽可能地减小可控整流装置容量，降低装置成本，可以同时解决不控整流输出直流电压不可控，网侧功率因数低、谐波含量大，以及无法实现能量回馈的问题，利用不控整流单元承担大部分功率，降低了并网变流器的功率等级。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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他的附图。
图1为实施例提供的一种混合式整流装置结构示意图；
图2为并网变流器拓扑结构图；
图3为串联式可控电源拓扑结构图；
图4高频隔离双向DC/DC拓扑结构图；
附图标记说明：
1电网电源2不控整流器3可控整流器4并网变流器5串联型可控电源6高频隔离双向DC/DC 7功率调节器8直流母线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。
实施例
图1为本实施例提供的一种混合式整流装置结构示意图，参照图1，包括：不控整流器2、并网变流器4和功率调节器7，不控整流器2和并网变流器4并联，并网变流器作为可控整流器3，不控整流器2和并网变流器4的输入端与电网电源1电连接，输出端电路连接在直流母线8上，不控整流器2的输出端与直流母线8之间串联有功率调节器7，且功率调节器7的输出端与不控整流器2的输出端电路串联，用于控制不控整流器2的输出电流。
图1中的三相交流电为降压后的电网电压，简化了降压变压器，图中VT表示三相交流电经过不控整流得到的脉动电压，VC表示电压补偿器的输出电压，Udc表示直流母线电压，il表示母线负载电流，is表示不控整流输出电流，ip表示并网变流器直流侧电流。
其中，功率调节器7包括高频隔离双向DC/DC6和串联型可控电源5，高频隔离双向DC/DC6的输出端和串联型可控电源5直流侧连接，串联型可控电源5的输出串接在不控整流器2的输出上，用于控制不控整流器2的输出电流；串联型可控电源5的补偿能量来源于并网变流器4，为了满足电压匹配和必要的电气隔离，高频隔离双向DC/DC6将并网变流器4和串联型可控电源5的直流侧连接起来，用于为补偿能量的双向流动提供通路。
并网变流器4为三相PWM整流电路，具体地，图2为本实施例的并网变流器拓扑结构图，参照图2，并网变流器采用三相两电平半桥的拓扑结构，并网变流器的交流侧与电网电源1相连，直流输出并联在直流母线上。
并网变流器4通过控制来稳定直流母线电压Udc。同时，也兼具有源滤波器的功能，通过检测电网侧负载电流中的无功与谐波电流，控制并联单元变流器输出相应的补偿电流，从而减小电网侧的谐波电流，改善不控整流造成的谐波污染，提高混合整流装置的功率因数。由于并网变流器4采用可控开关器件，能够实现能量的双向传递，通过控制直流母线电压，在直流母线电压升高时，即此时需要将直流侧能量回馈电网，并网变流器4工作在逆变模式，输出有功电流，从而将直流侧能量回馈电网，使直流母线电压降低。
图3为串联式可控电源拓扑结构图，参照图3，串联型可控电源5为采用单相全桥的拓扑结构，串联型可控电源的输出连接在不控整流器2输出端，直流电压由高频隔离双向DC/DC提供。
串联型可控电源5通过控制其输出电流就可以直接控制不控整流器2的输出电流is，为了降低可控整流电路的成本和容量，需要不控整流器2尽可能多的承担负载电流il，因此，通过控制串联型可控电源的输出电流大小，就可以使负载功率在不控整流和可控整流之间灵活进行分配，从而达到最佳的功率分配目的。由于母线电压由并联单元控制，串联型可控电源6主要用来调节功率。在不控整流器2输出电流is连续情况下，不控整流器2输出端电压VT是确定的多脉波电压，从而串联型可控电源5的输出电压VC即为VT-Udc的固定值。
图4高频隔离双向DC/DC拓扑结构图，参照图4，高频隔离双向DC/DC6的高压侧为单相全桥拓扑结构，高频隔离双向DC/DC的直流输入与并网变流器直流输出相连，中间采用三绕组高频电力电子变压器，高频隔离双向DC/DC的低压侧为全波整流电路，高频隔离双向DC/DC的输出连接后级串联型可控电源的直流侧。
高频隔离双向DC/DC6将直流母线电压Udc控制为后级逆变器所需的直流电压Us，为串联侧补偿提供稳定的直流电压。高频隔离双向DC/DC6连接着并网变流器和串联型可控电源，为补偿能量的双向流动提供了通路。
以下为本实施例的混合整流装置控制方式：
混合整流装置各部分之间相互配合，各自实现不同的控制目标。首先需要并网变流器4启动来稳定直流母线电压，在直流母线电压建立后，高频隔离双向DC/DC6开始工作，建立串联侧的直流侧电压，此时系统进入热备状态。在需要为负载供电时，通过控制串联型可控电源5的输出电流，由不控整流器2来提供负载所需的功率。同时，并网变流器4通过检测网侧谐波和无功电流对其进行补偿。在直流母线电压升高时，此时需要进行能量回馈，串联型可控电源5控制不控整流器2停止输出，并网变流器4工作在逆变状态，实现部分功率回馈电网，使直流母线电压降低。
综上所述，混合整流装置由并联可控整流部分和不控整流部分共同为负载供电。利用并网变流器4来控制直流母线电压，以得到稳定的直流电压，同时，通过检测网侧负载电流，控制并网变流器4输出相应的补偿电流，从而改善网侧谐波污染，提高装置功率因数。由于控制直流母线电压，在能量回馈使直流电压升高时，通过将部分功率回馈电网，实现功率的双向流动。串联型可控电源5串接在不控整流器2输出与直流母线8之间，通过控制串联逆变器的输出电流，进而控制不控整流器2的输出电流，实现负载功率在不控整流与可控整流间的分配。高频隔离双向DC/DC6高压侧输入直接接在直流母线上，通过控制输出电压使串联侧直流电压稳定，同时为能量在串并联单元之间流动提供通路。其中，串联型可控电源5补偿所需的功率由并网变流器经过高频隔离双向DC/DC6来提供。
本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类元素的数量可能小于一个实际装置中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
本领域技术人员应能理解，上述所举的装置控制方式仅为更好地说明本发明实施例的技术方案，而非对本发明实施例作出的限定。任何根据装置属性来决定调用策略的方法，均包含在本发明实施例的范围内。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种混合式整流装置，其特征在于，包括：不控整流器、并网变流器和功率调节器；
所述不控整流器和并网变流器并联，不控整流器和并网变流器的输入端与电网电源电连接，输出端电路连接在直流母线上，不控整流器的输出端与直流母线之间串联有功率调节器，且所述功率调节器的输出端与所述不控整流器的输出端电路串联，用于控制不控整流器的输出电流。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率调节器包括高频隔离双向DC/DC和串联型可控电源，所述高频隔离双向DC/DC和串联型可控电源串联；
串联型可控电源的输出串接在不控整流器的输出上，用于控制不控整流器的输出电流；
所述高频隔离双向DC/DC将并网变流器和串联型可控电源的直流侧连接起来，用于为补偿能量的双向流动提供通路。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述并网变流器为三相PWM整流电路。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述并网变流器采用三相两电平半桥的拓扑结构，并网变流器的交流侧与电网电源相连，直流输出并联在直流母线上。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述串联型可控电源为采用单相全桥的拓扑结构，串联型可控电源的输出连接在不控整流器输出端，直流电压由高频隔离双向DC/DC提供。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高频隔离双向DC/DC的高压侧为单相全桥拓扑结构，所述高频隔离双向DC/DC的直流输入与并网变流器直流输出相连，中间采用三绕组高频电力电子变压器，所述高频隔离双向DC/DC的低压侧为全波整流电路，所述高频隔离双向DC/DC的输出连接后级串联型可控电源的直流侧。
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