CN113904575A - 精准脉冲电荷控制型电源系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精准脉冲电荷控制型电源系统及其控制方法，该电源包括并联的主功率整流器和副功率整流器；所述主功率整流器用于向负载提供主要功率，所述副功率整流器通过控制自身输出电流补偿所述主功率整流器输出电流中的纹波分量，并抑制主整流器交流侧电流中的谐波分量。本发明能够有效提高输出直流电能质量，降低直流电流的纹波分量，同时通过抑制交流侧电流中的谐波分量，降低整流电源对电网的影响，具有利用率高，谐波污染小，低耗能，小体积的优点。

Description

精准脉冲电荷控制型电源系统及其控制方法
技术领域
本发明属于电源技术领域，特别是涉及一种精准脉冲电荷控制型电源系统及其控制方法。
背景技术
随着环境和能源危机的日益加深，脉冲电源已经成为了研究重点并广泛应用。现阶段的大功率脉冲直流电源的主要组成是桥式整流电路，该电路所涉及的整流器件一般采用二极管、晶闸管、IGBT等大功率半导体器件。在本世纪，我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了电能质量发展规划，现有的电网支撑型逆变器控制策略主要包括下垂控制和虚拟同步发电机控制(virtual synchronous generator,VSG)两类。下垂控制是一种无需通讯线的逆变器并联控制策略，根据逆变器输出有功及无功的大小，改变逆变器输出电压的频率及幅值，实现负荷功率在逆变器之间的均匀分配。
传统脉冲电源通常采用6脉波或多脉波晶闸管整流器，其直流输出纹波分量大，交流侧谐波含量高，会直接导致电能质量降低。而PWM整流器虽然有较宽的调节范围，输出纹波小、动态性能好等优点，但其硬件成本昂贵，工程应用价值不高。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种精准脉冲电荷控制型电源系统及其控制方法，用于解决现有晶闸管整流器直流侧纹波含量高及交流侧谐波含量高的问题，以及大功率PWM整流器成本高的问题。
为解决上述技术问题，本发明的采用的一个技术方案如下：
一种精准脉冲电荷控制型电源系统，包括并联的主功率整流器和副功率整流器；
所述主功率整流器用于向负载提供主要功率，所述副功率整流器通过控制自身输出电流补偿所述主功率整流器输出电流中的纹波分量，并抑制主整流器交流侧电流中的谐波分量。
进一步地说，所述主功率整流器包括隔离变压器和多脉波整流器，所述隔离变压器的输出端与所述多脉波整流器的输入端连接，所述多脉波整流器的输出端串联有平波电抗器L1。
进一步地说，所述多脉波整流器为多脉波晶闸管整流器。
进一步地说，所述隔离变压器的工作频率为50Hz或60Hz，其高压侧与低压侧均为独立的三相星型绕组。
进一步地说，所述平波电抗器L1的取值计算公式为：
Figure BDA0003232047080000021
式中：idc1为所述主功率整流器的输出电流，idc2为所述副功率整流器的输出电流，udc1为所述主功率整流器的输出电压。
进一步地说，所述副功率整流器包括三相LC滤波器、PWM整流器和移相全桥变换器，所述PWM整流器的交流端经过所述三相LC滤波器与电网连接，所述PWM整流器的直流端经平波电抗器L2后级联所述移相全桥变换器，所述移相全桥变换器的输出端连接负载。
进一步地说，所述移相全桥变换器的输出端正极串联有滤波电感L3，所述滤波电感L3的另一端连接负载的正极，所述移相全桥变换器的输出端还并联有滤波电容C3。
进一步地说，所述平波电抗器L2的取值计算公式为：
Figure BDA0003232047080000022
式中，ts为动态调节时间，r为所述PWM整流器的输出阻抗，Δidcmax为所述PWM整流器的最大输出电流纹波。
本发明还提供一种整流电源的控制方法，该方法基于上述的整流电源，其控制方法包括：
(1)获取电路中所述主功率整流器以及副功率整流器的输入电流iCSRa、iCSRb和iCSRc，获取所述主功率整流器的直流侧输出电流idc1以及所述副功率整流器的输出电流idc2的值；
(2)通过锁相环检测并计算得到电网电压的相位，并将其作为所述主功率整流器控制的参考相位；
(3)根据步骤(1)和(2)中的数据控制所述主功率整流器以及所述副功率整流器的运行；
所述主功率整流器通过PI控制器控制其触发角；所述副功率整流器采用PI控制器、PR控制器以及P控制器联合控制其直流侧的输出电流。
本发明的有益效果：
本发明通过主功率整流器负责向负载提供主要功率，副功率整流器通过控制自身输出电流补偿主功率整流器输出电流中的纹波分量，并且抑制主整流器交流侧电流中的谐波分量，能够有效提高输出直流电能质量，降低直流电流的纹波分量，同时通过抑制交流侧电流中的谐波分量，降低整流电源对电网的影响，解决现有晶闸管整流器直流侧纹波含量高及交流侧谐波含量高的问题，以及大功率PWM整流器成本高的局限性，提高电能质量。
本发明整流电源器件数量少且控制简单，能够实现高功率输出，且由于PWM整流器仅作为辅助功率整流设备，所需容量较小，整体硬件成本较低。
本发明利用电流前馈控制控制PWM整流器的交流电流补偿晶闸管整流器并网电流的谐波，能够有效降低整流电源的总并网电流谐波值。
本发明中的主功率整流器采用或多脉波整流器，基于半控型器件晶闸管，副功率整流器采用PWM整流器与移相全桥变换器，基于全控型器件，输出电流最低可以从零开始，具有较宽可调范围，可应用范围更广。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明整流电源的拓扑结构框图；
图2为本发明整流电源的拓扑结构示意图；
图3为本发明整流电源中多脉波晶闸管整流器的控制框图；
图4为本发明中电流源型PWM整流器的控制框图；
图5为本发明中移相全桥变换器的控制框图；
图6为本发明中整流电源输出侧纹波补偿前后的电流波形图；
图7为本发明中整流电源输入侧谐波抑制前后的电流波形图；
图8为本发明中整流电源谐波抑制前电流的谐波含量图；
图9为本发明中整流电源谐波抑制后电流的谐波含量图；
附图中各部分标记如下：
主功率整流器1、隔离变压器11、多脉波整流器12、副功率整流器2、三相LC滤波器21、PWM整流器22和移相全桥变换器23。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例：
一种精准脉冲电荷控制型电源系统，如图1所示：其由两个并联的整流器组成，包括主功率整流器1和副功率整流器2，主功率整流器负责向负载提供主要功率，副功率整流器通过控制自身输出电流补偿主功率整流器输出电流中的纹波分量，并且抑制主整流器交流侧电流中的谐波分量。
图2为本发明的整流电源的拓扑结构图，所述主功率整流器包括多脉波整流器12，本实施例中，所述多脉波整流器采用6脉波晶闸管整流器，需要说明的是，这里仅是以6脉波为例，整体原理和设计方案可兼容到多脉波(脉冲数可为6n次，n＝1,2,…N)晶闸管整流器，所述副功率整流器为一PWM整流器级联移相全桥变换器；
更具体的，所述整流电源包含6脉波晶闸管整流器，PWM整流器22(电流源型PWM整流器)，移相全桥变换器23，隔离变压器11，三相LC滤波器21，两个平波电抗器L1和L2，稳压电容C2、滤波电感电容L3、C3。
其中，所述隔离变压器的工作频率为50或60Hz，高压侧与低压侧均为独立的三相星型绕组，高压侧与低压绕组的匝数分别为n1和n2(通常n1＞n2)。
如图1所示：ua、ub、uc分别为理想三相电网电压，电网与变压器的高压侧相连，iSCR为6脉波晶闸管整流器的交流侧输入电流，6脉波晶闸管整流器桥臂中点与隔离变压器二次侧相连，ua2、ub2、uc2分别为变压器二次侧电压；
所述隔离变压器的高压侧与所述三相LC滤波器并联连接，iCSR为PWM整流器交流侧输入电流，三相LC滤波器近C端与PWM整流器桥臂的中点连接，ea、eb、ec分别为三相LC滤波器的三相电容电压；
在直流侧，所述6脉波晶闸管整流器的输出端经直流平波电感L1与负载相连，idc1为所述6脉波晶闸管整流器输出电流，udc1为所述6脉波晶闸管整流器输出电压；
类似的，所述PWM整流器桥臂输出端经直流平波电抗器L2级联移相全桥变换器，输出端经滤波电感电容L3、C3连接负载RL，idc2为PWM整流器输出电流；所述6脉波晶闸管整流器和移相全桥变换器的输出端并联后与负载连接，idc为整流电源输出总电流，udc为负载电压；
负载等效为一个电阻模型，其大小为RL。
基于上述拓扑结构，本发明精准脉冲电荷控制型电源系统的关键部分设计与控制方法如下：
1、所述三相LC滤波器的选择
三相PWM整流器交流侧需经三相LC滤波器连接到交流电网上，三相LC滤波器的参数应满足：
Figure BDA0003232047080000051
式中，θ为功率因数角，ω为电网角频率。实际选型需考虑功率因数需求、系统体积、重量以及成本，为满足上述设计要求需要综合判断。
2、平波电抗器L1和L2的选择
直流平波电抗器L1一端与6脉波晶闸管整流器输出端连接，另一端连接负载，根据基尔霍夫电压定律，6脉波晶闸管整流器直流侧回路方程为：
Figure BDA0003232047080000061
结合实际负载大小和输出电流大小，即可确定直流平波电抗器L1的取值。
直流平波电抗器L2需要保证三相PWM整流器直流侧输出电流具有良好的动态响应，且保证副整流器输出电流中的纹波分量满足设计要求，故其值应满足：
Figure BDA0003232047080000062
式中，ts为动态调节时间，r为三相PWM整流器的输出阻抗，Δidcmax为三相PWM整流器的最大输出电流纹波，实际直流平波电抗器L2的大小也应根据上述参数最优选择。
3、所述6脉波晶闸管整流器控制方法
所述6脉波晶闸管整流器的控制策略仅由PI控制即可实现，控制结构框图如图3所示：6脉波晶闸管整流器的直流输出电流idc1首先经低通滤波器LPF滤除其中的高次分量后与直流电流参考值idc1 *作差比较，误差值输入PI控制器使得直流电流实际值追随指令值变化，调节后输出传递给反余弦变换器，得到晶闸管触发角α，电网相位θ通过锁相环从三相电网电压ua、ub、uc中获取，同样用于计算晶闸管触发角α。
4、所述PWM整流器控制方法
PWM整流器控制框图如图4所示，包含直流外环控制模块、网侧电流内环控制模块和谐波检测模块。
谐波检测模块的作用是控制PWM整流器的三相交流电流补偿晶闸管整流器的交流电流中的谐波分量。晶闸管整流器的交流侧三相电流iSCR-a、iSCR-b、iSCR-c首先通过坐标变换分解为d轴分量iSCR_d和q轴分量iSCR_q，将其分别通过低通滤波器LPF后得到电流基波分量后，用其原有值减去滤波后得到的基波分量即得到谐波分量iSCR_harm。d和ilSCR_harm。q。
直流外环控制模块中包含一个电压控制外环与一个电流控制内环。其中，电压控制外环中运用了一个比例积分(Proportional integral,PI)控制器GPI_dc，电流控制内环中运用了一个比例控制器GP_dc。首先，通过PI控制器GPI_dc的作用，使得PWM整流器的直流输出电压实际值Udc_CSR跟随其指令值Udc_CSR*变化；随后，将其输出作为电流控制内环的指令值Idc_CSR*与PWM整流器的直流侧输出电流实际值作差后，经过比例控制器GP_dc，生成电压控制信号，维持PWM整流器输出电压稳定。
网侧电流内环控制模块的指令值由两部分构成：第一部分为直流外环控制模块输出的控制指令，另一部分为谐波检测模块输出谐波电流分量。
将外环输出的指令值减去谐波检测模块输出的谐波电流分量，即得到输出网侧电流内环控制模块的电流参考值idref。
网侧电流内环控制模块的控制器包括PI控制器GPI和PR控制器GPR，分别控制直流分量与交流分量。通过两个控制器的调节，得到调制信号导入PWM发生器，得到PWM整流器的开关控制信号，控制开关管动作。
5、移相全桥变换器的控制方法
纹波检测模块采用离散傅里叶变换(DFT)滑窗迭代算法，先通过DFT滑窗滤波方法来获得晶闸管整流器输出直流分量，再用总电流减去直流分量得到纹波电流分量。将6脉波晶闸管整流器的输出直流电流idc1送入检测模块后，输出纹波电流分量idc2 *，作为PWM整流器输出电流参考值。
idc2 *＝idc1-idc1_avg
式中，idc1_avg为直流电流分量，idc2*为输出纹波电流分量，同样作为所述PWM整流器输出电流参考值。
所述移相全桥变换器作为副功率整流器的一部分，主要作用是在负载电流值较大时，作为能量缓冲结构，协助补偿6脉波晶闸管整流器输出电流中的纹波分量。
图5为移相全桥变换器的闭环控制框图，其仅采用一个单闭环控制，结构简单，实现方便。
为了验证本发明的有效性，根据图2系统结构在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，图6-图9均为仿真波形图。
图6为纹波补偿前后电源输出电流波形示意图，图中黑色实线线形为补偿前，红色虚线线形为补偿后；从图中可以清晰地看出，通过PWM整流器补偿，输出直流电流中的纹波分量得到明显控制，其中补偿前后平均值存在一定误差是因为在控制中增加了一定量的偏置。
图7为整流电源输出侧交流电流波形图，类似地，黑色实线线形为谐波抑制前，红色虚线线形为谐波抑制后。从波形图中可以看出在抑制谐波后，电流波形更接近标准正弦波。为了更直观的展示谐波抑制效果，利用Simulink中的Powergui FFT分析模块对谐波抑制前后的电流进行了分析，分析结果分别为图8与图9所示。图8为谐波抑制前交流电流中的谐波电流含量，THD高达25.46％，图9为谐波抑制后交流电流中的谐波电流含量，THD降为6.63％，谐波分量得到明显抑制。
本发明的精准脉冲电荷控制型电源系统的拓扑及控制策略，利用Matlab/Simulink仿真软件搭建了系统模型，仿真结果验证了所提整流电源拓扑及控制策略能够有效提高输出直流电能质量，降低直流电流的纹波分量，同时通过抑制交流侧电流中的谐波分量，降低整流电源对电网的影响。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种精准脉冲电荷控制型电源系统，其特征在于：包括并联的主功率整流器(1)和副功率整流器(2)；
所述主功率整流器用于向负载提供主要功率，所述副功率整流器通过控制自身输出电流补偿所述主功率整流器输出电流中的纹波分量，并抑制主整流器交流侧电流中的谐波分量。
2.根据权利要求1所述的精准脉冲电荷控制型电源系统，其特征在于：所述主功率整流器包括隔离变压器(11)和多脉波整流器(12)，所述隔离变压器的输出端与所述多脉波整流器的输入端连接，所述多脉波整流器的输出端串联有平波电抗器L1。
3.根据权利要求2所述的精准脉冲电荷控制型电源系统，其特征在于：所述多脉波整流器为多脉波晶闸管整流器。
4.根据权利要求2所述的精准脉冲电荷控制型电源系统，其特征在于：所述隔离变压器的工作频率为50Hz或60Hz，其高压侧与低压侧均为独立的三相星型绕组。
5.根据权利要求2所述的精准脉冲电荷控制型电源系统，其特征在于：所述平波电抗器L1的取值计算公式为：
Figure FDA0003232047070000011
式中：idc1为所述主功率整流器的输出电流，idc2为所述副功率整流器的输出电流，udc1为所述主功率整流器的输出电压。
6.根据权利要求1所述的精准脉冲电荷控制型电源系统，其特征在于：所述副功率整流器包括三相LC滤波器(21)、PWM整流器(22)和移相全桥变换器(23)，所述PWM整流器的交流端经过所述三相LC滤波器与电网连接，所述PWM整流器的直流端经平波电抗器L2后级联所述移相全桥变换器，所述移相全桥变换器的输出端连接负载。
7.根据权利要求6所述的精准脉冲电荷控制型电源系统，其特征在于：所述移相全桥变换器的输出端正极串联有滤波电感L3，所述滤波电感L3的另一端连接负载的正极，所述移相全桥变换器的输出端还并联有滤波电容C3。
8.根据权利要求6所述的精准脉冲电荷控制型电源系统，其特征在于：所述平波电抗器L2的取值计算公式为：
Figure FDA0003232047070000021
式中，ts为动态调节时间，r为所述PWM整流器的输出阻抗，Δidcmax为所述PWM整流器的最大输出电流纹波。
9.一种电源系统的控制方法，其特征在于：该方法基于权利要求1-8中任一种电源系统，其控制方法包括：
(1)获取电路中所述主功率整流器以及副功率整流器的输入电流iCSRa、iCSRb和iCSRc，获取所述主功率整流器的直流侧输出电流idc1以及所述副功率整流器的输出电流idc2的值；
(2)通过锁相环检测并计算得到电网电压的相位，并将其作为所述主功率整流器控制的参考相位；
(3)根据步骤(1)和(2)中的数据控制所述主功率整流器以及所述副功率整流器的运行；
所述主功率整流器通过PI控制器控制其触发角；所述副功率整流器采用PI控制器、PR控制器以及P控制器联合控制其直流侧的输出电流。
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