CN116599329A - 一种大功率三电平电流注入整流器实用功率解耦控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大功率三电平电流注入整流器实用功率解耦控制方法，涉及功率解耦技术领域。本发明提供了一种大功率三电平电流注入整流器拓扑结构，并且通过有规律地控制注入开关管的切换，可将原本平直的两组主桥直流侧电流IY和ID变换为周期性变化且具有零值区间的等增量3阶阶梯状电流，一方面可以起到改善交直流侧谐波的作用，另一方面，实现了主桥开关器件的零电流切换，使得半控型器件晶闸管具备了全控型器件的控制能力。该发明还通过适当控制实现单位功率因数和功率解耦控制；此外，该控制方法不需要任何系统参数，因此，该方案普适性强，具备实用和推广价值。

Description

一种大功率三电平电流注入整流器实用功率解耦控制方法
技术领域
本发明涉及功率解耦技术领域，尤其涉及一种大功率三电平电流注入整流器实用功率解耦控制方法。
背景技术
现有针对三电平整流器拓扑结构的研究众多，但是大多存在直流侧谐波效果不理想的问题，且需要使用全控型器件才能完成控制操作；在功率解耦控制方面，现有技术需要采集各项系统参数，由于各项系统参数可能发生变化，如：电力系统运行导致的线路电感变化或滤波电容大小发生变化，所以现有技术存在实用性方面的缺陷。
因此，有必要提供一种大功率三电平电流注入整流器实用功率解耦控制方法来解决上述技术问题。
发明内容
为解决上述之一技术问题，本发明提供的一种大功率三电平电流注入整流器拓扑结构，包括：交流侧LC滤波器、移相变压器、主桥和直流分配单元；其中，
网侧各相通过交流侧LC滤波器进行滤波；移相变压器的原边连接与交流侧LC滤波器连接，副边上分别设置有Y型绕组和D型绕组；主桥由两组并联的六脉波三相桥组成12脉波LCC，并分别与移相变压器副边绕组连接形成Y桥和D桥；直流分配单元级联在主桥直流侧，包括第一注入支路和第二注入支路；各注入支路均由两个注入开关、注入电感和续流二极管组成；两个注入开关和续流二极管分别与注入电感连接；将各注入支路的注入电感连接，并作为直流分配单元的直流输出正极。
作为一种大功率三电平电流注入整流器拓扑结构更进一步的解决方案，主桥各桥臂开关所使用的电力电子器件为半控型器件SCR，包括：
Y桥：输出端的Sy1、Sy3、Sy5和输入端的Sy2、Sy4、Sy6；
D桥：输出端的Sd1、Sd3、Sd5和输入端的Sd2、Sd4、Sd6；
直流分配单元各注入开关所使用的电力电子器件为具备反向电压阻断的全控型器件，包括：
第一注入支路：与Y桥输出端连接的Syr1和与D桥输出端连接的Sdr1；
第二注入支路：与Y桥输出端连接的Syr2和与D桥输出端连接的Sdr2。
一种实用功率解耦控制方法，运用于如上解决方案中任一项所述的一种大功率三电平电流注入整流器拓扑结构中，所采用的控制策略：通过在直流分配单元引入注入支路占空比，从而得到两注入开关的控制量；其中，
主桥遵循的触发时序原则：主桥各桥臂开关在一个电源周期内开通120°，并按照Sy1-Sd1-Sy2-Sd2-Sy3-Sd3-Sy4-Sd4-Sy5-Sd5-Sy6-Sd6-Sy1的触发顺序，每隔30°切换一次；
直流分配单元遵循的触发时序原则：注入开关以60°为一个循环触发周期，每个周期内所有注入开关开通/关断各一次，且开关频率为主桥6倍。
作为一种实用功率解耦控制方法更进一步的解决方案，所采用的控制策略：采用前馈和反馈技术同时对触发延迟角α和注入支路占空比D进行调节，使得有功和无功实现解耦控制；其中，
前馈回路：对网侧电流Isabc与网侧电压Vsabc进行相位检测，得到实时相位角将实时相位角/>与参考相位角/>进行对比，得到相位角误差信号并通过PI控制信号调整，获取对应的注入支路占空比D，并输入至调制模块；
反馈回路：对直流输出正极进行电流检测，得到直流电流实时值Idc；将直流电流实时值Idc与直流电流参考值Idcref进行对比，得到电流误差信号并通过PI控制信号调整，获取对应的触发延迟角α，并输入至调制模块；
调制模块：通过网侧电流Isabc与网侧电压Vsabc产生同步信号；将注入支路占空比D、触发延迟角α和同步信号输入调制模块，并执行控制策略，得到开关元件控制信号；其中，开关元件包括：主桥各桥臂开关与直流分配单元各注入开关。
作为一种实用功率解耦控制方法更进一步的解决方案，在处于单位功率因数时，需同时满足条件1与条件2；
条件1：交流侧电流不低于限定值，且限定值保证下式有解：
其中，α为主桥触发角；Ica为A相电容电流；Ia为变压器原边A相交流电流；Cs为滤波电容值；Vsa为电源电压；D为注入支路占空比；Idc为直流电流；ω为电源频率；
条件2：直流平均电压不能接近最大值，且通过如下公式求得直流电压Vdc：
其中，VLL为电源线电压；kn为移相变压器变比；D为注入支路占空比；α为主桥触发角。
与相关技术相比较，本发明提供的一种大功率三电平电流注入整流器实用功率解耦控制方法具有如下有益效果：
本发明提供了一种大功率三电平电流注入整流器拓扑结构，并且通过有规律的控制注入开关管的切换，可将原本平直的两组主桥直流侧电流IY和ID变换为周期性变化且具有零值区间的等增量3阶阶梯状电流，一方面可以起到改善交直流侧谐波的作用，另一方面，实现了主桥开关器件的零电流切换，使得半控型器件晶闸管具备了全控型器件的控制能力。该发明还通过适当控制实现单位功率因数和功率解耦控制；此外，该控制方法不需要任何系统参数，因此，该方案普适性强，具备实用和推广价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的三电平电流注入整流器拓扑结构图；
图2为本发明实施例提供的占空比为1时开关触发时序图；
图3为本发明实施例提供的占空比为0.9时开关触发时序图；
图4为本发明实施例提供的交直流侧电流波形图；其中，占空比为1；
图5为本发明实施例提供的交直流侧电流波形图；其中，占空比为0.9；
图6为本发明实施例提供的实用功率解耦控制方案图；
图7为本发明实施例提供的交流侧相量图；
图8为本发明实施例提供的直流电流、相位、触发角、占空比变化图。
图9为本发明实施例提供的交直流侧电压电流宏观变化图；
图10为本发明实施例提供的运行工况下6.78s到6.82s的相关物理量微观变化情况图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例提供的一种大功率三电平电流注入整流器拓扑结构，包括：交流侧LC滤波器、移相变压器、主桥和直流分配单元；其中，
网侧各相通过交流侧LC滤波器进行滤波；移相变压器的原边连接与交流侧LC滤波器连接，副边上分别设置有Y型绕组和D型绕组；主桥由两组并联的六脉波三相桥组成12脉波LCC，并分别与移相变压器副边绕组连接形成Y桥和D桥；直流分配单元级联在主桥直流侧，包括第一注入支路和第二注入支路；各注入支路均由两个注入开关、注入电感和续流二极管组成；两个注入开关和续流二极管分别与注入电感连接；将各注入支路的注入电感连接，并作为直流分配单元的直流输出正极。
需要说明的是：图1即所提出实用功率解耦控制方法依托的三电平注电流注入整流器拓扑结构。该拓扑由一个并联12脉波LCC主桥和级联在主桥直流侧的直流分配单元、交流侧LC滤波器组成。主桥由一个移相变压器和两组并联六脉波三相桥组成，与Y型绕组连接的称为Y桥，与D型绕组连接的称为D桥。直流分配单元被连接到主桥，通过系统协调控制与主桥形成分时动态并联结构。直流分配单元的两条注入支路都是由两个电力电子器件、一个注入电感、一个续流二极管组成。通过有规律地控制注入开关管的切换，可将原本平直的两组主桥直流侧电流IY和ID变换为周期性变化且具有零值区间的等增量3阶阶梯状电流，一方面可以起到改善交直流侧谐波的作用，另一方面，实现了主桥开关器件的零电流切换，使得半控型器件晶闸管具备了全控型器件的控制能力。
作为一种大功率三电平电流注入整流器拓扑结构更进一步的解决方案，主桥各桥臂开关所使用的电力电子器件为半控型器件SCR，包括：
Y桥：输出端的Sy1、Sy3、Sy5和输入端的Sy2、Sy4、Sy6；
D桥：输出端的Sd1、Sd3、Sd5和输入端的Sd2、Sd4、Sd6；
直流分配单元各注入开关所使用的电力电子器件为具备反向电压阻断的全控型器件，包括：
第一注入支路：与Y桥输出端连接的Syr1和与D桥输出端连接的Sdr1；
第二注入支路：与Y桥输出端连接的Syr2和与D桥输出端连接的Sdr2。
需要说明的是：移相变压器是理想的，其原边、副边绕组变比分别为kn:1(Y接)，kn:√3(D接)，副边Y型绕组电压超前D型绕组30°。主桥采用电力电子器件为半控型器件SCR，直流分配单元器件采用带有反向电压阻断能力的全控型器件，例如GTO或者IGBT串联二极管。isa是网侧A相电流瞬时值，ia是移相变压器原边电流，iay和iad分别是Y桥和D桥的A相电流，IY和ID分别是Y桥和D桥的注入电流，Idc为直流电流。Vsa是供电电源A相电压瞬时值，Vca是电容电压，Vy和Vd分别是Y桥和D桥直流侧电压。Syr1、Syr2和Sdr1、Sdr2分别是直流分配单元的全控型器件，VD1和VD2是注入支路的续流二极管，L1和L2是注入支路的注入电感，Ls和Rs分别是线路电感和线路电阻，Cs是滤波电容。
一种实用功率解耦控制方法，运用于如上解决方案中任一项所述的一种大功率三电平电流注入整流器拓扑结构中，所采用的控制策略：通过在直流分配单元引入注入支路占空比，从而得到两注入开关的控制量；其中，
主桥遵循的触发时序原则：主桥各桥臂开关在一个电源周期内开通120°，并按照Sy1-Sd1-Sy2-Sd2-Sy3-Sd3-Sy4-Sd4-Sy5-Sd5-Sy6-Sd6-Sy1的触发顺序，每隔30°切换一次；
直流分配单元遵循的触发时序原则：注入开关以60°为一个循环触发周期，每个周期内所有注入开关开通/关断各一次，且开关频率为主桥6倍。
需要说明的是：为实现功率解耦控制，通过在直流分配单元引入注入支路占空比概念，从而得到两控制量。为了使得该拓扑正常运行并输出正确波形，主桥和直流分配单元各开关必须遵循严格的触发时序原则；根据注入支路占空比取值的不同，同一注入支路两开关可以处于互补状态，也可以处于同时关断状态。图2、图3分别是注入支路占空比为1和0.9时满足上述要求的各开关触发时序图。当然注入支路占空比的选取可以在零到1之间任取。
图4是占空比为1，触发角为14°时的交直流侧电流波形。图5是占空比为0.9，触发角为18°。从两幅图不难看出，此时系统正处于单位功率因数整流状态，网侧电源电压Vsa和网侧电流Isa相位相同。由此可以明确只要通过适当控制就可以实现单位功率因数和功率解耦控制。
作为一种实用功率解耦控制方法更进一步的解决方案，所采用的控制策略：采用前馈和反馈技术同时对触发延迟角α和注入支路占空比D进行调节，使得有功和无功实现解耦控制；其中，
前馈回路：对网侧电流Isabc与网侧电压Vsabc进行相位检测，得到实时相位角将实时相位角/>与参考相位角/>进行对比，得到相位角误差信号并通过PI控制信号调整，获取对应的注入支路占空比D，并输入至调制模块；
反馈回路：对直流输出正极进行电流检测，得到直流电流实时值Idc；将直流电流实时值Idc与直流电流参考值Idcref进行对比，得到电流误差信号并通过PI控制信号调整，获取对应的触发延迟角α，并输入至调制模块；
调制模块：通过网侧电流Isabc与网侧电压Vsabc产生同步信号；将注入支路占空比D、触发延迟角α和同步信号输入调制模块，并执行控制策略，得到开关元件控制信号；其中，开关元件包括：主桥各桥臂开关与直流分配单元各注入开关。
需要说明的是：图6即为针对图1所示拓扑提出的实用功率解耦控制方案。该控制方案采用前馈和反馈技术同时对触发延迟角α和注入支路占空比D进行调节，使得有功和无功实现解耦控制，
该控制不仅能实现拓扑单位功率因数运行，还可以实现网侧电流超前或滞后电网电压运行。
在前馈回路中，电网电压和网侧电流的实时相位角与参考相位角对比得到误差信号，然后通过PI被用于控制注入支路占空比，当参考相位角设置为0时，表明该拓扑正运行于单位功率因数工况下。
在反馈回路中，直流电流实时检测值与参考电流值对比得到的误差信号通过PI控制触发延迟角。
需要指出的是，因为注入支路占空比概念的实现是建立在直接控制直流电流幅值，间接控制网侧电流幅值的事实上的，所以该控制方案从本质上来说采用的是一种是对直流电流进行双重控制的思路。此外，该控制方法不需要任何系统参数，如线路电感或滤波电容值。由于电力系统运行导致的线路电感变化或滤波电容大小的变化不会影响跟踪统一或最大功率因数的过程，这在实践中是可取的。
图7是注入支路占空比D与触发角α同时进行控制的拓扑交流侧相量图。Ia是由Y桥电流交流侧电流和D桥交流侧电流经移相变压器处理后的合成交流电流，网侧电流Isa是电容电流Ica和交流电流Ia的矢量和。从图7不难看出，一定条件下，在增大注入支路占空比，同时增大触发角的时候，就会实现单位功率因数。例如，当负载改变使得网侧电流超前于电网电压时，相位误差信号就会产生并产生更高注入支路占空比，这会使得直流电流增大。接着，直流电流误差信号会使得触发角同时增大以保证直流电流实时值保持在直流电流参考值附近。触发角的增大也会减小电网电压和网侧电流相位角。这个过程会一直进行到单位功率因数实现，这时，电网电压与网侧电流同相，且运行到了一个新的稳定点。
作为一种实用功率解耦控制方法更进一步的解决方案，在处于单位功率因数时，需同时满足条件1与条件2；
条件1：交流侧电流不低于限定值，且限定值保证下式有解：
其中，α为主桥触发角；Ica为A相电容电流；Ia为变压器原边A相交流电流；Cs为滤波电容值；Vsa为电源电压；D为注入支路占空比；Idc为直流电流；ω为电源频率。
针对条件1，需要说明的是：整流器交流侧电流不能太小。在轻载条件下，即使占空比调为1，交流侧电流也很小，此时网侧电流的主导电流是电容电流，很小的交流侧电流难以提供足以补偿超前电容电流的滞后分量。要满足这个条件，就要保证式(1)有解。
条件2：直流平均电压不能接近最大值，且通过如下公式求得直流电压Vdc：
其中，VLL为电源线电压；kn为移相变压器变比；D为注入支路占空比；α为主桥触发角。
针对条件2，需要说明的是：如果整流器运行在直流电压额定值附近，会导致触发角与注入支路占空比缺少调节空间，不能提供足够的滞后电流分量。根据交直流侧功率相等原则，可以求得直流侧电压为式(2)。
图8为相位角参考值为0，直流电流参考值为1080A，负载电阻为0.25Ω，3.5s后,直流电流参考值变为2160A，负载电阻变为0.125Ω，在经过4s之后，直流电流参考值为1500A，负载电阻为0.125Ω的条件下，直流电流跟随情况、相位角跟随情况，注入支路占空比变化情况，触发延迟角变化情况(第一象限)。图9为上述条件下，交直流电流宏观变化情况，从图中不难看出，直流电流和相位角可以跟随参考值变化。该控制方案可以使得该整流器工作于单位功率因数整流状态，同时实现功率解耦控制，该运行工况下，第6.78s到6.82s的相关物理量微观变化情况如图10所示。
以上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或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种大功率三电平电流注入整流器拓扑结构，其特征在于，包括：交流侧LC滤波器、移相变压器、主桥和直流分配单元；其中，
网侧各相通过交流侧LC滤波器进行滤波；移相变压器的原边连接与交流侧LC滤波器连接，副边上分别设置有Y型绕组和D型绕组；主桥由两组并联的六脉波三相桥组成12脉波LCC，并分别与移相变压器副边绕组连接形成Y桥和D桥；直流分配单元级联在主桥直流侧，包括第一注入支路和第二注入支路；各注入支路均由两个注入开关、注入电感和续流二极管组成；两个注入开关和续流二极管分别与注入电感连接；将各注入支路的注入电感连接，并作为直流分配单元的直流输出正极。
2.根据权利要求1所述的一种大功率三电平电流注入整流器拓扑结构，其特征在于，主桥各桥臂开关所使用的电力电子器件为半控型器件SCR，包括：
Y桥：输出端的Sy1、Sy3、Sy5和输入端的Sy2、Sy4、Sy6；
D桥：输出端的Sd1、Sd3、Sd5和输入端的Sd2、Sd4、Sd6；
直流分配单元各注入开关所使用的电力电子器件为具备反向电压阻断的全控型器件，包括：
第一注入支路：与Y桥输出端连接的Syr1和与D桥输出端连接的Sdr1；
第二注入支路：与Y桥输出端连接的Syr2和与D桥输出端连接的Sdr2。
3.一种实用功率解耦控制方法，运用于如权利要求1至权利要求2任一项所述的一种大功率三电平电流注入整流器拓扑结构中，其特征在于，所采用的控制策略：通过在直流分配单元引入注入支路占空比，从而得到两注入开关的控制量；其中，
主桥遵循的触发时序原则：主桥各桥臂开关在一个电源周期内开通120°，并按照Sy1-Sd1-Sy2-Sd2-Sy3-Sd3-Sy4-Sd4-Sy5-Sd5-Sy6-Sd6-Sy1的触发顺序，每隔30°切换一次；
直流分配单元遵循的触发时序原则：注入开关以60°为一个循环触发周期，每个周期内所有注入开关开通/关断各一次，且开关频率为主桥6倍。
4.根据权利要求3所述的一种实用功率解耦控制方法，其特征在于，所采用的控制策略：采用前馈和反馈技术同时对触发延迟角α和注入支路占空比D进行调节，使得有功和无功实现解耦控制；其中，
前馈回路：对网侧电流Isabc与网侧电压Vsabc进行相位检测，得到实时相位角将实时相位角/>与参考相位角/>进行对比，得到相位角误差信号并通过PI控制信号调整，获取对应的注入支路占空比D，并输入至调制模块；
反馈回路：对直流输出正极进行电流检测，得到直流电流实时值Idc；将直流电流实时值Idc与直流电流参考值Idcref进行对比，得到电流误差信号并通过PI控制信号调整，获取对应的触发延迟角α，并输入至调制模块；
调制模块：通过网侧电流Isabc与网侧电压Vsabc产生同步信号；将注入支路占空比D、触发延迟角α和同步信号输入调制模块，并执行控制策略，得到开关元件控制信号；其中，开关元件包括：主桥各桥臂开关与直流分配单元各注入开关。
5.根据权利要求4所述的一种实用功率解耦控制方法，其特征在于，在处于单位功率因数时，需同时满足条件1与条件2；
条件1：交流侧电流不低于限定值，且限定值保证下式有解：
其中，α为主桥触发角；Ica为A相电容电流；Ia为变压器原边A相交流电流；Cs为滤波电容值；Vsa为电源电压；D为注入支路占空比；Idc为直流电流；ω为电源频率；
条件2：直流平均电压不能接近最大值，且通过如下公式求得直流电压Vdc：
其中，VLL为电源线电压；kn为移相变压器变比；D为注入支路占空比；α为主桥触发角。
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