CN204190641U - 基于lcl滤波的大功率pwm整流器电路拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种脉冲宽度调制PWM整流器电路拓扑结构。脉冲宽度调制PWM整流器的电路拓扑结构包括单相PWM整流器和采用三相四线制PWM整流器，通过采用LCL滤波器取代传统L滤波器达到更好的滤波效果。PWM整流器控制方法是基于SPWM方式的脉宽调制技术，采用电压外环、电流内环的控制方式。公共的电压外环和独立的电流内环均采用PI控制方式，分别对公共的电压外环和独立的电流内环设置P、I参数，本实用新型可实现电网侧电流与电压同相位，降低电网侧谐波含量，减小谐波污染。

Description

基于LCL滤波的大功率PWM整流器电路拓扑结构

技术领域

本实用新型属于电力电子应用技术领域，涉及一种基于LCL滤波的大功率PWM整流器电路拓扑结构，具体涉及一种关于分布式电源，应用于可再生能源发电并网，充放电及其储能等系统的电力电子整流器。

背景技术

在所有的电力变换装置中，整流电路出现的最早。常见的电能变换电路包括整流电路、逆变电路、交交变频电路和直流升降压电路。除了直接使用市电的设备外，大部分的用电设备的取电是通过将电网的电能进行相应的直流或交流变换所得，即先将市电转换成用电设备所需的交流电或者直流电，然后将变换的电能输送给用电设备使用。即使是交交变频电路也往往先进行整流变换，然后再进行逆变变换。据1992年日本电气学会的报道，所有的电力电子设备中，整流装置占到了70％之多。鉴于整流装置的总量很大，常规整流环节广泛采用二极管不控整流电路或者晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，网侧功率因数很低，造成了严重“污染”。由于大量电力电子装置通过变流器与电网相连，存在网侧功率因数低以及输入电流谐波成分高的问题。但是伴随着电力电子发展和用电设备的谐波标准的日益严格，如何达到节约能源、减低成本、减小谐波污染、达到绿色的电能变换的目的，需要更多的理论研究和探索。

自从上个世纪80年代后期开始将PWM(脉冲宽度调制)技术引入整流器控制中，高功率因数的PWM整流器技术已成为国内外的研究热点。并已经取得了很多研究成果，PWM整流器往往通过改进的Boost电路来实现功率因数校正，其中比较新颖的结构是采用双路Boost并联的拓扑结构。但是，双路Boost电路必然要用两个电感，电感作为Boost电路的核心元器件，电感体积较大，其量值选取决定了整流装置的体积大小，也是原料成本重要组成部分。

电感作为磁性元器件，由于双路Boost并联的结构两个电感分别工作在电网正、负半周内，对于单个电感而言，在其工作的半周内，如不能及时恢复其初始状态，磁芯就容易饱和，流过的电流变化不会发生能量传递，能量消耗在线圈上，长时间、大功率的场合下，线圈绕组会发热，不可避免的会影响电感值的精确性，因此对控制器的设计带来严峻的挑战。

并且PWM整流器由于采用PWM调制方法导致电网电流中含有开关频率附近的高次谐波，这会对电网中的其他EMI敏感设备产生影响，因此必须在电网和整流器之间设置滤波器，抑制电流中的高频谐波，同时将正弦的电网电压和脉冲状的交流侧电压隔离开来。传统PWM整流器网侧滤波器采用L型滤波器，将高次谐波电流限制在一定范围内。虽然L型滤波器简单实用，但是在大功率应用场合，开关频率相对较低(1-2kHz)，使得网侧电流满足相应的谐波标准所需的电感值太大。这会带来以下问题：使得网侧电流变化率下降，降低系统的动态响应性能。

现有的三相PWM往往采用三相三线制的接法，三相间存在相互耦合，故而对其控制往往需要进行矢量变换以实现三相解耦，即将三相abc静止坐标系变换到两相旋转dq坐标系下进行建模与控制，其复杂性不言而喻，实际实现也较为复杂。

PWM整流器在启动时，电网电压将通过电感给母线电容从零电压充电，可能会引起电路谐振，或者电感瞬态饱和，产生较大的冲击电流，该冲击电流有可能会损害电路元件，影响电路的安全工作状态，对PWM整流器的安全性和可靠性带来威胁。

因此，针对现有技术不足，设计一种可避免磁性元件饱和，控制逻辑难度低，且安全可靠的的PWM整流器拓扑及其控制策略甚为必要。

实用新型内容

技术问题：本实用新型提供一种可实现单位功率因数PWM整流，减小输入电网的谐波含量，改善电能质量，并且可以应用在中大功率场合的脉宽调制PWM整流器拓扑及其控制方法。

技术方案：本实用新型提供的一种基于LCL滤波的大功率PWM整流器电路拓扑结构，为单相PWM整流器，包括网侧滤波电感、变流器侧滤波电感、交流滤波电容、第一晶闸管、第二晶闸管、第一二极管、第二二极管、第一全控型开关开关、第二全控型开关开关、第一电容、第二电容、负载和中线，所述网侧滤波电感一端与电网相接，另一端同时与变流器侧滤波电感和交流滤波电容的一端相接，变流器侧滤波电感的另一端同时与第一晶闸管的阳极和第二晶闸管的阴极相接，交流滤波电容的另一端与中线相连，第一晶闸管的阴极同时与第一二极管的阳极和第一全控型开关的集电极相接，第一二极管的阴极同时与第一电容一端和负载一端连接，第一全控型开关的发射极和第二全控型开关开关的集电极连接在中线上，晶闸管的阳极同时与第二二极管的阴极和第二全控型开关开关的发射极相接，第二二极管的阳极同时与第二电容一端和负载另一端连接，第一电容另一端和第二电容另一端连接在中线上。

本实用新型PWM整流器电路拓扑结构中，第一全控型开关和第二全控型开关可以为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)或电力场效应晶体管(Power MOSFET)。

本实用新型提供的另一种PWM整流器电路拓扑结构，为三相四线制PWM整流器，由三个上述单相PWM整流器电路拓扑结构并联组成，三个单相PWM整流器电路拓扑结构共用一套第一电容、第二电容、负载和中线。

上述的三相四线制PWM整流器中，三个单相PWM整流器电路拓扑结构分别为A相电路拓扑结构、B相电路拓扑结构、C相电路拓扑结构，所述A相路拓扑电结构的网侧滤波电感一端与电网A相连接，B相电路拓扑结构的网侧滤波电感一端与电网B相连接、C相电路拓扑结构的网侧滤波电感一端与电网C相连接，三个单相PWM整流器电路拓扑的交流滤波电容的一端并联后连接在中线上，三个单相PWM整流器电路拓扑的第一二极管的阴极并联后同时与第一电容一端和负载一端连接，三个单相PWM整流器电路拓扑的第二二极管的阳极并联后同时与第二电容一端和负载另一端连接。

PWM整流器的控制电路包括电压反馈环节、电压PI环节、电网电压检测环节，锁相环节、乘法器、电流反馈环节、电流PI环节和脉宽调制PWM环节。

电压反馈环节反馈直流母线的电压并与给定电压Vref比较得到输出电压的误差信号ΔV，将电压误差信号ΔV送入电压PI环节得到给定电流信号的幅值i_m。通过对电网信号检测环节得到即时的电网电压信号，经过锁相环节可以得到电网电压的相位信号sinθ，将给定电流信号的幅值i_m与电网电压的相位信号sinθ送入乘法器，乘法器的输出信号i_ref作为交流输入侧电流的给定信号，电流反馈环节反馈交流侧实际的电流并与交流输入侧电流的给定信号i_ref比较，从而得到交流输入侧输入电流的误差信号Δi，将电流误差信号Δi送入电流PI环节，将电流PI环节的输出信号送入脉宽调制PWM环节，脉宽调制PWM环节的输出作为控制信号，以用于控制PWM整流器中开关管的导通与关断。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)以单相PWM整流器为例。电感是PWM整流器的核心元件，电感值的选取是设计控制器的前提和基础。设计拓扑中，通过对晶闸管的通断控制，在电网电压正负半周内，均可实现Boost运行。更重要的，该电感在电网电压正负内均处于工作状态，流经电感的电流也随着电网电压正负交替流动，根据铁磁材料的磁滞回线可知，这有益于磁芯回复初始状态，相较于传统的双路Boost的拓扑而言，这样的设计可以有效减小电感的磁饱和导致的发烫问题，不仅可以延长电感的使用寿命，还可以保证电感的量值的精确性，对于控制器的设计提供了可靠的硬件基础。

2)电感是整流器的核心器件，相较于L型滤波器，虽然其简单实用，但是在大功率应用场合，开关频率相对较低(1-2kHz)，使得网侧电流满足相应的谐波标准所需的电感值太大。这会带来以下问题：使得网侧电流变化率下降，降低系统的动态响应性能。通过采用LCL滤波器取代传统L滤波器可以达到更好的滤波效果时，这在中大功率应用场合具有优势。

3)对于常见的三相PWM整流器往往都是采用三相三线制的接法，此种接法三相间存在相互耦合，故而对其控制往往需要进行矢量变换以实现三相解耦，即将三相abc静止坐标系变换到两相旋转dq坐标系下进行建模与控制，其控制复杂性不言而喻。本实用新型所述的三相PWM整流器由于其采用三相四线制接法，其中三相彼此相互独立，对于三相的控制可独立为分别对单相进行控制，即，通过对公共电压的外环的PI控制得到三相的参考电流幅值信号，再通过对独立的单相进行锁相环节，得到每一相的独立的电流内环的参考相位，通过乘法器可得到每一相电流的参考电流信号，设置三相各自的电流内环PI，可用于控制每一相的电流，达到控制目的。相较于三相三线制的拓扑而言，其控制策略的逻辑难度大大降低。

4)当PWM整流器在刚启动时，输入的电网电压通过电感要给母线电容从零电压充电，这可能引起电路谐振和电感瞬态饱和，会产生很大的冲击电流，这可能会损害电路工作的安全性与可靠性，本实用新型为了电路安全防止过流损坏，在单相PWM整流器和三相PWM整流器的拓扑结构中可通过软启动方式减小对电路的冲击，即在开启的时候，预先设置一个启动周期，在启动周期内通过逐步增大晶闸管的导通角，直至导通角为180°，从而达到缓冲电路冲击电流，提高PWM整流器安全性和可靠性的目的。

附图说明

图1是本实用新型单相PWM整流器的拓扑结构图。

图2是本实用新型三相四线制PWM整流器拓扑结构图。

图3是本实用新型PWM整流器的控制方法示意框图。

图中有：电网电压e、网侧滤波电感L_f、变流器侧滤波电感L_r、交流滤波电容C_f、第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一全控型开关开关S₁、第二全控型开关开关S₂、第一电容C₁、第二电容C₂、负载R_L、中线N、电网电压e_a、电网电压e_b、电网电压e_c、A相网侧滤波电感L_ga、A相变流器侧滤波电感L_ra、A相交流滤波电容C_fa、A相第一晶闸管T_a1、A相第二晶闸管T_a2、A相第一二极管D_a1、A相第二二极管D_a2、A相第一全控型开关开关S_a1、A相第二全控型开关开关S_a2、B相网侧滤波电感L_gb、B相变流器侧滤波电感L_rb、B相交流滤波电容C_fb、B相第一晶闸管T_b1、B相第二晶闸管T_b2、B相第一二极管D_b1、B相第二二极管D_b2、B相第一全控型开关开关S_b1、B相第二全控型开关开关S_b2、C相网侧滤波电感L_gc、C相变流器侧滤波电感L_rc、C相交流滤波电容C_fc、C相第一晶闸管T_c1、C相第二晶闸管T_c2、C相第一二极管D_c1、C相第二二极管D_c2、C相第一全控型开关开关S_c1、C相第二全控型开关开关S_c2、PWM整流器模块、给定电压V_ref、误差信号ΔV、给定电流信号的幅值i_m、电网电压的相位信号sinθ、电流的给定信号i_ref、输入电流的误差信号Δi、电压反馈环节1、电压PI环节2、电网电压检测环节3、锁相环节4、乘法器5、电流反馈环节6、电流PI环节7和脉宽调制PWM环节8，其中，第一全控型开关和第二全控型开关可以为IGBT、IGCT和电力场效应晶体管(PowerMOSFET)。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明：

本实用新型提供的一种PWM整流器的电路拓扑结构分为单相PWM整流器和采用三相四线制PWM整流器。如图1所示，该电路拓扑结构为单相PWM整流器，包括网侧滤波电感L_g、变流器侧滤波电感L_r、交流滤波电容C_f、第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一全控型开关开关S₁、第二全控型开关开关S₂、第一电容C₁、第二电容C₂、负载R_L和中线N，所述全控型开关为可以为IGBT、IGCT和电力场效应晶体管(Power MOSFET)。网侧滤波电感L_g一端与电网相接，另一端同时与变流器侧滤波电感L_r和交流滤波电容C_f的一端相接，变流器侧滤波电感L_r的另一端同时与第一晶闸管T₁的阳极和第二晶闸管T₂的阴极相接，交流滤波电容C_f的另一端与中线N相连，第一晶闸管T₁的阴极同时与第一二极管D₁的阳极和第一全控型开关S₁的集电极相接，第一二极管D₁的阴极同时与第一电容C₁一端和负载R_L一端连接，第一全控型开关S₁的发射极和第二全控型开关开关S₂的集电极与中线N相连，晶闸管T₂的阳极同时与第二二极管D₂的阴极和第二全控型开关开关S₂的发射极相接，第二二极管D₂的阳极同时与第二电容C₂一端和负载R_L另一端连接，第一电容C₁另一端与第二电容C₂另一端与中线N相连。

如图2所示，该电路拓扑结构为三相四线制PWM整流器，由三个单相PWM整流器电路拓扑结构并联组成，三个单相PWM整流器电路拓扑结构共用一套第一电容C₁、第二电容C₂、负载R_L和中线N。三个单相PWM整流器电路拓扑结构分别为A相电路拓扑结构、B相电路拓扑结构、C相电路拓扑结构，所述A相路拓扑电结构的网侧滤波电感L_ga一端与电网A相连接，B相电路拓扑结构的网侧滤波电感L_gb一端与电网B相连接、C相电路拓扑结构的网侧滤波电感L_gc一端与电网C相连接，三个单相PWM整流器电路拓扑的交流滤波电容C_fa、C_fb、C_fc的一端并联后同时与中线N相连，三个单相PWM整流器电路拓扑的第一二极管D_a1、D_b1、D_c1的阴极并联后同时与第一电容C₁一端和负载R_L一端连接，三个单相PWM整流器电路拓扑的第二二极管D_a2、D_b2、D_c2的阳极并联后同时与第二电容C₂一端和负载R_L另一端连接。

此外，PWM整流器的单个负载连接方式可以按照如图1、图2中R_L所示，负载也可以是多个负载，如采用两个负载，可以相互串联后，再并联于电容C₁、C₂两端，也可以分别并联在电容C₁、C₂两端，再将两个负载公共连接端与中线N相连。如果负载个数大于等于三个，可以相互串联后，再并联在电容C₁、C₂两端，也可以并联在电容C₁、C₂两端的同时再选择其中某两个负载的公共连接端与中线相连。

如图3所示，PWM整流器控制电路包括电压反馈环节1、电压PI环节、电网电压检测环节，锁相环节、乘法器、电流反馈环节、电流PI环节和脉宽调制PWM环节。

本实用新型的工作原理以及工作过程如下：

启动过程以单相PWM整流器为例：

在PWM整流器启动阶段，程序中，需要预先设置启动周期N以及一个随时间增加的控制系数K，该系数在启动周期N内，从0线性变化直至为1，最后恒定为1。该系数对应晶闸管的导通角从0°直至到180°。通过启动程序完成电网电压对后级母线电容充电，建立起后级电容母线电压。

本实用新型的三相四线制的PWM整流器的启动过程与单相PWM整流器类似，主要区别在于，三个独立的单相PWM整流器，软起动过程中，选取一相作为主机相，不妨以A相为主机相，控制系数为K，该系数在启动周期N内，从0线性变化直至为1，最后恒定为1。该系数对应A相第一晶闸管和第二晶闸管的导通角从0°直至到180°。通过启动程序完成电网电压对后级母线电容充电，建立起后级电容母线电压。

当PWM整流器后级母线电压建立起来后，进入正常工作状态，通过把母线电容上的电压反馈并与给定电压Vref比较得到输出电压的误差信号ΔV，将电压误差信号ΔV送入电压PI环节(2)得到给定电流信号的幅值i_m。通过对电网电压检测环节(3)得到瞬时的电网电压信号，经过锁相环节(4)可以得到电网电压的相位信号sinθ，将给定电流信号的幅值i_m与电网电压的相位信号sinθ送入乘法器(5)，乘法器的输出信号i_ref作为交流输入侧电流的给定信号，电流反馈环节(6)反馈交流侧实际的电流并与交流输入侧电流的给定信号i_ref比较，从而得到交流输入侧输入电流的误差信号Δi，将电流误差信号Δi送入电流PI环节(7)，将电流PI环节(7)的输出信号送入脉宽调制PWM环节(8)，脉宽调制PWM环节(8)的输出作为控制信号，以用于控制PWM整流器中开关管的导通与关断。

以上仅是本实用新型的较佳实施例，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本实用新型权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于LCL滤波的大功率PWM整流器电路拓扑结构，其特征在于，该电路拓扑结构为单相PWM整流器，包括网侧滤波电感(L_g)、变流器侧滤波电感(L_r)、交流滤波电容(C_f)、第一晶闸管(T₁)、第二晶闸管(T₂)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第一全控型开关开关(S₁)、第二全控型开关开关(S₂)、第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、负载(R_L)和中线(N)，所述网侧滤波电感(L_g)一端与电网相接，另一端同时与变流器侧滤波电感(L_r)和交流滤波电容(C_f)的一端相接，变流器侧滤波电感(L_r)的另一端同时与第一晶闸管(T₁)的阳极和第二晶闸管(T₂)的阴极相接，交流滤波电容(C_f)的另一端与中线(N)相连，第一晶闸管(T₁)的阴极同时与第一二极管(D₁)的阳极和第一全控型开关(S₁)的集电极相接，第一二极管(D₁)的阴极同时与第一电容(C₁)一端和负载(R_L)一端连接，第一全控型开关(S₁)的发射极和第二全控型开关开关(S₂)的集电极连接在中线(N)上，晶闸管(T₂)的阳极同时与第二二极管(D₂)的阴极和第二全控型开关开关(S₂)的发射极相接，第二二极管(D₂)的阳极同时与第二电容(C₂)一端和负载(R_L)另一端连接，第一电容(C₁)另一端和第二电容(C₂)另一端连接在中线(N)上。

2.根据权利要求1所述的基于LCL滤波的大功率PWM整流器电路拓扑结构，其特征在于，所述第一全控型开关(S₁)和第二全控型开关(S₂)为IGBT、IGCT或电力场效应晶体管。

3.一种基于LCL滤波的大功率PWM整流器电路拓扑结构，其特征在于，该电路拓扑结构为三相四线制PWM整流器，由三个权利要求1或2所述的单相PWM整流器电路拓扑结构并联组成，三个单相PWM整流器电路拓扑结构共用一套第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、负载(R_L)和中线(N)。

4.根据权利要求3所述的基于LCL滤波的大功率PWM整流器拓扑电路结构，其特征在于，所述三个单相PWM整流器电路拓扑结构分别为A相电路拓扑结构、B相电路拓扑结构、C相电路拓扑结构，所述A相路拓扑电结构的网侧滤波电感(L_ga)一端与电网A相连接，B相电路拓扑结构的网侧滤波电感(L_gb)一端与电网B相连接、C相电路拓扑结构的网侧滤波电感(L_gc)一端与电网C相连接，三个单相PWM整流器电路拓扑的交流滤波电容(C_fa、C_fb、C_fc)的一端并联后连接在中线(N)上，三个单相PWM整流器电路拓扑的第一二极管(D_a1、D_b1、D_c1)的阴极并联后同时与第一电容(C₁)一端和负载(R_L)一端连接，三个单相PWM整流器电路拓扑的第二二极管(D_a2、D_b2、D_c2)的阳极并联后同时与第二电容(C₂)一端和负载(R_L)另一端连接。