WO2016173130A1 - 基于三相pwm整流与多单元不控整流的混合变换系统及其控制方法 - Google Patents

基于三相pwm整流与多单元不控整流的混合变换系统及其控制方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention aims to provide a high-power hybrid AC/DC conversion system that is stable, reliable, low-cost, low-current harmonic unit power factor.
  • the output of the three-phase voltage-type PWM rectifier module and the capacitor C0, The load R* is connected in parallel; (3) the output terminals of the three-phase uncontrolled rectifier bridge modules in the N-unit three-phase uncontrollable rectifier bridge module group are independently loaded with loads (R1...RN), and each load is respectively The capacitors (C1...CN) are connected in parallel, and the three-phase voltage-type PWM rectifier module operates without load.
  • Hybrid AC/DC conversion system based on three-phase voltage type PWM rectification and multi-unit uncontrolled rectification including: three-phase reactor L, three-phase voltage type PWM rectification circuit, N-unit three-phase uncontrollable rectification Bridge module group, capacitor (C0, CL, C1...CN), DSP control circuit, N ⁇ 1.
  • One end of the three-phase reactor is connected to the three-phase power grid, and the other end (A, B, C) is respectively connected with the midpoint of the bridge arm of the three-phase voltage type PWM rectifier module and the bridge arm of each three-phase uncontrollable rectifier bridge module.

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Abstract

一种基于三相电压型PWM整流与多单元不控整流的混合变换系统。该混合变换系统主要由三相电抗器（L）、三相电压型PWM整流模块、N单元三相不控整流桥模块组、电容（C0～CN）和DSP控制电路组成。三相电压型PWM整流模块的输入端与各三相不控整流桥模块的输入端并联。三相电压型PWM整流模块可以带负载或不带负载，当不带负载时，三相电压型PWM整流模块仅作无功功率补偿。三相不控整流桥模块组的各个模块可独立带负载或所有输出并联带同一负载。该混合变换系统具有单位输入功率因数、网侧电流低谐波、大功率输出、成本低、控制简单等优点。

Description

基于三相PWM整流与多单元不控整流的混合变换系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及三相整流技术，尤其涉及基于三相电压型PWM整流与多单元不控整流的混合AC/DC变换系统，属于电力电子交流技术领域。
背景技术
随着工业及经济技术的发展，对大功率电源的要求也越来越高，传统的大功率电源谐波大功率因数低，不仅对电网有较大影响同时会造成较大的损耗，为了实现单位功率因数常采用有源滤波器、PFC、三相电压型PWM整流器；其中三相电压型PWM整流器可以从根源上消除输入电流谐波，且具有单位功率因数而受到当前电力电子领域广泛关注，但是由于其成本过高，多机并联存在环流等技术难关而无法普及使用。
发明内容
针对现有改善大功率电源谐波及功率因数存在的问题，本发明目的在于提供一种稳定可靠成本低廉低电流谐波单位功率因数的大功率混合AC/DC变换系统。
本发明为达到上述目的，所采用的技术方案如下 :
基于三相电压型PWM整流与多单元不控整流的混合AC/DC变换系统，包括：三相电抗器、三相电压型PWM整流模块、N单元三相不可控整流桥模块组、电容、DSP控制电路。所述的三相电抗器一端与三相电网连接，另一端分别与三相电压型PWM整流模块桥臂的中点及各三相不可控整流桥模块桥臂的中点连接，即三相电压型PWM整流模块同N单元三相不可控整流桥模块组的输入端并联连接；所述的三相电压型PWM整流模块采用六开关三相半桥式电路拓扑；所述的三相不控整流器模块组的各个模块均由三相二极管整流桥模块组成。
所述变换系统的输出有多种可选工作模式：（1）所述的N单元三相不可控整流桥模块组中各三相不控整流桥模块的输出端均与同一个负载RL和电容CL相连实现并联，而三相电压型PWM整流模块不带负载工作，三相电压型PWM整流模块输出仅与电容C0相连；（2）所述的N单元三相不可控整流桥模块组中各三相不控整流桥模块的输出端均与同一个负载RL和电容CL相连实现并联，而三相电压型PWM整流模块带负载工作，此时三相电压型PWM整流模块的输出与电容C0、负载R*并联；（3）所述的N单元三相不可控整流桥模块组中各三相不控整流桥模块的输出端各自独立带负载（R1...RN），每个负载分别与电容（C1...CN）并联，而三相电压型PWM整流模块不带负载工作，三相电压型PWM整流模块的输出仅与电容C0相连；（4）所述的N单元三相不可控整流桥模块组中各三相不控整流桥模块的输出端各自独立带负载（R1...RN），每个负载分别与电容（C1...CN）并联，而三相电压型PWM整流模块带负载工作，此时三相电压型PWM整流模块的输出与电容C0、负载R*并联。
所述三相电抗器的电感量可根据系统谐波及功率的要求选择，作为优选其范围为0.1mH~1.5mH；所述的电容的电容值根据系统输出电压纹波的要求选择，作为优选其范围为2000uf~6000uf。
用于上述所述的基于三相电压型PWM整流与多单元不控整流的混合AC/DC变换系统控制方法是：（a）利用锁相电路得到a相电网ea的过零点，DSP根据a相电网ea的过零点实时计算电网周期，并以此更改控制周期，同时根据a相电网ea的过零点计算三相输入电网电压值（ea、eb、ec）；（b）利用电流霍尔传感器分别采样三相电抗器的输入电流值（ia、ib、ic）、采用分压法采样三相电压型PWM整流模块直流侧电容C0两端的直流电压值U*，并通过调理运放电路转换为0~3V电压；（c）DSP控制电路根据采样值((a)和 (b)得到的)进行控制计算，具体控制方法可采用常用的前馈解耦控制、电流预测控制、模糊控制来实现单位功率因数控制；在所述的几种工作模式及不同的功率输出级别下，可采用同样的控制方法，不需单独调整，简单易行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1 、成本低、且效率高；
本系统只需要控制一个三相电压型PWM整流模块，根据工作的需求增减并联的三相不控整流模块即可，成本低，效率高。
2 、实现三相不控整流模块直流侧输出电压的可控性；
本系统通过控制交流侧电抗器输入电流来控制三相电压型PWM整流模块输入侧电压，从而实现三相电压型PWM整流模块直流侧输出电压的可控。由于本系统三相电压型PWM整流模块与N单元三相不控整流模块组的输入端并联连接，则可实现N单元三相不控整流模块组直流侧输出电压的可控。
3 、输入单位功率因数；
本系统通过三相电压型PWM整流模块直接控制交流侧电抗器输入电流，间接控制三相电压型PWM整流模块交流输入侧电流，从而调整三相电压型PWM整流模块对系统的无功功率补偿，实现交流输入侧单位功率因数运行。
4 、系统可靠稳定，不存在环流。
本系统中含有三相不控整流模块，由于二极管的单相导电性，系统不可能产生环流。由于系统只需要控制一个三相电压型PWM整流模块，跟现有系统需要控制两个及以上三相电压型PWM整流模块相比更加可靠稳定。
附图说明
图1a是本发明的基于三相电压型PWM整流与多单元不控整流的混合AC/DC变换系统结构框图；
图1b为三相电压型PWM整流模块结构图；
图1c为三相不控整流模块单元结构图；
图1d为N单元三相不控整流桥模块组各自带负载的结构图 ；
图1e为三相电压型PWM整流模块带负载的结构图；
图2a~图2c分别是工作在模式（一）时的matlab仿真输出电压U*（三相电压型PWM整流模块直流侧输出电压）、Uo（N单元三相不控整流桥模块组并联时直流侧输出电压）和输入电压ea（电网a相电压）、输入电流ia（交流输入a相电流）的效果图。
图3a~图3c分别是工作在模式（二）时的matlab仿真输出电压U*（三相电压型PWM整流模块直流侧输出电压）、Uo（N单元三相不控整流桥模块组并联时直流侧输出电压）和输入电压ea（电网a相电压）、输入电流ia（交流侧a相输入电流）的效果图。
图4a~图4c分别是工作在模式（三）时的matlab仿真输出电压U*（三相电压型PWM整流模块直流侧输出电压）、U oN （N单元三相不控整流桥模块直流侧各自输出电压）和输入电压ea（电网a相电压）、输入电流ia（交流侧a相输入电流）的效果图。
图5a~图5c分别是工作在模式（四）时的matlab仿真输出电压U*（三相电压型PWM整流模块直流侧输出电压）、U oN （N单元三相不控整流桥模块直流侧各自输出电压）和输入电压ea（电网a相电压）、输入电流ia（交流侧a相输入电流）的效果图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
基于三相电压型PWM整流与多单元不控整流的混合AC/DC变换系统，如图1所示，包括：三相电抗器L、三相电压型PWM整流电路、N单元三相不可控整流桥模块组、电容（C0、CL、C1...CN）、DSP控制电路，N≥1。所述的三相电抗器一端与三相电网连接，另一端（A、B、C）分别与三相电压型PWM整流模块桥臂的中点及各三相不可控整流桥模块组桥臂的中点连接，即三相电压型PWM整流模块与N单元三相不可控整流桥模块组的输入端并联连接；所述的三相电压型PWM整流模块采用六开关三相半桥式电路拓扑；所述的三相不控整流器模块组的各个模块均由三相二极管整流桥模块组成。
所述的变换系统的输出有多种可选工作模式：（1）所述的N单元三相不可控整流桥模块组中各三相不控整流桥模块的输出端均与同一个负载RL和电容CL相连实现并联，而三相电压型PWM整流模块不带负载工作，三相电压型PWM整流模块输出仅与电容C0相连；（2）所述的N单元三相不可控整流桥模块组中各三相不控整流桥模块的输出端均与同一个负载RL和电容CL相连实现并联，而三相电压型PWM整流模块带负载工作，此时三相电压型PWM整流模块的输出与电容C0、负载R*并联；（3）所述的N单元三相不可控整流桥模块组中各三相不控整流桥模块的输出端各自独立带负载（R1...RN），每个负载分别与电容（C1...CN）并联，而三相电压型PWM整流模块不带负载工作，三相电压型PWM整流模块的输出仅与电容C0相连；（4）所述的N单元三相不可控整流桥模块组中各三相不控整流桥模块的输出端各自独立带负载（R1...RN），每个负载分别与电容（C1...CN）并联，而三相电压型PWM整流模块带负载工作，此时三相电压型PWM整流模块的输出与电容C0、负载R*并联。所述的三相电压型PWM整流模块不带负载工作时，此时仅作无功功率补偿；而当带负载工作时，既作无功功率补偿，也进行功率输出。
所述三相电抗器L的电感量可根据系统谐波及功率的要求选择，优选范围为0.1mH~1.5mH；所述的电容（C0、CL、C1...CN）的电容值根据系统输出电压纹波的要求选择，优选范围为2000uf~6000uf。
用于上述任一项所述的基于三相电压型PWM整流与多单元不控整流的混合AC/DC变换系统控制方法是：（a）利用锁相电路得到a相电网ea的过零点，DSP根据a相电网ea的过零点实时计算电网周期，并以此更改控制周期，同时根据a相电网ea的过零点计算三相输入电网电压值（ea、eb、ec）；（b）利用电流霍尔传感器分别采样三相电抗器的输入电流值（ia、ib、ic）、采用分压法采样三相电压型PWM整流模块直流侧电容C0两端的直流电压值U*，并通过调理运放电路转换为0~3V电压；（c）DSP控制电路根据采样值((a)和 (b)得到的)进行控制计算，具体控制方法可采用常用的前馈解耦控制、电流预测控制、模糊控制来实现单位功率因数控制；在所述的几种工作模式及不同的功率输出级别下，三相电压型PWM整流模块可采用同样的控制方法，不需单独调整，简单易行。
作为优选，所述DSP可选用德州仪器公司2000系列。
图2a~图2c分别是工作在模式（一）时的matlab仿真输出电压U*（三相电压型PWM整流模块直流侧输出电压）、Uo（N单元三相不控整流桥模块组并联时直流侧输出电压）和输入电压ea（电网a相电压）、输入电流ia（交流输入a相电流）的效果图。
图3a~图3c分别是工作在模式（二）时的matlab仿真输出电压U*（三相电压型PWM整流模块直流侧输出电压）、Uo（N单元三相不控整流桥模块组并联时直流侧输出电压）和输入电压ea（电网a相电压）、输入电流ia（交流侧a相输入电流）的效果图。
图4a~图4c分别是工作在模式（三）时的matlab仿真输出电压U*（三相电压型PWM整流模块直流侧输出电压）、U oN （N单元三相不控整流桥模块直流侧各自输出电压）和输入电压ea（电网a相电压）、输入电流ia（交流侧a相输入电流）的效果图。
图5a~图5c分别是工作在模式（四）时的matlab仿真输出电压U*（三相电压型PWM整流模块直流侧输出电压）、U oN （N单元三相不控整流桥模块直流侧各自输出电压）和输入电压ea（电网a相电压）、输入电流ia（交流侧a相输入电流）的效果图。
可见，三相可控整流跟三相不控整流模块输出电压波形一致且纹波都很小；同时网侧电流都很好地跟踪了网侧电压，两者相位相同，并且都呈正弦波。
本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。

Claims (4)

  1. 基于三相电压型PWM整流与多单元不控整流的混合变换系统，其特征在于包括：三相电抗器（L）、三相电压型PWM整流电路、N单元三相不可控整流桥模块组、电容（C0~CN）、DSP控制电路；所述的三相电抗器一端与三相电网连接，三相电抗器的另一端（A、B、C）分别与三相电压型PWM整流模块桥臂的中点及各三相不控整流桥模块桥臂的中点连接，即三相电压型PWM整流模块与各三相不可控整流桥模块的输入端并联连接；所述的三相电压型PWM整流模块采用六开关三相半桥式电路拓扑；所述的N单元三相不可控整流桥模块组中各三相不控整流桥模块均由三相二极管整流桥组成；DSP控制电路控制三相电压型PWM整流模块及N单元三相不可控整流桥模块组的直流侧电压输出和网侧功率因数。
  2. 根据权利要求1所述基于三相电压型PWM整流与多单元不控整流的混合变换系统，其特征在于：变换系统的输出有多种可选工作模式：（1）所述的N单元三相不可控整流桥模块组中各三相不控整流桥模块的输出端均与同一个第一负载（RL）和第一电容（CL）相连实现并联，而三相电压型PWM整流模块不带负载工作，三相电压型PWM整流模块输出仅与第二电容（C0）相连；（2）所述的N单元三相不可控整流桥模块组中各三相不控整流桥模块的输出端均与同一个第一负载（RL）和第一电容（CL）相连实现并联，而三相电压型PWM整流模块带负载工作，此时三相电压型PWM整流模块的输出与第二电容（C0）、第二负载（R*）并联；（3）所述的N单元三相不可控整流桥模块组中各三相不控整流桥模块的输出端各自独立带负载（R1~RN），每个负载分别与一个电容（C1~CN）并联，而三相电压型PWM整流模块不带负载工作，三相电压型PWM整流模块的输出仅与第二电容（C0）相连；（4）所述的N单元三相不可控整流桥模块组中各三相不控整流桥模块的输出端各自独立带负载（R1~RN），每个负载分别与一个电容（C1~CN）并联，而三相电压型PWM整流模块带负载工作，此时三相电压型PWM整流模块的输出与第二电容（C0）、第二负载（R*）并联。
  3. 根据权利要求1所述的基于三相电压型PWM整流与多单元不控整流的混合变换系统，其特征在于：所述三相电抗器（L）的电感量能根据系统谐波及功率的要求选择，选择范围为0.1mH~1.5mH；所有所述的电容（C0、CL、C1...CN）的电容值根据系统输出电压纹波的要求选择，选择范围为2000uf~6000uf。
  4. 用于权利要求1-3任一项所述的基于三相电压型PWM整流与多单元不控整流的混合变换系统的控制方法，其特征在于包括：
    （a）利用锁相电路得到a相电网（ea）的过零点，DSP控制电路根据a相电网（ea）的过零点实时计算电网周期，并以此更改控制周期，同时根据a相电网（ea）的过零点计算三相输入电网电压值（ea、eb、ec）；
    （b）利用电流霍尔传感器分别采样三相电抗器的输入电流值（ia、ib、ic）、采用分压法采样三相电压型PWM整流模块直流侧电容（C0）两端的直流电压值（U*），并通过调理运放电路转换为0~3V电压；
    （c）DSP控制电路根据(a)和 (b)采样得到的值进行控制计算，具体控制方法采用常用的前馈解耦控制、电流预测控制、模糊控制来实现单位功率因数控制；在所述的几种工作模式及不同的功率输出级别下，均能采用同样的控制方法，不需单独调整。
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