專利名稱：適用于多組整流裝置的能量回饋及諧波無功補償系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明技術(shù)涉及電工電子和電力傳動技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于 多組整流裝置的能量回饋及諧波無功補償系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在電工電子技術(shù)領(lǐng)域，二極管整流電路簡單、經(jīng)濟可靠，因而在目前 大部分的電力電子和電力傳動系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用；但是，這種二極管整流 電路的整流器廣泛使用，也帶來了以下如下幾個方面的問題參考機械工業(yè)出版社出版的《電力電子技術(shù)》，書中提到二極管整流的 以下缺點1. 二極管整流會使網(wǎng)側(cè)電流波形嚴重畸變，造成功率因數(shù)較低，最高功 率因數(shù)只在0.8左右；大量無功功率的消耗給電網(wǎng)帶來額外的負擔(dān)，增加了 輸電線路的損耗，而且嚴重的影響了整個電網(wǎng)的供電質(zhì)量，需要采用必要 的無功補償來改變這種狀況。2. 在對二極管整流器的輸入電流進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)輸入電流中含有非 常豐富的低次諧波電流，這種低次諧波電流有損于供電質(zhì)量，必須進行必 要的諧波治理。3. 若改用pwm整流可以得到很好的濾波效果，但它的缺點如下1) 目前大部分系統(tǒng)中采用的為不可整流系統(tǒng)，若大范圍的以可控PWM整流替 代二極管不可控整流，這種做法在實際應(yīng)用中不太現(xiàn)實；2)在大功率的電 路系統(tǒng)中，如果完全用可控的PWM整流代替二極管整流，則全控的功率開 關(guān)管需要很大的容量，成本很高，而且實現(xiàn)起來非常困難，所以，這種通 過可控的PWM整流的方法來全面解決二極管整流系統(tǒng)所存在的問題，也不 具有實際意義。若在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中采用這種二極管整流技術(shù)，由于二極管的單 向?qū)щ娦阅?，則電機制動過程中的再生能量將無法回饋給電網(wǎng)，實際的交 流調(diào)速系統(tǒng)為了使得各個裝置安全運行，這部分能量還必須通過一定的途徑將其消耗掉；因而在系統(tǒng)中一般采用能耗制動方式，即通過內(nèi)置或外加 制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，從而實現(xiàn)電機的四象限安 全運行。該方法雖然簡單，但是存在如下缺點:l)大量的電能被白白消耗, 系統(tǒng)運行效率低；2)電阻發(fā)熱嚴重，散熱是個大問題，嚴重影響系統(tǒng)的其 他部分正常工作；3)簡單的能耗制動不能及時抑制快速制動而產(chǎn)生的泵升 電壓，不利于系統(tǒng)綜合性能的進一步提高。中國專利文獻CN1274977A于2000年11月29日公開了一種"有源和 無源構(gòu)成的綜合電力濾波裝置"，該裝置利用有源濾波和無源濾波來進行諧 波補償，但不能對電網(wǎng)中的能量進行回饋，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種適用于多組整流裝置的能量回饋及諧波無 功補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時對多個二極管整流系統(tǒng)進行能量回饋和無功 補償，可以提高設(shè)備利用率，降低成本。本發(fā)明提供的適用于多組整流裝置的能量回饋及諧波無功補償系統(tǒng)，該 系統(tǒng)包括功率開關(guān)管組、控制裝置、功率三相橋和濾波裝置；功率開關(guān)管組中n個功率開關(guān)管的正極分別接不可控二極管整流裝置 的直流母線電壓輸出端，其負極均與功率三相橋的直流母線電壓正極相接， 其中n為負載的個數(shù)；控制裝置用于獲取不可控二極管整流裝置的輸入負載的總電流，濾波 裝置輸出的補償電流和功率三相橋的直流母線電壓，根據(jù)獲取的參數(shù)產(chǎn)生 開關(guān)信號，分別控制功率三相橋的功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷；功率三相橋用于向控制裝置提供直流母線電壓，根據(jù)控制裝置提供的 指令控制功率開關(guān)管的閉合，產(chǎn)生補償電流，并提供給濾波裝置；濾波裝置接受來自功率三相橋的補償電流，濾出系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波，將補償電流補償入電網(wǎng)，并將該電流信號提供給控制裝置。沒有采用本發(fā)明系統(tǒng)前，原外電路系統(tǒng)的諧波含量THD很高，功率因 素也不高，在加入本發(fā)明系統(tǒng)后，原外電路系統(tǒng)的諧波含量THD可降到很 低，功率因素可以上升為接近l。能量利用率顯著提高，且能帶多組負載。 具體而言，本發(fā)明具有以下特點(1 )不用改變當(dāng)前不可控二極管整流系統(tǒng)及電網(wǎng)等的電路結(jié)構(gòu)和連接 方式；相對于采用PWM整流提供直流電源的系統(tǒng)來說，本案系統(tǒng)和可控功 能管的容量可以大大的降低，降低了系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)的可實現(xiàn)性和 可靠性；(2) 可以實現(xiàn)整個本案系統(tǒng)和原二級管整流系統(tǒng)在運行過程中不會向 電網(wǎng)注入諧波和無功，消除對電網(wǎng)的污染；(3) 當(dāng)電機制動時，原二級管整流系統(tǒng)多余的電能通過本案裝置流向 回饋系統(tǒng)?？梢詫崿F(xiàn)能量回饋，起到節(jié)能的目的，有良好的經(jīng)濟效益和社 會效益；(4) 系統(tǒng)能量回饋、有源濾波以及無功補償?shù)墓δ芡ㄟ^采用相應(yīng)的控 制方法，可以集合在一個裝置上實現(xiàn)，是一個一體化的系統(tǒng)。(5) 可以同時帶多組負載，節(jié)約成本增大容量。(6) 該系統(tǒng)可以同時控制多組負載，多組負載可以在不同的工作狀態(tài) 下工作。如果存在能量回饋的負載時，則本案系統(tǒng)工作在能量回饋、有源 濾波以及無功補償狀態(tài)；如果不存在能量回饋的負載時，本安系統(tǒng)工作在 有源濾波和無功補償狀態(tài)。根據(jù)需要本案系統(tǒng)可以同時工作在不同的工作 狀態(tài)。


圖1是本發(fā)明能量回饋及諧波無功補償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；其中1為本 發(fā)明系統(tǒng)，2為原外電路系統(tǒng)；圖2是控制裝置的工作流程圖，控制裝置采用雙閉環(huán)控制，a)為電壓 外環(huán)工作流程，b)為電流內(nèi)環(huán)工作流程；圖3是本發(fā)明能量回饋及諧波無功補償系統(tǒng)的電路圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。 如圖1所示，原外電路系統(tǒng)2包括電網(wǎng)3和并聯(lián)的多組不可控整流負 載，不可控整流負載包括不可控二極管整流裝置4.1 4,n、變頻器5.1 5.n 和負載6.1 6.n， n為負載的個數(shù)。各組二極管整流直流母線電壓負極輸出 端和本案系統(tǒng)直流母線電壓負極輸出端相連。本發(fā)明能量回饋及諧波無功補償系統(tǒng)包括功率開關(guān)管組7、控制裝置8、 功率三相橋9和濾波裝置10，功率開關(guān)管組7包括n個功率開關(guān)管。功率開關(guān)管組7中n個功率開關(guān)管的正極分別接不可控二極管整流裝 置4.1 4.n的直流母線電壓輸出端，其負極均與功率三相橋9的直流母線 電壓正極相接。當(dāng)功率開關(guān)管組7接收的不可控二極管整流裝置4.1 4.n 提供的直流母線電壓中任一個電壓高于功率三相橋9的直流母線電壓時， 功率開關(guān)管組7導(dǎo)通，功率三相橋9的直流母線電壓被拉高，大小為不可 控二極管整流裝置4.1 4.n提供的直流母線電壓中最高的電壓值，高于本 案系統(tǒng)的給定電壓；當(dāng)功率開關(guān)管組7接收的不可控二極管整流裝置4.1 4.n提供的直流母線電壓全都不高于功率三相橋9的直流母線電壓時，功率 開關(guān)管組7不導(dǎo)通，功率三相橋9的直流母線電壓維持為給定電壓大小?？刂蒲b置8通過電流傳感器和電壓傳感器獲取不可控二極管整流裝置 4.1 4.n的輸入負載總電流、濾波裝置10的輸出補償電流、電網(wǎng)3的電動 勢電壓和功率三相橋9的直流母線電壓。根據(jù)獲取的參數(shù)控制產(chǎn)生開關(guān)信 號分別控制功率三相橋9的功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷?？刂蒲b置8的控制 流程如圖2所示，整個控制裝置分為電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制。電壓 外環(huán)控制，先檢測功率三相橋9的直流母線電壓；再進行電壓調(diào)節(jié)，將功 率三相橋9的直流母線電壓與系統(tǒng)給定電壓進行比較，若功率三相橋9的 直流母線電壓高于系統(tǒng)給定電壓，則系統(tǒng)工作在能量回饋狀態(tài)或同時工作 在能量回饋狀態(tài)、有源濾波和無功補償狀態(tài)兩種狀態(tài)，若功率三相橋9的 直流母線電壓不高于系統(tǒng)給定電壓則通過經(jīng)過電壓調(diào)整使其維持系統(tǒng)給定電壓，系統(tǒng)工作于有源濾波和無功補償狀態(tài)；電壓調(diào)節(jié)后確定基波大小， 只要有一個負載的不可控二極管整流裝置得直流母線電壓大于給定則系統(tǒng) 工作于能量回饋狀態(tài)，但系統(tǒng)還可以同時檢測諧波和無功補償信號對其他 負載進行有源和無功補償，若系統(tǒng)只工作在有源濾波和無功補償狀態(tài)則基 波有功電流大于0 (即與電網(wǎng)電動勢方向一致)，用于補償系統(tǒng)的工作損耗; 再將確定的基波有功電流作為給定電流信號參與到電流內(nèi)環(huán)中進行調(diào)節(jié)。 電流內(nèi)環(huán)控制，首先檢測電網(wǎng)3的電動勢電壓、不可控二極管整流裝置4 的輸入負載電流及本發(fā)明系統(tǒng)的輸出補償電流；從負載電流中分解出其中 的諧波和無功補償信號；再根據(jù)諧波和無功補償信號和電壓外環(huán)產(chǎn)生的基 波電流信號得到本發(fā)明系統(tǒng)的給定電流；將給定電流與實際檢測到的輸出 補償電流進行比較得到誤差電流信號；再經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器并對其進行調(diào)制 得到功率三相橋9中功率開關(guān)管的開關(guān)控制信號，從而控制功率三相橋9 中功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷。功率三相橋9向控制裝置8提供直流母線電壓大小，并且接受控制裝 置8對其功率開關(guān)管的控制，當(dāng)功率三相橋9的直流母線電壓低于不可控 二極管整流裝置4.1 4.n中任意一個裝置的直流母線電壓時，與該裝置相 連的功率開關(guān)管導(dǎo)通將直流母線電壓加到功率三相橋9的直流端，當(dāng)功率 三相橋9的直流母線電壓不低于不可控二極管整流裝置4.1 4.n中任意一 裝置的直流母線電壓時，通過控制裝置8的控制作用從電網(wǎng)3吸收能量使 功率三相橋9的直流母線電壓維持為系統(tǒng)給定電壓值。濾波裝置IO接受來自功率三相橋的補償電流，濾出系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧 波，將不含高次諧波的補償電流補償入電網(wǎng)3，減少高次諧波對電網(wǎng)的污染。圖3是圖1是本發(fā)明能量回饋及諧波無功補償系統(tǒng)的實例電路圖，下 面通過圖3再對本發(fā)明進行詳細的介紹。該實例是基于DSP的一個能量回饋及諧波無功補償系統(tǒng)實例。該實例 功率開關(guān)管組7選用的是二極管D7.1 D7.n;功率三相橋9采用三相半橋 結(jié)構(gòu)；為了有效的濾除與開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波，濾波器組10采取由電 感組成的濾波器結(jié)構(gòu)；控制裝置8由三部分組成8.1電流傳感器，8.2電壓 傳感器，8.3采用DSP的控制驅(qū)動板。二極管07.1 07.11的正極分別接在不可控二極管整流裝置的直流側(cè)穩(wěn) 壓電容Cl.l CLn的正極，二極管D7.1 D7.n的負極都接在功率三相橋直 流側(cè)的穩(wěn)壓電容C2的正極。在三相電路中為了防止裝置上電時直流側(cè)電容 電流沖擊，在直流側(cè)設(shè)計了軟啟動，當(dāng)電壓升高到一定值時，軟啟動開關(guān) 合上，軟啟動電阻短接。為了有效地濾除與開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波，在 三相橋的交流側(cè)每一相上都先串了一個電感再并了一個高通濾波器，然后 再接入電網(wǎng)補償負載電流。同時本發(fā)明能量回饋及諧波無功補償系統(tǒng)與不 可控二極管整流裝置共地線連接，即本發(fā)明能量回饋及諧波無功補償系統(tǒng) 是并聯(lián)接入原系統(tǒng)的?？刂葡到y(tǒng)8的三個部分之間的關(guān)系如下，8.1電流傳感器從不可控二極 管整流裝置4的輸入路徑和濾波裝置10流向電網(wǎng)的路徑分別獲取負載電流 k im和補償電流L， ieb， 8.2電壓傳感器從電網(wǎng)3和功率三相橋9的直流側(cè) 電容C2兩端分別獲取電網(wǎng)3的電動勢電壓和功率三相橋直流側(cè)穩(wěn)壓電容 C2兩端的電壓Vdc2，再將獲取的電流和電壓信號送入8.3采用DSP的控 制驅(qū)動板。通過控制板的控制作用得到功率三相橋中功率開關(guān)管的開關(guān)信 號S1 S6，再驅(qū)動功率三相橋中的功率開關(guān)管工作。
權(quán)利要求
1、一種適用于多組整流裝置的能量回饋及諧波無功補償系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括功率開關(guān)管組(7)、控制裝置(8)、功率三相橋(9)和濾波裝置(10)；功率開關(guān)管組(7)中n個功率開關(guān)管的正極分別接不可控二極管整流裝置(4.1～4.n)的直流母線電壓輸出端，其負極均與功率三相橋(9)的直流母線電壓正極相接，其中n為負載的個數(shù)；控制裝置(8)用于獲取不可控二極管整流裝置(4.1～4.n)的輸入負載的總電流，濾波裝置(10)輸出的補償電流和功率三相橋(9)的直流母線電壓，根據(jù)獲取的參數(shù)產(chǎn)生開關(guān)信號，分別控制功率三相橋(9)的功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷；功率三相橋(9)用于向控制裝置(8)提供直流母線電壓，根據(jù)控制裝置(8)提供的指令控制功率開關(guān)管的閉合，產(chǎn)生補償電流，并提供給濾波裝置(10)；濾波裝置(10)接受來自功率三相橋(9)的補償電流，濾出系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波，將補償電流補償入電網(wǎng)(3)，并將該電流信號提供給控制裝置(8)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于功率開關(guān)管組(7)中 的n個功率開關(guān)管均采用二極管，功率三相橋(9)采用三相半橋結(jié)構(gòu)，功 率三相橋(9)直流側(cè)的穩(wěn)壓電容負極與不可控二極管整流裝置(4.1 4.n) 的直流側(cè)穩(wěn)壓電容(C2)負極相連；濾波器組(10)采取由電感組成的濾 波器結(jié)構(gòu)，控制裝置(8)由電流傳感器(8.1)、電壓傳感器(8.2)和控制 驅(qū)動板(8.3)組成，電流傳感器(8.1)分別從不可控二極管整流裝置(4) 的輸入路徑和濾波裝置(10)流向電網(wǎng)的路徑獲取電流信號，電壓傳感器 (8.2)從電網(wǎng)(3)和功率三相橋(9)的直流側(cè)電容(C2)兩端獲取電壓 信號，控制驅(qū)動板(8.3)接收上述電流信號和電壓信號，產(chǎn)生功率三相橋 中功率開關(guān)管的開關(guān)信號，驅(qū)動三相橋中的功率開關(guān)管工作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于多組整流裝置的能量回饋及諧波無功補償系統(tǒng)，包括功率開關(guān)管組、控制裝置、功率三相橋和濾波裝置。功率開關(guān)管組中n個功率開關(guān)管的正極分別接整流裝置的直流母線電壓輸出端，其負極均與功率三相橋的直流母線電壓正極相接；控制裝置用于控制功率三相橋的功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷；功率三相橋根據(jù)控制裝置提供的指令控制功率開關(guān)管的閉合，產(chǎn)生補償電流；濾波裝置接受來自功率三相橋的補償電流，濾出系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波，將補償電流補償入電網(wǎng)，并將該電流信號提供給控制裝置。本發(fā)明可以實現(xiàn)對多組不可控二極管整流系統(tǒng)的能量回饋、有源濾波和無功補償功能。多組不可控二極管整流系統(tǒng)分別可以在不同的工作狀態(tài)下工作。
文檔編號H02J3/18GK101247073SQ20071016867
公開日2008年8月20日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者徐金榜, 沈安文 申請人:華中科技大學(xué)