專利名稱：一種無源均壓控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力設備技術(shù)領(lǐng)域中的控制電路，特別是關(guān)于一種用于控制級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)中直流電容電壓不均衡的無源均壓控制電路。
背景技術(shù)：
隨著日常生產(chǎn)和生活對供電質(zhì)量要求的逐漸提高，電網(wǎng)無功補償以及諧波治理等越來越受到重視。同時，近年來電力電子技術(shù)快速向前發(fā)展，對于中壓配電網(wǎng)的無功和諧波治理技術(shù)正處于重點研發(fā)中。對于6KV 35KV的電壓等級，H橋級聯(lián)拓撲由于結(jié)構(gòu)簡潔，模塊性強，無需變壓器就可以實現(xiàn)直接并網(wǎng)，是一個比較合適的選擇?；贖橋級聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的STATC0M(靜止無功補償發(fā)生器)已有應用，并逐漸在推廣，基于H橋級聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的 APF(有源濾波器)也在研發(fā)當中。對于無功補償和諧波治理來說，裝置與電網(wǎng)并不需要交換有功功率，僅需從電網(wǎng)獲取由于器件和寄生參數(shù)等產(chǎn)生的損耗所需的有功功率，對于級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)的這類設備，由于每個級聯(lián)單元的直流側(cè)電容處于懸浮狀態(tài)，因此由于以下主要原因會造成電容電壓不均衡1、半導體電力開關(guān)觸發(fā)脈沖不理想。2、單元之間器件參數(shù)與電路中的寄生參數(shù)不一致。3、調(diào)制方法和死區(qū)設置使得每級的觸發(fā)脈沖可能不一樣。對于電容電壓不均衡問題，可以通過硬件和軟件的措施來進行抑制。目前，硬件均壓方法往往采用附加輔助逆變器等構(gòu)成輔助均壓回路，控制級間能量傳輸，實現(xiàn)均壓控制，附加電路需要專門檢測、控制、驅(qū)動等電路，比較復雜，可靠性低，成本高；軟件均壓是比較理想的手段，效率高，通過對每級H橋單元主逆變橋占空比的調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)一定程度的功率調(diào)節(jié)，使得直流側(cè)電壓能夠趨于均衡，但是需要為每個H橋單元設置專門電壓檢測、控制、通信等電路，當級聯(lián)H橋單元數(shù)目比較多時，對每個H橋單元的直流電壓控制會明顯增加軟件計算量，不利于軟件運行速度的提高，尤其對于APF來說，動態(tài)響應速度要求很高，會受到影響，甚至諧波補償效果變差。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高、效率較高，能實現(xiàn)充電啟動無沖擊并網(wǎng)的無源均壓控制電路。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種無源均壓控制電路，其特征在于它包括級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置，所述級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置中每相級聯(lián)電路均包括N級串聯(lián)的H橋單元，每個所述H橋單元均由整流器和逆變器組成，每個所述H橋單元上均連接一個單相隔離變壓器；所述每相級聯(lián)電路中，每個所述單相隔離變壓器的輸入端連接一級所述H橋單元中逆變器的交流輸出端，所述單相隔離變壓器的輸出端連接下一級所述H橋單元中整流器的輸入端，最后一級所述單相隔離變壓器輸出端連接第一級所述H橋單元中整流器的輸入端；所述每相級聯(lián)電路中，在任意一級所述整流器的輸出端并聯(lián)一個充電整流器；所述充電整流器的交流輸入端經(jīng)一充電隔離變壓器連接充電回路。
所述充電回路包括三相充電電源、三個充電限流電阻以及兩個三相控制開關(guān)；所述三相充電電源的輸出端依次串聯(lián)第一個所述控制開關(guān)和第二個所述控制開關(guān)，第二個所述控制開關(guān)并聯(lián)所述三個充電限流電阻后，分別與三個所述充電隔離變壓器的初級繞組串聯(lián)后接入所述充電回路。所述充電回路采用同步充電方式或順序充電方式。所述充電隔離變壓器包括初級繞組和整流繞組，所述初級繞組采用星形結(jié)構(gòu)或三角形結(jié)構(gòu)后，再連接所述充電回路，所述整流繞組連接所述整流器的輸出端。每個所述單相隔離變壓器均包括初級繞組和整流繞組，所述初級繞組連接所述H橋單元中逆變器的輸出端，所述整流繞組連接下一級所述H橋單元中整流器的輸入端。所述單相隔離變壓器共設置有NX3個，其中，N為所述級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置中H·橋單元的級聯(lián)數(shù)。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于采用在級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置中級聯(lián)的H橋單元上設置有單相隔離變壓器，每個單相隔離變壓器的輸入端與上一級的H橋單元輸出端連接，單相隔離變壓器的輸出端與下一級的H橋單元輸入端連接，最后一級的單相隔離變壓器的輸出端連接第一級的H橋單元輸入端，形成環(huán)形電路，無需設置輔助逆變器和檢測、控制及通信等電路，其電路拓撲簡潔。2、本發(fā)明由于只利用變壓器和整流器，開關(guān)損耗小，隨著主電路工作而工作，電路效率較高。3、本發(fā)明由于只采用單相隔離變壓器與整流器進行能量的傳輸與隔離、處理不平衡功率，相對于輔助逆變器來說可靠性大大增加，并且沒有檢測與控制環(huán)節(jié)，對溫度過高、過載等惡劣工況承受能力強。因此，實現(xiàn)了高可靠性的同時，也大大節(jié)省了成本。4、本發(fā)明由于在任意一級H橋單元中的整流器上并聯(lián)一充電整流器，充電整流器經(jīng)充電隔離變壓器連接充電回路，進而通過充電回路實現(xiàn)了無源均壓控制電路的充電啟動無沖擊并網(wǎng)。本發(fā)明可以廣泛應用于直流電容電壓不均衡的級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)中。


圖I是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，其中，N = 4 ；圖2是本發(fā)明的整流器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出一種應用于H橋級聯(lián)靜止無功發(fā)生器(STATC0M)、有源濾波器(APF)、類似混合裝置以及級聯(lián)式直流側(cè)電容懸浮狀況的裝置的無源均壓控制電路，具體是采用隔離變壓器和單相整流器實現(xiàn)直流側(cè)電容均壓的控制，該無源均壓電路可以解決基于H橋級聯(lián)拓撲的STATC0M或APF存在的直流電容電壓不均衡問題，并且可以實現(xiàn)裝置的充電啟動無沖擊并網(wǎng)。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖I所示，本發(fā)明包括現(xiàn)有技術(shù)中存在直流側(cè)電容懸浮狀況的級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置，其中，級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置中每相級聯(lián)電路均包括N級串聯(lián)的H橋單元，每個H橋單元均由整流器I和逆變器2組成，并且每個H橋單元上均連接一個單相隔離變壓器3，共設置有NX3個單相隔離變壓器3。在每相級聯(lián)電路中，每個單相隔離變壓器3的輸入端連接一級H橋單元中逆變器2的交流輸出端，單相隔離變壓器3的輸出端連接下一級H橋單元中整流器I的直流輸入端，最后一級單相隔離變壓器3輸出端連接第一級H橋單元中整流器I的直流輸入端，構(gòu)成環(huán)形均壓回路。在每相級聯(lián)電路中，可以在位于最后一級或其中任意一級H橋單元的整流器I的輸出端并聯(lián)一個充電整流器4,用于充電啟動的能量傳輸和電氣隔離。充電整流器4的交流輸入端經(jīng)一充電隔離變壓器5連接充電回路6，通過充電回路6可以實現(xiàn)本發(fā)明的無源均壓控制電路的充電啟動無沖擊并網(wǎng)。其中，充電隔離變壓器5包括初級繞組和整流繞組，其中初級繞組可以連接為星形或三角形后，再連接充電回路6，整流繞組連接整流器I的輸出端。充電電源經(jīng)充電隔離變壓器5和充電整流器4整流后的的直流電壓與級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置中H橋單元直流電
壓工作值相等。充電隔離變壓器5的兩個繞組之間需要絕緣電壓與主電電網(wǎng)電壓水平相配。如圖I所示，上述各實施例中，充電回路6包括三相充電電源U、三個充電限流電阻Ra、Rb和R。以及兩個三相控制開關(guān)I、K2。三相充電電源U的輸出端依次串聯(lián)第一個控制開關(guān)K1和第二個控制開關(guān)K2，第二個控制開關(guān)K2并聯(lián)三個充電限流電阻Ra、Rb和R。后，分別與三個充電隔離變壓器5的初級繞組串聯(lián)后接入充電回路6，從而實現(xiàn)軟充電。其中，第一個控制開關(guān)K1控制充電回路6的總開通與關(guān)斷，第二個控制開關(guān)K2作為旁路開關(guān)。充電回路6具有同步充電和順序充電兩種充電方式，其每一種充電方式的充電原理如下(I)同步充電在設備要啟動時，各個H橋單元的直流電壓為零，此時利用級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置的主電路逆變功能，每個H橋單元工作在逆變狀態(tài)，由于沒有直流電壓，故并不會有電流產(chǎn)生，此時閉合第一個控制開關(guān)K1，充電電壓會經(jīng)過三個充電限流電阻Ra、Rb和R。加到三個充電隔離變壓器5上，充電隔離變壓器5的整流繞組經(jīng)整流器I后對該級H橋單元充電，同時該級H橋單元主電路經(jīng)逆變器2逆變后會對下一級H橋單元充電，以此類推，實現(xiàn)整個電路的充電。當充電注入H橋單元的直流電壓接近工作電壓時，作為旁路開關(guān)的第二個控制開關(guān)K2閉合，將三個充電限流電阻Ra、Rb和R。旁路，最終將每個H橋單元直流側(cè)電壓充到工作電值。此時級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置的主電路可以合閘并網(wǎng)，并網(wǎng)后可以跳開兩個控制開關(guān)I、K2,切除充電回路6。(2)順序充電設備啟動時，各個H橋單元主電路均處在關(guān)斷狀態(tài)，或者PWM封鎖狀態(tài)。閉合第一個控制開關(guān)K1，充電回路6會對充電注入H橋單元(圖I中第一級H單元)進行充電，當其直流電壓接近工作值時，閉合第二個控制開關(guān)K2，直流側(cè)電壓會很快達到工作電壓(稍加延時)，穩(wěn)定后開通該H橋單元主橋PWM逆變功能，使PWM調(diào)制波從零緩慢增大(即可以采用工頻正弦調(diào)制，調(diào)制波的幅值從零緩慢增大)，即實現(xiàn)對下一級H橋單元的軟充電，穩(wěn)定之后，下一級H橋單元主橋也能實現(xiàn)主橋PWM逆變功能，PWM調(diào)制波逐漸增大，以此類推，最終實現(xiàn)所有H橋單元的充電。當所有H橋單元電壓均達到工作值后，級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置的主電路可以合閘，并網(wǎng)，并網(wǎng)后可以跳開兩個控制開關(guān)H2，切除充電回路6。兩種充電方式中，只需在充電H橋單元與其前一 H橋單元的直流側(cè)設置電壓傳感器，不需要增加過多電壓傳感器；或只需一組連接充電注入單元的直流電壓傳感器，其它環(huán)節(jié)通過延時實現(xiàn)，設備并網(wǎng)工作時，可以只使用一級直流電壓傳感器，進行主功能控制。前一種同步充電方式適合最終運行啟動時，后一種順序充電方式適合調(diào)試階段，尤其是初次上電時。上述實施例中，每個單相隔離變壓器3均包括初級繞組和整流繞組兩個繞組，初級繞組連接H橋單元中逆變器2的輸出端，整流繞組連接下一級H橋單元中整流器I的輸入端。兩個繞組之間需要絕緣電壓與電網(wǎng)電壓水平相配。對于有相同H橋單元直流電壓為η η型的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，單相隔離變壓器參數(shù)相同，初級與繞組與整流繞組變比為η η ;對于H橋單元直流電壓為η m的結(jié)構(gòu)，相對應的單相隔離變壓器變比為η m。如圖2所示，上述各實施例中，每個整流器I均包括一個由四個整流二極管D1 D4構(gòu)成的單相整流橋、一個濾波電抗器Lf和一組濾波電容(圖中未示出)，該濾波電容也可以采用H橋直流電容代替。整流器I中的濾波電抗器可以選取感值較小的鐵芯或鐵氧體磁芯的電感。整流器I將單相隔離變壓器3整流繞組輸出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。上述各實施例中，本發(fā)明的無源均壓控制電路可以應用于H橋級聯(lián)靜止無功發(fā)生器(STATC0M)、有源濾波器(APF)、混合裝置以及級聯(lián)式直流側(cè)電容懸浮狀況的裝置中。 綜上所述，本發(fā)明在使用時，在級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置的主電路工作過程中，所有H橋單元的逆變器2全部工作在逆變狀態(tài)，每個H橋單元輸出電壓直接加到該H橋單元連接的單相隔離變壓器3初級繞組上，如果出現(xiàn)某級H橋單元直流電壓Vtkj (如第j級)由于某些原因變高，該H橋單元逆變輸出的PWM電壓幅值也會增大，即作用在其交流側(cè)連接的單相隔離變壓器3的電壓幅值Vac;jl就會變高，其單相隔離變壓器3整流繞組輸出電壓Vac;j2 (PWM型)會跟著變高，經(jīng)過整流器I取幅值后，得到的幅值電壓也是較高，而與整流繞組連接下一 H橋單元直流電壓Vdc^1如果低于上一 H橋單元，則會有電流從整流器I中流入該H橋單元直流側(cè)，即有功率注入該H橋單元直流側(cè)，實現(xiàn)升壓，而上一 H橋單元就相應有功率送出，實現(xiàn)降壓；反之，如果某一 H橋單元的直流電壓降低，則會有功率從其上一級H橋單元送出，該H橋單元的直流電壓會升高，得到電壓不均衡的抑制。對于每相級聯(lián)電路而言，位于最下層H橋單元的單相隔離變壓器3整流側(cè)連接到最上層H橋單元直流側(cè)，從而整個均壓回路構(gòu)成一個環(huán)路，環(huán)路中無論哪里的直流電壓偏出平均值的情況，環(huán)路中就會出現(xiàn)單向功率流而抑制電壓的偏差，最終趨于比較均衡。系統(tǒng)在并網(wǎng)條件下，狀態(tài)從停止轉(zhuǎn)為運行或運行轉(zhuǎn)為停止，均壓電路始終處于工作狀態(tài)，不影響設備狀態(tài)的直接切換。系統(tǒng)工作時，由于工況不同，逆變器2輸出電壓基波量會被調(diào)節(jié)，可能基波量的幅值小于或大于直流電壓值，但是單相隔離變壓器3會將大部分電壓諧波傳輸?shù)秸鱾?cè)繞組，使得整流側(cè)繞組的開路電壓波形也是PWM型，整流橋的有幅值檢測功能，因此只會判斷整流繞組的電壓波形幅值，而不會完全等效于PWM中基波分量整流，在較短時間內(nèi)，實現(xiàn)所有H橋單元直流電壓的均衡。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的結(jié)構(gòu)和連接方式都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件的連接和結(jié)構(gòu)進行的改進和等同變換，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種無源均壓控制電路，其特征在于它包括級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置，所述級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置中每相級聯(lián)電路均包括N級串聯(lián)的H橋單元，每個所述H橋單元均由整流器和逆變器組成，每個所述H橋單元上均連接一個單相隔離變壓器；所述每相級聯(lián)電路中，每個所述單相隔離變壓器的輸入端連接一級所述H橋單元中逆變器的交流輸出端，所述單相隔離變壓器的輸出端連接下一級所述H橋單元中整流器的輸入端，最后一級所述單相隔離變壓器輸出端連接第一級所述H橋單元中整流器的輸入端； 所述每相級聯(lián)電路中，在任意一級所述整流器的輸出端并聯(lián)一個充電整流器；所述充電整流器的交流輸入端經(jīng)一充電隔離變壓器連接充電回路。
2.如權(quán)利要求I所述的一種無源均壓控制電路，其特征在于所述充電回路包括三相充電電源、三個充電限流電阻以及兩個三相控制開關(guān)；所述三相充電電源的輸出端依次串聯(lián)第一個所述控制開關(guān)和第二個所述控制開關(guān)，第二個所述控制開關(guān)并聯(lián)所述三個充電限流電阻后，分別與三個所述充電隔離變壓器的初級繞組串聯(lián)后接入所述充電回路。
3.如權(quán)利要求I所述的一種無源均壓控制電路，其特征在于所述充電回路采用同步充電方式或順序充電方式。
4.如權(quán)利要求2所述的一種無源均壓控制電路，其特征在于所述充電回路采用同步充電方式或順序充電方式。
5.如權(quán)利要求I或2或3或4所述的一種無源均壓控制電路，其特征在于所述充電隔離變壓器包括初級繞組和整流繞組，所述初級繞組采用星形結(jié)構(gòu)或三角形結(jié)構(gòu)后，再連接所述充電回路，所述整流繞組連接所述整流器的輸出端。
6.如權(quán)利要求I或2或3或4所述的一種無源均壓控制電路，其特征在于每個所述單相隔離變壓器均包括初級繞組和整流繞組，所述初級繞組連接所述H橋單元中逆變器的輸出端，所述整流繞組連接下一級所述H橋單元中整流器的輸入端。
7.如權(quán)利要求5所述的一種無源均壓控制電路，其特征在于每個所述單相隔離變壓器均包括初級繞組和整流繞組，所述初級繞組連接所述H橋單元中逆變器的輸出端，所述整流繞組連接下一級所述H橋單元中整流器的輸入端。
8.如權(quán)利要求I或2或3或4所述的一種無源均壓控制電路，其特征在于所述單相隔離變壓器共設置有NX 3個，其中，N為所述級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置中H橋單元的級聯(lián)數(shù)。
9.如權(quán)利要求5所述的一種無源均壓控制電路，其特征在于所述單相隔離變壓器共設置有NX 3個，其中，N為所述級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置中H橋單元的級聯(lián)數(shù)。
10.如權(quán)利要求6所述的一種無源均壓控制電路，其特征在于所述單相隔離變壓器共設置有NX 3個，其中，N為所述級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置中H橋單元的級聯(lián)數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無源均壓控制電路，其特征在于它包括級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置，級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)裝置中每相級聯(lián)電路均包括N級串聯(lián)的H橋單元，每個H橋單元均由整流器和逆變器組成，每個H橋單元上均連接一個單相隔離變壓器；每相級聯(lián)電路中，每個單相隔離變壓器的輸入端連接一級H橋單元的交流輸出端，單相隔離變壓器的輸出端連接下一級H橋單元直流輸入端，最后一級單相隔離變壓器輸出端連接第一級H橋單元的輸入端；每相級聯(lián)電路中，在任意一級整流器的輸出端并聯(lián)一個充電整流器；充電整流器的交流輸入端經(jīng)一充電隔離變壓器連接充電回路。本發(fā)明具有電路拓撲簡潔、可靠性高及效率高等特點，可以廣泛應用于直流電容電壓不均衡的級聯(lián)逆變拓撲結(jié)構(gòu)中。
文檔編號H02J7/02GK102891617SQ201110200049
公開日2013年1月23日 申請日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者姜新建, 高聰哲, 李永東 申請人:清華大學