一种新型无变压器三桥臂串联有源电压质量调节器及控制方法与流程

1.本发明涉及电能质量治理领域，具体涉及一种新型无变压器三桥臂串联有源电压质量调节器及控制方法。


背景技术：

2.无变压器的串联有源电压质量调节器，多应用于小功率的场合，其体积一般都要求很小，即功率密度要高，成本也是必须考虑的问题。同时如何提高有源电压质量调节器的补偿能力，也是一个永久努力的方向。对于目前存在的无论是dysc拓扑结构、还是背靠背的h桥以及pb-avqr的拓扑结构，统称为半桥型无变压器拓扑，其性能受限于半桥系统的特点，其输出纹波较大，需要较大的滤波参数，同时直流母线偏高，需要高耐压等级的igbt管子，以及需使用较多的直流侧电容；较高的母线电压致使整个系统的安规距离也需要加大，因此会增大设备的体积降低系统的功率密度。三个半桥igbt组成三桥臂拓扑，由于igbt管子数量较多具有成本偏高的问题。
3.如何解决上述存在的串联有源电压质量调节器存在的问题，是本领域技术人员致力于解决的事情。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种新型无变压器三桥臂串联有源电压质量调节器。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型无变压器三桥臂串联有源电压质量调节器，其拓扑结构主要包括主路和旁路，所述主路包括左桥臂、中间桥臂、右桥臂、电感l1、直流母线电容、无源滤波器,其中，所述左桥臂包括串联的二极管d1与二极管d2；所述中间桥臂包括串联的开关管v1和开关管v2，二极管d1的阴极与开关管v1的集电极连接，二极管d2的阳极与开关管v2的发射极连接，开关管v1的发射极或者开关管v2的集电极与电网的l线连接；所述右桥臂包括串联的开关管v3和开关管v4；所述电感l1的一端连接电网n线、另一端连接二极管d1的阳极或者二极管d2的阴极；所述直流母线电容为电容c1，电容c1的正极分别与开关管v1、开关管v3的集电极连接，负极分别与开关管v2、开关管v4的发射极连接；所述无源滤波器的一端与开关管v3的发射极或开关管v4的集电极连接、另一端与电网的l线连接；所述左桥臂、中间桥臂和电感l1构成主路的并联整流部分；所述中间桥臂、右桥臂及无源滤波器构成主路的串联逆变部分。
6.优选地，所述旁路由两个反并联晶闸管vt及一个接触器k组成，反并联晶闸管vt与
接触器k并联连接，旁路的一端与电网的l线连接、另一端与负载z
l
连接。
7.优选地，所述主路还包括二极管v
d1
和二极管v
d2
，所述二极管v
d1
和二极管v
d2
分别为开关管v1、开关管v2的反并联二极管。
8.优选地，所述无源滤波器包括滤波电感l2和滤波电容c2，滤波电感l2的一端与开关管v3的发射极或者开关管v4的集电极连接，另一端与电容c2及负载z
l
连接，滤波电容c2的另一端与电网的l线连接，滤波电容c2与旁路并联，负载z
l
的另一端与电网的n线连接。
9.作为一种具体的实施方式，所述开关管v1、开关管v2、开关管v3和开关管v4均采用了igbt开关管。
10.本发明的另一个目的是基于上述新型无变压器三桥臂串联有源电压质量调节器的控制方法，包括以下步骤：电源电压正半周时，开关管v2导通，此时电源电压vs通过路径v
2-d
2-l1对电感l1进行充电；当开关管v2关断时，开关管v1的反并联二极管v
d1
导通续流，电源电压vs与电感l1一起通过路径v
d1-c
1-d
2-l1对电容c1进行充电；电源电压负半周时，开关管v1导通，此时电源电压vs通过路径l1-ꢀ
d1-ꢀv1
对电感l1进行充电；当开关管v1关断时，开关管v2的反并联二极管v
d2
导通续流，电源电压vs与电感l1一起通过路径l
1-d
1-c1-ꢀvd2
对电容c1进行充电。
11.优选地，当电网电压正常时，旁路晶闸管v
t
先导通然后接触器k闭合晶闸管v
t
关断，此时为旁路运行状态；当电网电压偏离额定值一定范围时，控制器检测到偏离后关闭旁路投入主路的串联逆变部分，串联逆变部分输出在控制器的控制下输出偏离电压值，从而保证负载电压保持额定电压，此时为主路运行状态。
12.由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：1）左桥臂、中间桥臂之间形成图腾柱式pfc电路，在补偿电压母线电压下降时实现母线电压的抬升，确保系统的补偿性能，具有更大的补偿深度；2）本发明的拓扑结构具有更低的母线电压，因此可以使用低耐压等级的管子和减少母线电容的使用数量，有效的缩小系统的体积降低成本同时也可以提高系统的输出效率；3）采用本发明的拓扑结构，在补偿电压跌落的同时也可以实现一定电压谐波，保证电网供电的质量。
附图说明
13.图1是本发明新型无变压器三桥臂串联有源电压质量调节器的结构图；图2为本发明在电网电压正半周时升压电路的换流过程中开关管v2导通时的状态；图3为本发明在电网电压正半周时升压电路的换流过程中二极管v
d1
导通时的状态；图4为本发明在电网电压负半周时升压电路的换流过程中开关管v1导通时的状态；图5本发明在电网电压负半周时升压电路的换流过程中二极管v
d1
导通时的状态。
具体实施方式
14.下面结合附图及具体实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
15.一种新型无变压器三桥臂串联有源电压质量调节器，其拓扑结构主要包括主路和旁路。
16.参见图1所示，主路包括左桥臂、中间桥臂、右桥臂、电感l1、直流母线电容、无源滤波器,其中，左桥臂包括串联的二极管d1与二极管d2；中间桥臂包括串联的开关管v1和开关管v2，二极管d1的阴极与开关管v1的集电极连接，二极管d2的阳极与开关管v2的发射极连接，开关管v1的发射极或者开关管v2的集电极与电网的l线连接；右桥臂包括串联的开关管v3和开关管v4；电感l1的一端连接电网n线、另一端连接二极管d1的阳极或者二极管d2的阴极；直流母线电容为电容c1，电容c1的正极分别与开关管v1、开关管v3的集电极连接，负极分别与开关管v2、开关管v4的发射极连接；无源滤波器的一端与开关管v3的发射极或开关管v4的集电极连接、另一端与电网的l线连接。这里开关管v1、开关管v2、开关管v3和开关管v4均采用了igbt开关管。
17.这里，左桥臂、中间桥臂和电感l1构成主路的并联整流部分；中间桥臂、右桥臂及无源滤波器构成主路的串联逆变部分。
18.该主路还包括二极管v
d1
和二极管v
d2
，二极管v
d1
和二极管v
d2
分别为开关管v1、开关管v2的反并联二极管。
19.这里，无源滤波器包括滤波电感l2和滤波电容c2，滤波电感l2的一端与开关管v3的发射极或者开关管v4的集电极连接，另一端与电容c2及负载z
l
连接，滤波电容c2的另一端与电网的l线连接，滤波电容c2与旁路并联，负载z
l
的另一端与电网的n线连接。
20.该旁路由两个反并联晶闸管vt及一个接触器k组成，反并联晶闸管vt与接触器k并联连接，旁路的一端与电网的l线连接、另一端与负载z
l
连接。
21.此拓扑结构，左桥臂与中间桥臂可以组成图腾柱式的pfc电路，一方面可以实现母线电压的抬升，一方面可以实现并联整流侧的功率因数的校正。
22.中间桥臂和右桥臂组成的h桥进行电压逆变，不同的调制方式对母线电压的升压效果也有所不同，本发明h桥控制采用不连续的单极性spwm调制方式，中间桥臂为高频桥臂，右桥臂为工频桥臂。当调制波大于载波时中间桥臂的下管v2导通，反之上管v1导通，当调制波大于0时，右桥臂的上管v3导通，反之下管v4导通。
23.具体的，如图2至5所示，以左桥臂、中间桥臂为例说明pfc原理。
24.当电源电压正半周时，如图2所示，开关管v2导通，此时电源电压vs通过路径v
2-d
2-l1对电感l1进行充电；当开关管v2关断时，如图3所示，因为电感电流不能突变，开关管v1的反并联二极管v
d1
导通续流，电源电压vs与电感l1一起通过路径v
d1-c
1-d
2-l1对电容c1进行充电。即图2中开关周期电感储存的能量在图3转移到电容c1中，电感电流下降；此过程是完整的boost电路过程。
25.当电源电压负半周时，如图4所示，开关管v1导通，此时电源电压vs通过路径l1-ꢀ
d1-ꢀv1
对电感l1进行充电；当开关管v1关断时，如图5所示，因为电感电流不能突变，开关管v2的反并联二极管v
d2
导通续流，电源电压vs与电感l1一起通过路径l
1-d
1-c1-ꢀvd2
对电容c1进行充电，也即图4所示的开关周期电感储存的能量在图5中转移到电容c1中，电感电流下降；此过程是完整的boost电路过程。电源电压正半周与负半周的情况是一样的，如果开关管v1、开关管v2按照正弦信号进行调制，就是完全的pfc电路。
26.显然，在低电压的同相补偿工况下，此三桥臂拓扑结构的中间桥臂、右桥臂组成h桥进行逆变，实施缺口电压补偿，两个半桥按照与电网电压同相的正弦信号进行调制，中间桥臂、右桥臂会自然的与左桥臂完成pfc电路的功能，一方面进行并联侧功率因数的校正，
一方面进行母线电容的充电。
27.另外，在实际运行过程中，当电网电压正常时，旁路晶闸管v
t
先导通然后接触器k闭合晶闸管v
t
关断，旁路投入保证后级供电，此状态称之为旁路状态；当电网电压偏离额定值一定范围时，控制器检测到偏离，将会关闭旁路投入串联逆变部分，串联逆变部分输出在控制器的控制下输出偏离电压值，从而保证负载电压保持额定电压，此状态称之为主路运行状态。在主路运行状态下，如果进行低电压补偿，串联逆变器采用同相补偿策略，如果进行高电压补偿，串联逆变器采用移相控制策略。
28.本发明提出的拓扑结构，左桥臂与中间桥臂可形成图腾柱式pfc电路，在补偿电压母线电压下降时实现母线电压的抬升，能够确保系统的补偿性能，具有更大的补偿深度。
29.另外本发明提出的拓扑结构具有更低的母线电压，因此可以使用低耐压等级的管子和减少母线电容的使用数量，有效的缩小系统的体积降低成本同时也可以提高系统的输出效率。
30.该新型无变压器三桥臂串联有源电压质量调节器采用不连续单极性调制方式及电压、电流双闭环控制，电压环调节采用重复控制 比例控制，利用重复控制的内膜原理可以消除交流信号的静态误差，实现输出信号对输入信号的无差跟踪；电流环调节采用比例控制，来提高系统的开环增益；电压跌落的同时也可以实现一定电压谐波，保证电网供电的质量。
31.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。