CN102315779A

CN102315779A - 基于ac/ac斩波器的串联型电能质量补偿器

Info

Publication number: CN102315779A
Application number: CN2010102222179A
Authority: CN
Inventors: 张广明; 嵇保健; 洪峰; 窦迅; 汤斐挺
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-01-11

Abstract

本发明是基于AC/AC斩波器的串联型电能质量补偿器，由AC/AC斩波器电路、补偿变压器、输出滤波电路构成。主要优点有：无调感式补偿器的电抗器，且补偿变压器工作在高频调制状态，减小整体的体积重量；对输出电压进行无极平滑调节，动态响应快；对输出电压的瞬时值进行控制，输出电压波形正弦质量高，对外界电网电压闪变、谐波等具有抑制作用；电路结构简单，易于实现，在AC/AC电路中属于使用器件较少的，电路开销小。

Description

基于AC/AC斩波器的串联型电能质量补偿器

一、技术领域

本发明涉及一种基于AC/AC斩波器的串联型电能质量补偿器，属于电能变换装置中的交流稳压器。

二、背景技术

我国外界电网电压波动较大，存在着各种干扰，特别是近年来随着国民经济的发展，用电需求量急速上升，电力电子装置等非线性设备的逐渐普及给电网产生了严重的谐波污染，严重影响仪器设备及家用电器的正常工作，因此，交流稳压器就成为许多重要设备必不可少的供电设备。目前实际应用的交流稳压器种类很多，包括磁饱和稳压器、参数型稳压器和补偿式稳压器，其中补偿式稳压器使用最为广泛，又可分为：接触式调压器和可控硅或继电器调感的补偿式交流稳压器等。其中磁饱和稳压器体积大、重量重、效率低。参数型稳压器在启动过程会引起输出电压大的波动，其波动电压可达到两倍输出电压；由于电感的存在，在接通或断开同一交流稳压器的负载时，会严重干扰其他设备。接触式调压器使用伺服电机改变调压器的二次电压来改变补偿电压，反应速度慢，主要问题是由于有触点，机械传动系统噪声大、易磨损、体积大、成本高、维修困难。晶闸管或继电器调感的补偿式交流稳压器在稳压精度和效率上较磁饱和稳压器有了很大提高，但仍然采用重量重和体积大的电抗器作主调回路；采用继电器调感的补偿式交流稳压器仍然有机械触点存在，而采用晶闸管调感的交流稳压器在调节过程中容易产生晶闸管共态导通，使晶闸管损坏；并且这种调感式的交流稳压器的输出电压为有极调节，输出电压不平滑，仅能调节有效值，对输入电压波形畸变并没有调节或抑制能力，不能调节输出电压的正弦度。总之，目前应用的各种交流稳压器均存在着明显的缺陷，特别是不能有效地消除各种电磁扰动，这成为我国电源技术工作者面临的重大课题。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种无触点能实现输出电压快速平滑调节且具有波形调节能力的电能质量补偿器。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的基于AC/AC斩波器的串联型电能质量补偿器，包括AC/AC斩波器电路1、补偿变压器2和滤波电路3；AC/AC斩波器电路1包括第一双向开关Q₁、第二双向开关Q₂、第三双向开关Q₃、第四双向开关Q₄、桥臂输出滤波电容C_c；滤波电路3包括输出滤波电感L_f、输出滤波电容C_f；AC/AC斩波器电路1的输入端接外界电网电压u_i，AC/AC斩波器电路1的输出端接补偿变压器2的原边，补偿变压器2的副边串联在外界电网电压u_i的输出端和滤波电路3之间，滤波电路3的输出接外界负载Z。本发明的基于AC/AC斩波器的串联型电能质量补偿器的特征在于，AC/AC斩波器电路1中，第一双向开关Q₁的一端和第二双向开关Q₂的一端连接于第一桥臂中点A，构成第一桥臂，第三双向开关Q₃的一端和第四双向开关Q₄的一端连接于第二桥臂中点B，构成第二桥臂；第一双向开关Q₁的另一端和第三双向开关Q₃的另一端连接到外界电网电压u_i的输出端，第二双向开关Q₂的另一端和第四双向开关Q₄的另一端连接到外界电网电压的负极即“地”，桥臂输出滤波电容C_c的一端连到第一桥臂中点A，桥臂输出滤波电容C_c的另一端连到第二桥臂中点B；补偿变压器2的原边第一端(p₁)和补偿变压器2的副边第一端s₁为同名端，补偿变压器2的原边第二端p₂和补偿变压器2的副边第二端s₂为同名端；补偿变压器2的原边第一端p₁连到第一桥臂中点A，补偿变压器2的原边第二端p₂连到第二桥臂中点B，补偿变压器2的副边第二端s₂连到外界电网电压u_i的输出端，补偿变压器2的副边第一端s₁连到输出滤波电感L_f的一端；输出滤波电感L_f的另一端和输出滤波电容C_f的一端相连，构成输出滤波电路3，输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f的连接点接外界负载Z的一端，输出滤波电容C_f的另一端和外界负载Z的另一端同时接“地”。

3、有益效果：本发明具有如下优点：采用交交直接变换的AC/AC斩波器电路完成电压补偿，既能完全完成所需功能又简化了电路。若采用传统的AC/DC加DC/AC的两级电路结构构建补偿单元，两级电路都需能够双向流通能量，需分别加以控制和判断，又需整体协调控制，需对直流母线电压进行稳压，电路结构和控制上都十分复杂，开销大；通过对AC/AC斩波器工作桥臂的选择，可以很方便地选择进行正补偿还是负补偿。而这在使用两级式结构时实现起来十分复杂；根据输入电压瞬时值计算占空比调节补偿电压，该方法使得输出电压的瞬时值也能得到控制，补偿器对输入电压的闪变、畸变等都能进行补偿和抑制，这在补偿单元采用两级式结构时也可以做到但实现算法复杂，而调感式稳压器等传统交流稳压器只能控制输出电压的有效值；本发明完全采用电子开关，无机械切换触点；采用AC/AC变换电路作为补偿电路，使用器件少，没有调感式补偿器的电抗器，且补偿变压器工作高频调制状态，这些都极大地减小整体的体积重量；电路结构和控制算法都比较简单，易于实现；对输出电压进行无极平滑调节，动态响应快；对输出电压的瞬时值进行控制，输出电压波形正弦质量很高，对外界电网电压闪变、谐波等具有抑制作用。

4、附图说明

附图1是基于AC/AC斩波器的串联型电能质量补偿器电路结构示意图。

附图2是双向开关实际构造图。

附图3是开关模态I示意图。

附图4是开关模态II示意图。

附图5是开关模态III示意图。

附图6是开关模态IV示意图。

附图7是基于AC/AC斩波器的串联型电能质量补偿器采用的控制框图。

附图中，1是AC/AC斩波器电路、2是补偿变压器、3是滤波电路；A是第一桥臂中点，即第一双向开关Q₁和第二双向Q₂的连接点；B是第二桥臂中点，即第三双向开关Q₃和第四双向开关Q₄的连接点；C_c是桥臂输出滤波电容；C_f是输出滤波电容；i_o是输出电流；L_f是输出滤波电感；p₁～p₂是补偿变压器原边两端；Q₁～Q₄是第一～第四双向开关；s₁～s₂是补偿变压器副边两端；u_AB是桥臂电压，即第一桥臂中点A和第二桥臂中点B之间的电压；u_c是补偿电压，即补偿变压器2副边电压，补偿变压器2的原副边匝比为n，u_c＝u_AB/n；u_i是补偿变压器输入电压，即外界电网电压；u_o是本发明的基于AC/AC斩波器的串联型电能质量补偿器的输出电压；u_r是AC/AC斩波器电路的电压基准；u_s是补偿变压器2输出电压即滤波前电感，u_s＝u_i-u_c；u_sin是输出电压基准，即理想电压；u_Z是线路阻抗上的压降；Z是外界负载。

四、具体实施方式

如附图1所示，其结构是AC/AC斩波器电路1的输入端接外界电网电压u_i，AC/AC斩波器电路1的输出端接补偿变压器2的原边，补偿变压器2的副边串联在外界电网电压u_i的输出端和滤波电路3之间，滤波电路3的输出接外界负载Z；AC/AC斩波器电路1中，第一双向开关Q₁的一端和第二双向开关Q₂的一端连接于第一桥臂中点A，构成第一桥臂，第三双向开关Q₃的一端和第四双向开关Q₄的一端连接于第二桥臂中点B，构成第二桥臂；第一双向开关Q₁的另一端和第三双向开关Q₃的另一端连接到外界电网电压u_i的输出端，第二双向开关Q₂的另一端和第四双向开关Q₄的另一端连接到外界电网电压的负极即“地”，桥臂输出滤波电容C_c的一端连到第一桥臂中点A，桥臂输出滤波电容C_c的另一端连到第二桥臂中点B；补偿变压器2的原边第一端(p₁)和补偿变压器2的副边第一端s₁为同名端，补偿变压器2的原边第二端p₂和补偿变压器2的副边第二端s₂为同名端；补偿变压器2的原边第一端p₁连到第一桥臂中点A，补偿变压器2的原边第二端p₂连到第二桥臂中点B，补偿变压器2的副边第二端s₂连到外界电网电压u_i的输出端，补偿变压器2的副边第一端s₁连到输出滤波电感L_f的一端；输出滤波电感L_f的另一端和输出滤波电容C_f的一端相连，构成输出滤波电路3，输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f的连接点接外界负载Z的一端，输出滤波电容C_f的另一端和外界负载Z的另一端同时接“地”。

如附图2所示，其结构是第一～第四双向开关Q₁～Q₄的具体构造，是通过将两个MOS型器件的阴极相连构成，两个MOS型器件的阳极作为双向开关的两端。

本发明的基于AC/AC斩波器的串联型电能质量补偿器的工作原理是：工作时，由于补偿变压器串联在输入与负载之间，本补偿器的输出电压为外界电网电压u_i减去补偿电压u_c经滤波得到，AC/AC斩波器工作于PWM调制方式，产生的高频电压调制波即补偿电压u_c与外界电网电压谐波含量大小相等、方向相反，补偿变压器工作时相当于一个受控电压源，补偿电压u_c与外界电网电压谐波相互抵消，达到补偿谐波电压的目的，经滤波后得到幅值稳定、正弦度很高的输出电压。AC/AC斩波器采用全桥拓扑结构，产生补偿电压，AC/AC斩波器采用双向开关，可四象限运行，实现能量双向流动；当Q₄保持闭合，Q₃保持断开，第一桥臂调制工作时，AC/AC斩波器输出电压极性与输入电压极性相同，当Q₂保持导通，Q₁保持断开，第二桥臂)调制工作时，AC/AC斩波器输出电压极性与输入电压极性相反，因而既可以对外界电网电压进行负补偿，在外界电网电压高于理想电压时将其减去一个差值，也可以对外界电网电压进行正补偿，在外界电网电压低于理想电压时将其加上一个增量。AC/AC斩波器输出电压的大小通过PWM调制进行调节，AC/AC斩波器的输出同输入成比例，比例系数即占空比。将输入电压的瞬时值和所需理想正弦波(即输出电压基准)的差值(即输入电压谐波含量)作为全桥AC/AC斩波器电压基准来计算占空比，得到的全桥AC/AC斩波器输出电压即完全跟踪输入电压谐波含量，则外界电网电压和全桥AC/AC斩波器的输出电压做差后得到的补偿器输出电压将同理想正弦波完全相等。实际上考虑线路阻抗和滤波电感上也有一部分很小的压降，可采样输出电流计算线路压降对全桥AC/AC斩波器电压基准进行一定补偿。

下面以附图1为主电路结构，结合附图3～附图6来叙述本发明的基于AC/AC斩波器的串联型电能质量补偿器的具体工作模态。本发明的基于AC/AC斩波器的串联型电能质量补偿器包括附图3～附图6所示的四个开关模态。

在电网电压大于理想电压时，需要进行负补偿以降低输入的电网电压。此时第一桥臂调理工作。第二桥臂不工作，第三开关S₃保持闭合，第四开关S₄保持断开。此时电路主要包括两个工作模态：

如附图3所示的开关模态I，第一双向开关Q₁开通，第二双向开关Q₂关断，桥臂输出电压即为外界电网电压：u_AB＝u_i，补偿变压器2的原副边匝比为n，其副边输出即补偿电压u_c＝u_AB/n，补偿变压器输出电压为u_s＝u_i-u_c＜u_i。

如附图4所示的开关模态II，第一双向开关Q₁关断，第二双向开关Q₂开通，桥臂输出电压为零电位：u_AB＝0，补偿变压器2的副边输出即补偿电压u_c＝0，补偿变压器输出电压为u_s＝u_i-u_c＝u_i。

经滤波电路3滤波后，输出电压u_o近似等于理想电压。

在外界电网电压小于理想电压时，需要进行正补偿以升高输入的电网电压。此时第一桥臂不工作，第二桥臂调理工作，第一双向开关S₁保持闭合，第二双向开关S₂保持断开。此时电路主要包括两个工作模态：

如附图5所示的开关模态III，第三双向开关Q₃开通，第四双向开关Q₄关断，桥臂输出电压即为负的外界电网电压：u_AB＝-u_i，补偿变压器2的副边输出即补偿电压u_c＝-u_AB/n，补偿变压器器输出电压为u_s＝u_i-u_c＞u_i。

如附图6所示，第三双向开关Q₃关断，第四双向开关Q₄开通，桥臂输出电压为零电位：u_AB＝0，补偿变压器2的副边输出即补偿电压u_c＝0，补偿变压器输出电压为u_s＝u_i-u_c＝u_i。

经滤波电路3滤波后，输出电压u_o近似等于理想电压。

为实现上述工作原理，基于AC/AC斩波器的串联型电能质量补偿器采用的控制框图如附图7所示，其结构是采样外界电网电压u_i，经锁相环后得到与外界电网电压同步的输出电压基准u_sin，采样输出电流i_o乘以线路阻抗后得到线路压降u_Z。外界电网电压u_i减去输出电压基准u_sin，再加上线路压降u_Z后得到AC/AC斩波器电压基准u_r。根据AC/AC斩波器电压基准u_r和外界电网电压u_i经运算得到当前所需的占空比d。根据AC/AC斩波器电压基准u_r的极性对占空比d进行逻辑运算得到双向开关Q₁～Q₄的驱动d₁～d₄，控制双向开关Q₁～Q₄的开关，对补偿电压u_c进行调节进而调节输出电压。以上控制策略很好的实现了对输出电压幅值和波形的调节。

Claims

1.一种基于AC/AC斩波器的串联型电能质量补偿器，包括AC/AC斩波器电路(1)、补偿变压器(2)和滤波电路(3)，其特征在于，AC/AC斩波器电路(1)中，第一双向开关(Q₁)的一端和第二双向开关(Q₂)的一端连接于第一桥臂中点(A)，构成第一桥臂，第三双向开关(Q₃)的一端和第四双向开关(Q₄)的一端连接于第二桥臂中点(B)，构成第二桥臂；第一双向开关(Q₁)的另一端和第三双向开关(Q₃)的另一端连接到外界电网电压(u_i)的输出端，第二双向开关(Q₂)的另一端和第四双向开关(Q₄)的另一端连接到外界电网电压的负极即“地”，桥臂输出滤波电容(C_c)的一端连到第一桥臂中点(A)，桥臂输出滤波电容(C_c)的另一端连到第二桥臂中点(B)；补偿变压器(2)的原边第一端(p₁)和补偿变压器(2)的副边第一端(s₁)为同名端，补偿变压器(2)的原边第二端(p₂)和补偿变压器(2)的副边第二端(s₂)为同名端；补偿变压器(2)的原边第一端(p₁)连到第一桥臂中点(A)，补偿变压器(2)的原边第二端(p₂)连到第二桥臂中点(B)，补偿变压器(2)的副边第二端(s₂)连到外界电网电压(u_i)的输出端，补偿变压器(2)的副边第一端(s₁)连到输出滤波电感(L_f)的一端；输出滤波电感(L_f)的另一端和输出滤波电容(C_f)的一端相连，构成输出滤波电路(3)，输出滤波电感(L_f)和输出滤波电容(C_f)的连接点接外界负载(Z)的一端，输出滤波电容(C_f)的另一端和外界负载(Z)的另一端同时接“地”。