一种基于改进型单相解耦控制的级联无桥五电平整流器

摘要

本发明提供了一种基于改进型单相解耦控制的级联无桥五电平整流器，主电路包括单相交流电源Vg、输入滤波电路E、储能电感L、级联电路和负载R1‑R5。改进型单相解耦控制：首先基于SOGI‑PLL的电网同步，实现控制信号与电网电压的同步。然后从dq解耦控制中分别得到有功分量和无功分量Vd和Vq。最终在电压平衡方案中，每个Vdc,ref和Vdci之间的误差被送入PI控制器计算和控制，每个单元的电压不平衡分别调整调制信号，以实现不同的实际功率分布。本发明功率损耗低，效率高，输入电流谐波低。因为是完全受控的H桥模块，可以实现单位功率因数。同时在改进型控制下也可以消除过零输入电流畸变。它不仅适用于平衡负载同时也适用于不平衡负载。本发明具有高安全性和高效率，应用前景广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种基于改进型单相解耦控制的级联无桥五电平整流器。

背景技术

近些年来，功率半导体器件及控制技术得到快速的发展，并在电力电子领域得到泛应用，随着技术的不断革新，各种电力电子设备应运而生。整流器是一种利用电力电子开关将交流电能转换成直流电的装置，可以把交流电能转化成人们需要利用的直流电能，随着整流技术的发展，在一些关键技术领域已经有了很大的进步。

传统的是基于单相的解耦整流器控制，用于调节直流电压的平均值。引入相位角，使电网电流与所有模块的交流总电压同相，以防止过零失真，提高功率因数。该控制策略引入了一个新的相位角，导致系统功率因数滞后。电网电流与净交流电压同相，而不是电网电压。相位角随着负载的变化而变化。虽然该控制方法可以消除过零输入电流畸变，但是单位功率因数不可能用这种控制方法实现。此外，电压平衡是不准确的，因为所有单元的平均数被送到PI控制器，同时直流电压不平衡。所以在不平衡负载条件下，此方法不能使用。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于改进型单相解耦控制的级联无桥五电平整流器，此电路可以保证单位功率因数运行的同时，有更高的效率和更低的损耗，同时在不平衡负载下能消除过零输入电流畸变。本发明的实施例采用如下技术方案，具体如下。

本发明提供了一种基于改进型单相解耦控制的级联无桥五电平整流器，包括由输入滤波电路E，三个图腾式无桥整流模块和两个全控H桥整流模块（FHB）的级联电路；单相交流电源V

本发明的进一步优化，所述的一种基于改进型单相解耦控制的级联无桥五电平整流器。改进型单相解耦控制，包括以下优化：优化1：基于SOGI-PLL的电网同步，控制信号与电网电压的同步；优化2：从dq解耦控制中分别得到有功分量和无功分量V

本发明的进一步优化，所述的一种基于改进型单相解耦控制的级联无桥五电平整流器，其特征是：图腾式无桥模块，由两个开关管和四个二极管，电容C

本发明的进一步优化，所述的一种基于改进型单相解耦控制的级联无桥五电平整流器，其特征是：全控H桥模块（FHB），由四个开关管，电容C

本发明有以下有益效果：减少了全控开关管的数量，大大降低了实现成本、硬件和控制复杂度，提高了电路的输出功率。在改进型控制下，利用全控H桥模块无论在平衡负载下还是不平衡负载下都能实现单位功率因数运行，对平衡负载和不平衡负载进行直流电压平衡，并且消除了输入电流过零畸变。

附图说明

为更清楚的说明本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1为五电平级联无桥单相整流器。

图2为输入电压正半周期内图腾式无桥整流器的第一种工作模态。

图3为输入电压正半周期内图腾式无桥整流器的第二种工作模态。

图4为输入电压负半周期内图腾式无桥整流器的第三种工作模态。

图5为输入电压负半周期内图腾式无桥整流器的第四种工作模态。

图6为五电平级联无桥整流器控制体系结构。

图7为SOGI-PLL工作过程图。

图8为SOGI-PLL模块框图。

图9为改进型解耦控制结构。

图10为改进控制系统电压平衡控制结构。

图11为输入电压和输入电流波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当注意，在此所述的实施例仅为本发明的部分实施例，而非本发明的全部实现方式，所述实施例只有示例性。

图腾式无桥整流模块，以其中一个模块为例：当输入电压为正半周期时如图2和图3所示，电路工作过程可分为两个工作模态：VF

基于SOGI-PLL的电网同步，控制信号与电网电压的同步至关重要。基于正交信号发生器的锁相环（OSG-PLL）是单相系统中最常用的锁相环。在OSG-PLL中，使用滤波器或其他结构来创建与原始相位正交的人工第二相。在这些OSG-PLL，SOGI-PLL是最常见的，因为计算量小，鲁棒性强，滤波能力强。SOGI-PLL使用二阶广义积分部分代替三相系统中使用的Clarke变换，以解决不平衡和谐波问题。

SOGI-PLL有两个块，如图4所示。第一个是一个基本的SOGI块，产生两个正方形信号V

给出了SRF-PLL的框图，如图。V

SOGI模块的频域特性传递函数：

其中s是拉普拉斯算子，k是SOGI模块的增益因子。较高的数值k会带来较宽的频宽和较快的暂态响应。另一方面，它也可能允许电压干扰。因此，k的选择是为了保持电压信号的质量和响应速度。目前的工作使用k=0.5。

为了在不平衡负载条件下实现单位功率因数和准确的电压平衡，修改了常规的解耦控制策略。全控H桥模块提供电感器消耗的必要无功功率，从而在不实现滞后角的情况下保持单位功率因数。介绍了一种电压平衡方案，每个V

为了保持单位功率因数并消除过零电流失真，V

如图5提出了一种电压平衡控制方法来解决整流器各直流环节的不平衡问题。每个单元的电压不平衡分别调整调制信号，以实现不同的实际功率分布。计算每个直流电压V

V

全控H桥模块负责提供电感所需的无功功率，从而保持单位功率因数。才能使电网电压与电网电流完全同步，从而达到单位功率因数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，但并非用以限定本发明，对于熟悉本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内都可以做各种改动和修饰，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。