级联型H桥PWM整流系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种高压整流装置及其控制方法，具体涉及一种级联型H桥PWM整流系统及其控制方法，属于高压大功率电力电子领域。本发明专利技术是为了解决现有三相整流桥构成的整流装置，由于功率开关管的耐压值及其开关频率的限制，无法达到很大的容量，不符合电力系统的高压范围的问题。本发明专利技术的级联型H桥PWM整流系统包括：三相交流电源、信号检测单元、控制单元、隔离驱动单元和整流电路单元；本发明专利技术的级联型H桥PWM整流系统的控制方法，采用了适用于级联H桥多电平变流器的载波相移正弦波脉宽调制策略，采用三级控制方式，先控制整体直流侧电压，再控制相间电压平衡，最后控制相内电压平衡，能较好地平衡各相以及各个单元直流侧电容电压。

【技术实现步骤摘要】
级联型H桥PWM整流系统及其控制方法
本专利技术涉及一种高压整流装置及其控制方法，具体涉及一种级联型H桥PWM整流系统及其控制方法，属于高压大功率电力电子领域。
技术介绍
电能作为人们生活所必需的能源，其覆盖范围和应用程度代表着我国综合国力，随着经济和科技的发展，特别是电力电子技术迅猛发展，被大规模地运用在了电力领域。由于传统的整流系统不是受功率管的耐压和开关频率限制，就是受应用场合空间体积重量的限制，所以未来新型多电平变流器的研究必定向高效、小巧、控制更加灵活的方向发展。在大功率变流器的应用中，人们希望电力电子装置能够拥有较大的运行功率，但现有的功率开关器件在拥有高开关频率时，往往难以承受较高的电压；反之，当开关器件有较大的功率承受力时，其所能达到的开关频率常常不高，由三相整流桥构成的整流装置，由于受到功率开关管的耐压值及其开关频率的限制，通常无法达到很大的容量，不符合电力系统的高压范围。要想在高压领域进行整流就必须利用级联的方式来提高系统的工作电压和输出功率，级联型H桥PWM整流器以其无需多重化变压器，占地面积小，效率高，而且还具有调剂速度快，运行范围宽等优点被广泛研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有三相整流桥构成的整流装置，由于受到功率开关管的耐压值及其开关频率的限制，通常无法达到很大的容量，不符合电力系统的高压范围以及空间体积重量大，使用不便的问题，提出了一种级联型H桥PWM整流系统及其控制方法。本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：本专利技术的级联型H桥PWM整流系统包括：三相交流电源、信号检测单元、控制单元、隔离驱动单元和整流电路单元；所述三相交流电源的输出端连接信号检测单元的输入端，所述信号检测单元的输出端连接控制单元的输入端，所述信号控制单元的输出端连接驱动单元的输入端，所述驱动单元的输出端连接整流电路单元的输入端；整流电路单元的输出端连接信号检测单元；所述信号检测单元采用电流霍尔模块CHB-25NP，实现三相电流检测，霍尔传感器副边电流由电阻RM进行采样得到电阻RM两端电压UM，经过隔离、偏置、低通滤波和嵌位处理后输入到DSP的A/D转换口进行处理；所述信号检测单元的作用是检测出交流侧电感电流、电源电压；所述控制单元包括核心控制器DSP和现场可编程门阵列FPGA；所述控制单元的作用是实现交流侧三相电流采样、电源电压采样、各级联桥直流侧电容电压采样、电流电压双闭环控制、CPS-SPWM波生成；所述控制部分采用单极倍频调制，令相位为180°的一组正弦调制波和三角波相比较产生PWM波，以控制开关管动作，将调制波vT与三角载波νr相比较，若vT大于νr则T1输出高电平，开关管S1导通，S2关断，反之，S2开通，S1关断；同理，令-νT与νr比较控制S3，S4状态；所述隔离驱动单元的作用是将信号经隔离放大来驱动功率管；所述整流电路单元采用星形接法，每相都采用6个H桥级联的方式，通过电感，直接接入电网。进一步地，所述信号检测单元，采用电压霍尔模块CHV-50P来检测电源电压和直流侧电容电压。所述的级联型H桥PWM整流系统的控制方法，采用了适用于级联H桥多电平变流器的载波相移正弦波脉宽调制策略，采用三级控制方式，先控制整体直流侧电压，再控制相间电压平衡，最后控制相内电压平衡，具体步骤为：步骤a、给定一个直流侧的电压值Uref，Uref与实际反馈回来的各级直流侧电压Udc总和的平均值进行比较，其差值经PI调节器后，得到调节直流侧电压的指令信号Idref，将Idref作为有功电流给定信号，进行CHBR直流侧与交流侧的能量交换，从而将Udc调节至给定值Uref；步骤b、采用输出调制波补偿的方法平衡相间电压，Udca、Udcb、Udcc为每相直流侧电容电压的平均值，计算三相直流侧电压平均值Udc为参考电压，A，B，C各相直流侧电压平均值分别与之作差比较，经PI调节，输出量与实际电流的直流量作差比较，进行PI调节，再分别与三相交流进行倍乘，输出量ΔucA、ΔucB、ΔucC即为相间直流电压变化对调制波的微小调节量；步骤c、对各相内部电容电压进行平衡控制，通过对各正弦调制波进行微调实现对这些电容电压的控制，所需补偿电压调节信号由系统是发出还是吸收无功决定，若吸收无功，则所补偿电压调节信号应该为正，若发出无功，则所补偿电压调节信号应该为负，经过以上三级控制法控制直流侧电压所需调制比之和，即为最终三相电压调制波uam、ubm、ucm。进一步地，步骤a的具体步骤为：步骤a1、对DSP系统的工作环境进行配置、系统中相关变量的初始化、各中断的初始化、判断是否开启中断子程序等，接着进入接收和发送数据的循环中，同时等待中断事件的发生，当中断被开启，暂时停止主循环，进入到相应的中断服务子程序中进行各种运算和配置PWM控制信号；步骤a2、捕获中断子程序检测电网频率，完成数字锁相环，过零检测电路通过检测相电压信号的过零点来开启捕获中断子程序，当捕获中断子程序被开启，读取当前计数器的值同时在此中断子程序中启动定时器T1，并将预置的正弦表指针清零；步骤a3、通过A/D中断子程序完成直流侧电压样、经过PI调节，得到给定的有功电流信号，无功电流的给定信号为0，然后通过电流内环控制、电压均衡控制及三相调制波的计算，改变开关管的开通时间，从而调节Udc；步骤a4、如果信号检测单元检测到系统出现过流现象，则及时将故障信号反馈给核心控制器DSP，通过过流保护电路封锁所有脉冲信号来保护系统硬件电路；如果未检测到过流现象，则执行步骤a5；步骤a5、当中断完成后，返回主循环，继续等待下一次中断的发生。进一步地，步骤b的具体步骤为：步骤b1、捕获中断子程序检测电网频率，完成数字锁相环，过零检测电路通过检测相电压信号的过零点来开启捕获中断子程序，当捕获中断子程序被开启，读取当前计数器的值同时在此中断子程序中启动定时器T1，并将预置的正弦表指针清零；步骤b2、首先计算出程序中给定的三相电压平均值，用A/D中断采样到的每相直流侧电容电压的实际值与给定值相减，差值进行PI调节，然后在通过电流环的PI控制器最终进行电压的平衡；步骤b3、如果信号检测单元检测到系统出现过流现象，则及时将故障信号反馈给核心控制器DSP，通过过流保护电路封锁所有脉冲信号来保护系统硬件电路；如果未检测到过流现象，则执行步骤b4；步骤b4、当中断完成后，返回主循环，继续等待下一次中断的发生。进一步地，步骤c的具体步骤为：步骤c1、捕获中断子程序检测电网频率，完成数字锁相环，过零检测电路通过检测相电压信号的过零点来开启捕获中断子程序，当捕获中断子程序被开启，读取当前计数器的值同时在此中断子程序中启动定时器T1，并将预置的正弦表指针清零；步骤c2、检测系统的无功量，如果系统在吸收无功，则在A/D中断中，改变开关管的时间，使其进行正向的电压调节，反之则进行负向调节；步骤c3、如果信号检测单元检测到系统出现过流现象，则及时将故障信号反馈给核心控制器DSP，通过过流保护电路封锁所有脉冲信号来保护系统硬件电路；如果未检测到过流现象，则执行步骤c4；步骤c4、当中断完成后，返回主循环，继续等待下一次中断的发生。有益效果：第一，本专利技术的级联型H桥PWM整流系统的整流电路单元与电网直接连接，省去本文档来自技高网...

【技术保护点】
级联型H桥PWM整流系统，其特征在于，包括：三相交流电源、信号检测单元、控制单元、隔离驱动单元和整流电路单元；所述三相交流电源的输出端连接信号检测单元的输入端，所述信号检测单元的输出端连接控制单元的输入端，所述信号控制单元的输出端连接驱动单元的输入端，所述驱动单元的输出端连接整流电路单元的输入端；整流电路单元的输出端连接信号检测单元；所述信号检测单元采用电流霍尔模块CHB‑25NP，实现三相电流检测，霍尔传感器副边电流由电阻R

【技术特征摘要】
1.级联型H桥PWM整流系统，其特征在于，包括：三相交流电源、信号检测单元、控制单元、隔离驱动单元和整流电路单元；所述三相交流电源的输出端连接信号检测单元的输入端，所述信号检测单元的输出端连接控制单元的输入端，所述信号控制单元的输出端连接驱动单元的输入端，所述驱动单元的输出端连接整流电路单元的输入端；整流电路单元的输出端连接信号检测单元；所述信号检测单元采用电流霍尔模块CHB-25NP，实现三相电流检测，霍尔传感器副边电流由电阻RM进行采样得到电阻RM两端电压UM，经过隔离、偏置、低通滤波和嵌位处理后输入到DSP的A/D转换口进行处理；所述信号检测单元的作用是检测出交流侧电感电流、电源电压；所述控制单元包括核心控制器DSP和现场可编程门阵列FPGA；所述控制单元的作用是实现交流侧三相电流采样、电源电压采样、各级联桥直流侧电容电压采样、电流电压双闭环控制、CPS-SPWM波生成；所述控制部分采用单极倍频调制，令相位为180°的一组正弦调制波和三角波相比较产生PWM波，以控制开关管动作，将调制波vT与三角载波νr相比较，若vT大于νr则T1输出高电平，开关管S1导通，S2关断，反之，S2开通，S1关断；同理，令-νT与νr比较控制S3，S4状态；所述隔离驱动单元的作用是将信号经隔离放大来驱动功率管；所述整流电路单元采用星形接法，每相都采用6个H桥级联的方式，通过电感，直接接入电网。2.根据权利要求1所述的级联型H桥PWM整流系统，其特征在于，所述信号检测单元，采用电压霍尔模块CHV-50P来检测电源电压和直流侧电容电压。3.基于权利要求1或2所述的级联型H桥PWM整流系统的控制方法，其特征在于，采用适用于级联H桥多电平变流器的载波相移正弦波脉宽调制策略，即三级控制方式，先控制整体直流侧电压，再控制相间电压平衡，最后控制相内电压平衡，具体步骤为：步骤a、给定一个直流侧的电压值Uref，Uref与实际反馈回来的各级直流侧电压Udc总和的平均值进行比较，其差值经PI调节器后，得到调节直流侧电压的指令信号Idref，将Idref作为有功电流给定信号，进行CHBR直流侧与交流侧的能量交换，从而将Udc调节至给定值Uref；步骤b、采用输出调制波补偿的方法平衡相间电压，Udca、Udcb、Udcc为每相直流侧电容电压的平均值，计算三相直流侧电压平均值Udc为参考电压，A，B，C各相直流侧电压平均值分别与之作差比较，经PI调节，输出量与实际电流的直流量作差比较，进行PI调节，再分别与三相交流进行倍乘，输出量ΔucA、ΔucB、ΔucC即为相间直流电压变化对调制波的微小调节量；步骤c、对各相内部电容电压进行平衡控制，通过对各正弦调制波进行微调实现对这些电容电压的控制，所需补偿电压调节信号由系统是发出还是吸收无功决定，若吸收无功，则所补偿电压调节信号应该为正，若发出无功，则所补偿电压调节信号应该为负，经过以上三级控制法控制直流侧电压所需调制比之...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟大伟，汤昊岳，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23