集成整流、有源濾波及能耗制動的復合電路及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電氣傳動技術領域，特別涉及柴油發(fā)電機供電、需要變頻拖動及能耗 制動應用領域的一種復合電路及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 目前，在公用電網(wǎng)所不及的電氣傳動領域（比如石油鉆機系統(tǒng)，內(nèi)燃機車牽引）， 其動力配備主要是由柴油發(fā)電機組來提供，電力電子裝置在根據(jù)需要進行功率變換的同 時，將流經(jīng)它們的基波功率中的一部分轉化為諧波和無功功率，變成注入電源的諧波和無 功電流。上述諧波及無功電流流入輸入電源系統(tǒng)，對同一電源上的其它用發(fā)電設備（比如 線路、發(fā)電機及井場照明）帶來不良影響，諧波及無功損耗加大，發(fā)電機容量利用率降低。 目前常用的諧波和無功抑制方法是采用有源電力濾波器來補償電網(wǎng)中存在的諧波和無功。 有源電力濾波器的基本原理是，檢測補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計算得 出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載 電流中要補償?shù)闹C波和無功等電流相互抵消，最終得到期望的電源電流。
[0003] 目前常用在石油鉆機平臺和牽引機車中的電氣傳動控制系統(tǒng)為VFD系統(tǒng)（變頻調(diào) 速傳動控制系統(tǒng)），該系統(tǒng)中的每個變頻系統(tǒng)單元將柴油發(fā)電機供電平臺所生成交流電，通 過二極管整流或晶閘管整流成直流電，經(jīng)大容量電容器濾波，再用IGBT三相逆變器完成逆 變過程，得到電壓和頻率均可調(diào)的交流電，分別驅(qū)動該單元上的絞車、泥漿泵和頂驅(qū)或轉盤 等電機類設備，當絞車制動時有較大的能量反饋直流部分，引起直流電壓升高，通常在直流 部分并聯(lián)有獨立的斬波制動單元及制動電阻，如圖1所示。
[0004] 現(xiàn)有技術的缺點：
[0005] VFD系統(tǒng)在減速過程中，電機類負載是處于發(fā)電狀態(tài)的，發(fā)出來的電經(jīng)逆變器反饋 給直流母線上的電容，使電容兩端的電壓上升。為了將電容器上多余的電荷釋放掉，這就需 要配置制動單元和制動電阻，通過制動單元的控制，用制動電阻轉換成熱能消耗掉，從而穩(wěn) 定直流電壓。
[0006] 一般情況下諧波及無功均是由非線性負載產(chǎn)生的，因此防止諧波及無功電流注入 柴油機供電電網(wǎng)的最有效的辦法是在諧波無功源附近安裝濾波器，使濾波器中流過的諧波 和無功正好與諧波無功源的諧波相抵消，從而可以有效阻止諧波及無功流入系統(tǒng)中。對于 VFD系統(tǒng)而言，為了取得較好的諧波及無功補償效果，最好在每個VFD附近安裝APF(有源電 力濾波器）單元。
[0007] 從上述分析可以看出，考慮到在柴油發(fā)電機供電平臺中存在大量的電力電子設 備，而這些設備會產(chǎn)生大量的諧波和無功，為了改善平臺交流電網(wǎng)的電能質(zhì)量，提高柴油發(fā) 電機的效率和容量利用率，通常會配備有APF單元及無功補償器。但同時該電網(wǎng)中存在大 量的變頻拖動類電機負載設備，這些設備在減速或者停機的時候會反饋能量到直流部分， 向直流側電容充電導致直流側電壓泵升，會損壞直流母線上的設備，通常也需要配備制動 單元和制動電阻來消耗制動的能量。但實際上在制動工況時，電源側的輸入電流為零，無需 APF單元工作，APF處于閑置狀態(tài)；當牽引工況時，制動單元處于閑置狀態(tài)，此時只需要APF工作。因此現(xiàn)有的系統(tǒng)無疑增加了系統(tǒng)的成本和復雜度，降低了設備的利用率，不利于集成 化設計。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 為解決柴油發(fā)電機供電和變頻拖動電機類負載系統(tǒng)中存在的這兩個主要問題，本 發(fā)明按照一體化設計理念，采用有源濾波及制動單元復合電路，利用有源濾波及無功補償 電路來充當斬波器，將整流、有源濾波、無功補償和能耗制動等功能集成于一體，用同一套 復合電路實現(xiàn)上述功能，提高設備實用性，降低VFD系統(tǒng)的成本和復雜度。
[0009] 本發(fā)明具體采用如下技術方案：
[0010] 一種集成了整流、有源濾波和能耗制動功能的復合電路，其特征在于包括整流單 元、有源濾波及無功補償單元、鉗位電路、第一狀態(tài)選擇靜態(tài)開關和第二狀態(tài)選擇靜態(tài)開 關，整流單元與有源濾波及無功補償單元通過第一狀態(tài)選擇靜態(tài)開關在交流側連接，通過 鉗位電路在直流側連接，第二狀態(tài)選擇靜態(tài)開關連接在外部的三相交流制動電阻和有源濾 波及無功補償單元之間，鉗位電路連接在有源濾波及無功補償單元與直流母線之間，為制 動時能量反饋提供回路。
[0011] 所述復合電路的控制方法，其特征在于根據(jù)負載工作狀態(tài)，控制第一狀態(tài)選擇靜 態(tài)開關、第二狀態(tài)選擇靜態(tài)開關的導通和關斷，使復合電路在三種工作狀態(tài)下切換：
[0012] APF狀態(tài)：此時U2 >U1，其中U1為鉗位電路正極電壓，U2為鉗位電路負極電壓， 第一狀態(tài)選擇靜態(tài)開關導通，第二狀態(tài)選擇靜態(tài)開關關斷，鉗位電路反向偏置阻斷，電路主 要用來補償諧波電流，提高系統(tǒng)功率因數(shù)；（負載電機工作在牽引狀態(tài)時）
[0013] 大功率反饋能耗制動狀態(tài)：此時U1多U2,第一狀態(tài)選擇靜態(tài)開關關斷，第二狀態(tài) 選擇靜態(tài)開關導通，鉗位電路正向偏置導通，直流母線上多余的能量經(jīng)有源濾波及無功補 償單元后直接通過交流制動電阻消耗掉，完成制動功能；
[0014] 小功率反饋制動狀態(tài)：此時U1多U2,制動能量比較小并且交流輸入側還有其它負 載時，第一狀態(tài)選擇靜態(tài)開關導通，第二狀態(tài)選擇靜態(tài)開關關斷，鉗位電路正向偏置導通， 直流母線上多余的能量通過有源濾波及無功補償單元反饋到輸入電源側，給線路上其它交 流負載使用。（負載電機工作在制動狀態(tài)時）
[0015] 本發(fā)明將整流單元與有源濾波及無功補償單元組合在一起，使得補償環(huán)路變短， 便于獲得較好的補償效果，同時也構成共直流母線輸出。鉗位電路接在有源濾波及無功補 償單元與直流母線之間，為制動時能量從電機負載向有源濾波單元傳輸提供回路，部分能 量還可利用有源濾波單元反饋給其它負載使用，從而可充分利用回饋電能。
[0016] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0017] 1、實現(xiàn)整流、有源濾波（APF)、能耗制動一體化設計，將APF電路與制動斬波電路 整合到一起，減少了全控器件IGBT的數(shù)量，節(jié)約了成本。
[0018] 2、鉗位電路接在有源濾波及無功補償單元與直流母線之間，為制動時能量從電機 負載向有源濾波單元傳輸提供回路，該單元不但可以完成對柴油發(fā)電機供電平臺電網(wǎng)的諧 波補償，而且能回饋部分能量給其它負載使用，提高了電能利用率，在制動功率較大時可以 充當制動電路的開關器件，實現(xiàn)能耗制動，裝置利用率高。
[0019] 3、復合后的有源濾波電路不僅可以補償輸入諧波而且還能消除電機制動時所產(chǎn) 生多余能量對直流側器件的影響。
[0020] 4、整流單元中含有大量的諧波，加入APF單元后對柴油發(fā)電機輸入電源中的諧波 及無功電流進行較好的補償，提高發(fā)電機的效率和容量利用率。
[0021] 5、整流單元與有源濾波及無功補償單元裝在一起使得補償環(huán)路變短，便于獲得較 好的補償效果，同時也構成共母線輸出，從而可以充分的利用母線上的能量。
[0022] 6、通過對狀態(tài)選擇靜態(tài)開關的控制，本發(fā)明電路可以輕松實現(xiàn)在三種工作狀態(tài)之 間相互切換，分時工作，與負載整流牽引工況和能耗制動工況的分時工作相適應，提高了設 備利用率。
【附圖說明】
[0023] 圖1是常用VFD系統(tǒng)結構示意圖。
[0024] 圖2是包含本發(fā)明復合電路的VFD系統(tǒng)結構示意圖。
[0025] 圖3是常用并聯(lián)型APF系統(tǒng)框圖。
[0026] 圖4是應用本發(fā)明電路的系統(tǒng)結構框圖。
[0027] 圖5是并聯(lián)型有源電力濾波器等效電路。
[0028] 圖6a是APF工作狀態(tài)結構圖。
[0029] 圖6b是大功率反饋能耗制動狀態(tài)結構圖。
[0030] 圖6c是小功率反饋制動狀