专利名称：中压变频驱动系统与总谐波失真补偿控制方法
中压变频驱动系统与总谐波失真补偿控制方法技术领域
本发明是有关于一种整流模块，且特别是有关于一种适用于具有电流单向性的三相切换式整流模块的失真补偿控制方法。
背景技术：
在电动机械或感应马达的控制当中，马达的速度调节是一个重要的课题，习知的电动机械中采用的传统直流调速技术，因硬件体积大且故障率高而使其应用受限。
变频器(Variable-frequency Drive, VFD),是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动组件。
变频器的作用是改变感应马达的交流供电的频率和振幅，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制感应马达转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器配合交流式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，使得电路系统得以缩小体积并降低维修率。
其中，中压变频调速系统，目前应用广泛，在大型风机、水泵、牵引、传动等方面都具有广阔的前景。中压变频调速系统需要具备以下几个主要功能安全、快速、宽范围地变频调速；良好的网侧功率因子；良好的输入输出电流谐波等。
同时，由于中压(是指介于IkV 35kV的电压，常见应用以6kV为例)系统中，对于开关组件耐压的要求很高，此目前最常见的中压变频调速系统主要采用多层级的级联型 (cascade)方案。多级变压器可将三相电网(一次侧)较高的输入电压变换为二次侧的较低的工作电压，二次侧的每个绕线组分别耦接单独的功率单元。个别的功率单元针对较低的工作电压完成整流与逆变的工作，实现变频调速功能。透过上述多级变压器的设置，可解决功率单元无法耐高压的问题，又可解决一次侧的电流谐波问题。
然而，上述习知的中压变频调速系统所设置的多级变压器，其体积和重量庞大，所需成本高，且设计复杂。因此如何采用其它调速系统结构，在获得同样性能的同时可省略变压器的设置，成为重点的研究方向。
目前产业已提出一种三相切换式整流模块，实际电路应用中，三相切换式整流模块可以是一种维也纳式(Vienna)整流模块，其为一种多电平整流装置。相对一般三电平脉宽调变(pulse-width modulation, PWM)整流器，三相切换式整流模块除了 同样具有良好的功率因子校正功能和直流电压控制能力外，还具有结构简单，开关器件少，无桥臂直通风险，可靠性高等特点。对于要求体积小，成本低而无能量回馈需求的场合非常适用。
然而，习知的三相切换式整流模块存在有失控区的问题须要解决。请参阅图11与图12，图11绘示接入三相电网的三相切换式整流模组的简化示意图，图12绘示图11中三相切换式整流模组的相位关系。于习知的三相切换式整流模块中具有电网侧相电压Us以及整流器交流侧相电压&两相电压(1!3与10之间由电抗器Ls连接。由于相电流在电抗器 Ls上的压降影响，当电网侧相电流is与电网侧相电压Us同相时，其相位关系如图12所示， 电网侧相电流is必然会超前整流器交流侧相电压一定的相位角差Λ Θ。而在此相位角差Λ Θ的范围内，整流器交流侧相电压Ur不能被控制器完全控制，而主要取决于相电流方向，直到控制器控制输出的交流侧相电压换向至与相电流同向。
因此，相位角差Λ Θ的区域可认为是整流器的失控区，此区域内的整流器交流侧电压会发生畸变，这种畸变会导致习知的三相切换式整流模块的交流侧电压具有很大的低次谐波，进而影响网侧电流谐波。尤其针对中高压或大功率场合，受器件特性影响，开关频率较低，这种失控区带来的谐波影响更加严重，导致整流器的总谐波畸变率上升。发明内容
因此，为解决上述提到的失控区问题，并维持较好的整流模块的功率因子，本发明提出下列解决方案，其揭露一种中压变频驱动系统及其三相切换式整流模块，此外，更揭露了用于上述三相切换式整流模块的总谐波失真补偿控制方法。
相较传统的三电平脉宽调变(pulse-width modulation,PWM)整流器,本揭露文件实施例中所提出的三相切换式整流模块的电路结构，其开关组件可减少一半，以功率二极管取而代的。
此外，流经三相切换式整流模块中的整流器交流侧相电流与整流器交流侧相电压的基波分量之间可能存在一定相位角差(△ Θ)的失控区，此时在三相切换式整流模块中， 整流器交流侧相电压波形可能产生较大的畸变，这种畸变会导致三相切换式整流模块的整流器交流侧相电压具有很大的低次谐波。本发明提出的总谐波失真补偿控制方法主要针对三相切换式整流模块在失控区内对电网电流低次谐波的影响，提出相对应的解决方案。
本揭示内容的一方面在于提供一种总谐波失真补偿控制方法，用于一三相切换式整流模块，其中所述三相切换式整流模块与一三相电网耦接，用以将所述三相电网上一交流电压输入转换为一直流电压，所述总谐波失真补偿控制方法包含下列步骤对流入所述三相切换式整流模块的一电网侧相电流进行谐波检测；当所述电网侧相电流的一谐波成份未达一预定谐波值时，停止调节所述电网侧相电流的一无功分量参考值，以形成一无功分量最终参考值，当所述电网侧相电流的一谐波成份超过所述预定谐波值时，进一步判断所述三相切换式整流模块的一整流器交流侧相电流的基波分量与一 整流器交流侧相电压的基波分量之间的相位角差；当所述相位角差为一预定相位角差值时，停止调节所述无功分量参考值，当所述相位角差并非所述预定相位角差值时，进一步判断所述三相切换式整流模块的一功率因子；以及，当所述功率因子未达一预定功率因子值时，停止调节所述无功分量参考值，当所述功率因子超过所述预定功率因子值时，调整所述无功分量参考值，以改变所述无功分量最终参考值。
根据本发明揭示内容，总谐波失真补偿控制方法进一步包含将所述电网侧相电流的一无功分量与所述无功分量最终参考值比较；以及，根据上述比较结果调整所述三相切换式整流模块，直到所述电网侧相电流的所述无功分量趋近所述无功分量最终参考值。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述预定谐波值为一预先设定值或一在线寻优的最佳值。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述预定相位角差值为零、一预先设定的非零值或一在线寻优的最佳值。
根据本揭示内容的一实施例，总谐波失真补偿控制方法进一步包含一种在线寻优的总谐波失真补偿控制方法，即在一功率因子允许范围内，采用各种不同的所述无功分 量参考值对所述三相切换式整流模块进行调整，并在不同的所述无功分量参考值下分别进 行谐波检测得到多个谐波成份与相对应的多个相位角差；以及，由上述多个谐波成份与相 对应的多个相位角差中，选出一最佳谐波成份值与相对应的一最佳相位角差值。
于此实施例中，所述最佳谐波成份值被套用作为所述预定谐波值，以判断所述电 网侧相电流的所述谐波成份是否超过所述预定谐波值，而所述最佳相位角差值被套用作为 所述预定相位角差值，以判断所述整流器交流侧相电流的基波分量与所述整流器交流侧相 电压的基波分量之间的所述相位角差是否为所述预定相位角差值。
于实际应用中，前述相位角差可采用于整流器交流侧相电流与整流器交流侧相电 压其两基波分量之间的相位角差，于另一实施例中，前述相位角差亦可为中压变频驱动系 统的中其它任意两个电流或电压分量之间的相位关系。
本揭示内容的一方面在于提供一种总谐波失真补偿控制方法，用于一中压变频驱 动系统，所述中压变频驱动系统包含一三相切换式整流模块、一三相电网、一控制器和一总 谐波失真补偿单元，其中所述三相切换式整流模块与所述三相电网耦接，所述控制器与所 述三相切换式整流模块耦接，所述总谐波失真补偿单元与所述控制器耦接，所述总谐波失 真补偿控制方法包含向所述总谐波失真补偿单元输入一无功分量初始参考值，所述总谐 波失真补偿单元对所述无功分量初始参考值进行调整以产生一无功分量最终参考值；以 及，通过所述控制器根据所述总谐波失真补偿单元产生的所述无功分量最终参考值控制所 述三相切换式整流模块中每一单相整流电路，藉此调整所述三相切换式整流模块中的一相 位角差，其中所述相位角差是存在于所述三相切换式整流模块中每一单相整流电路的一整 流器交流侧相电流的基波分量与一整流器交流侧相电压的基波分量之间，进而调节对应所 述三相电网的一功率因子以及消除对应所述三相电网的一电流总谐波畸变率。
根据本揭示内容的一实施例，所述三相切换式整流模块包含三组单相整流电路， 所述三组单相整流电路为三电平整流电路，分别由所述三相电网接收一单相电压输入，所 述三组单相整流电路彼此并联，且所述三组单相整流电路均耦接至一第一输出端、一中点 以及一第二输出端，所述三相切换式整流模块是用以调节所述功率因子以及消除所述电流 总谐波畸变率。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述三组单相整流电路的电压输入端与三相电 网之间分别接有一电感，每一组单相整流电路包含至少两个二极管，其中一个二极管为换 流二极管，所述换流二极管用以确保电流的单向性，所述另一二极管为非换流二极管。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述三组单相整流电路中，所述换流二极管工 作于开关频率，所述换流二极管采用快速恢复二极管。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述无功分量最终参考值是在当通过所述三相 切换式整流模块的所述整流器交流端相电流与所述整流器交流端相电压为同向的情况下 进行离线计算，藉由计算流入所述三相切换式整流模块的一电网侧相电流与一电网侧相电 压的相位关系得到。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述无功分量最终参考值是透过离线计算所得 的一组无功分量参考值，并实时根据所述三相电网的工作电压或工作负载电流藉由查表取 得相应数值。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述总谐波失真补偿单元产生的所述无功分量 最终参考值通过所述控制器进而控制所述三相切换式整流模块中每一单相整流电路中的 开关组件的开关状态，进而调节对应所述三相电网的所述功率因子以及消除对应所述三相 电网的所述电流总谐波畸变率。
根据本揭示内容的一实施例,其中总谐波失真补偿单元对所述无功分量初始参考 值进行调整并产生所述无功分量最终参考值的步骤，更包含对流入所述三相切换式整流 模块的一电网侧相电流进行谐波检测；以及，当所述电网侧相电流的一谐波成份未达一预 定谐波值时，停止调节所述电网侧相电流的一无功分量参考值，以形成所述无功分量最终 参考值。
根据本揭示内容的一实施例,其中总谐波失真补偿单元对所述无功分量初始参考 值进行调整并产生所述无功分量最终参考值的步骤，进一步包含当所述电网侧相电流的 一谐波成份超过所述预定谐波值时，进一步判断所述三相切换式整流模块中每一单相整流 电路的所述整流器交流端相电流的基波分量与所述整流器交流端相电压的基波分量之间 的所述相位角差；以及，当所述相位角差为一预定相位角差值时，停止调节所述无功分量参 考值，以形成所述无功分量最终参考值。
根据本揭示内容的一实施例，总谐波失真补偿控制方法进一步包含当所述相位 角差并非所述预定相位角差值时，进一步判断所述三相切换式整流模块的一功率因子；以 及当所述功率因子低于所述预定功率因子时，停止调节所述无功分量参考值，以形成所述 无功分量最终参考值。
根据本揭示内容的一实施例，当所述功率因子高于所述预定功率因子值时，调整 所述无功分量参考值，以改变所述无功分量最终参考值。
根据本揭示内容的一实施例，总谐波失真补偿控制方法进一步包含将所述电网 侧相电流的一无功分量与调整后的所述无功分量最终参考值比较；以及，根据上述比较结 果调整所述三相切换式整流模块，直到所述电网侧相电流的所述无功分量趋近所述无功分量最终参考值。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述预定谐波值为一预先设定值或一在线寻优 的最佳值。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述预定相位角差值为零、一预先设定的非零 值或一在线寻优的最佳值。
根据本揭示内容的一实施例，在一功率因子允许范围内，采用各种不同的所述无 功分量参考值对所述三相切换式整流模块进行调整，并在不同的所述无功分量参考值下分 别进行谐波检测得到多个谐波成份与相对应的多个相位角差；以及由上述多个谐波成份与 相对应的多个相位角差中，选出一最佳谐波成份值与相对应的一最佳相位角差值。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述最佳谐波成份值被套用作为所述预定谐波 值，以判断所述电网侧相电流的所述谐波成份是否超过所述预定谐波值，而所述最佳相位 角差值被套用作为所述预定相位角差值，以判断所述整流器交流端相电流的基波分量与所 述整流器交流端相电压的基波分量之间的所述相位角差是否为所述预定相位角差值。
本揭示内容的一方面在于提供一种中压变频驱动系统，其与一三相电网耦接并用 以驱动一感应电动机，所述中压变频驱动系统包含三相切换式整流模块、控制器以及总谐波失真补偿单元。三相切换式整流模块与所述三相电网耦接，用以将所述三相电网上一交 流电压输入转换为一直流电压。控制器与所述三相切换式整流模块耦接，所述控制器将由 所述三相电网采样得到的一电网侧相电流的一无功分量与一无功分量最终参考值比较，藉 此，所述控制器根据比较结果控制所述三相切换式整流模块，直到所述无功分量趋近所述 无功分量最终参考值。所述总谐波失真补偿单元用以对所述无功分量参考值进行一最佳化 调整，藉此，在保证功率因子的情况下，降低所述电网侧相电流的一谐波成份。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述总谐波失真补偿单元对流入所述三相切换 式整流模块的一电网侧相电流进行谐波检测，当所述电网侧相电流的一谐波成份未达一预 定谐波值时，停止调节所述电网侧相电流的一无功分量参考值，以形成所述无功分量最终 参考值，当所述电网侧相电流的一谐波成份超过所述预定谐波值时，进一步判断所述三相 切换式整流模块中每一单相整流电路的一整流器交流端相电流的基波分量与一整流器交 流端相电压的基波分量之间的一相位角差，当所述相位角差为一预定相位角差值时，停止 调节所述无功分量参考值，以形成所述无功分量最终参考值，当所述相位角差并非所述预 定相位角差值时，进一步判断所述三相切换式整流模块的一功率因子，当所述功率因子未 达一预定功率因子值时，停止调节所述无功分量参考值，以形成所述无功分量最终参考值， 当所述功率因子超过所述预定功率因子值时，调整所述无功分量参考值，以改变所述无功 分量最终参考值。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述控制器将所述电网侧相电流的一无功分量 与所述无功分量最终参考值比较，并根据上述比较结果调整所述三相切换式整流模块，直 到所述电网侧相电流的所述无功分量趋近所述无功分量最终参考值。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述三相切换式整流模块与所述三相电网的每 一单相输入路径上耦接有一滤波单元，每一所述滤波单元包含串联的一第一电抗与一第二 电抗以及一电容器。
根据本揭示内容的一实施例，所述总谐波失真补偿单元在一功率因子允许范围 内，采用各种不同的所述无功分量参考值对所述三相切换式整流模块进行调整，并在不同 的所述无功分量参考值下分别进行谐波检测得到多个谐波成份与相对应的多个相位角差， 并由上述多个谐波成份与相对应的多个相位角差中，选出以在线寻优产生的一最佳谐波成 份值与相对应的一最佳相位角差值。
根据本揭示内容的一实施例，其中以在线寻优产生的所述最佳谐波成份值被套用 作为所述预定谐波值，所述总谐波失真补偿单元藉以判断所述电网侧相电流的所述谐波成 份是否超过所述预定谐波值，而所述最佳相位角差值被套用作为所述预定相位角差值，所 述总谐波失真补偿单元藉以判断所述整流器交流端相电流的基波分量与所述整流器交流 端相电压的基波分量之间的所述相位角差是否为所述预定相位角差值。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述三相切换式整流模块包含三组单相整流电 路，所述三组单相整流电路为三电平整流电路，分别由所述三相电网接收一单相电压输入， 所述三组单相整流电路彼此并联，且所述三组单相整流电路均耦接至一第一输出端、一中 点以及一第二输出端，所述三相切换式整流模块是用以调节所述功率因子以及消除所述电 流总谐波畸变率。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述三组单相整流电路的电压输入端与三相电网之间分别接有一电感，每一组单相整流电路包含至少两个二极管，其中一个二极管为换 流二极管，所述换流二极管用以确保电流的单向性，所述另一二极管为非换流二极管。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述三组单相整流电路中，所述换流二极管工 作于开关频率，所述换流二极管采用快速恢复二极管。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述三相切换式整流模块为一三相维也纳式整 流模块。
根据本揭示内容的一实施例，中压变频驱动系统更包含逆变器以及高容量电容模 块。逆变器与所述三相切换式整流模块耦接，所述逆变器与所述三相切换式整流模块配合 并将所述直流电压转化成一交流电压，所述交流电压用以驱动所述感应电动机。高容量电 容模块耦接于所述三相切换式整流模块与所述逆变器之间，用以暂存所述直流电压。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述三相切换式整流模块包含三组单相整流电 路，所述三组单相整流电路分别由所述三相电网接收一单相电压输入，所述三组单相整流 电路彼此并联，且所述三组单相整流电路均耦接至一第一输出端、一中点以及一第二输出 端。
根据本揭示内容的一实施例，其中所述高容量电容模块包含第一电容以及第二电 容。第一电容耦接于所述第一输出端与所述中点之间。第二电容耦接于所述中点与所述第 二输出端之间。
且于上述实施例中，其中所述三组单相整流电路中每一组单相整流电路各自可包 含一第一二极管、一第二二极管、一第三二极管、一第四二极管、一第一开关以及一第二开 关。所述第一二极管的阳极耦接至所述单相电压输入。第二二极管的阳极耦接至所述第 一二极管的阴极，所述第二二极管的阴极耦接至所述第一输出端。第三二极管的阴极耦接 至所述单相电压输入。第四二极管的阴极耦接至所述第三二极管的阳极，所述第四二极管 的阳极耦接至所述第二输出端。第一开关的第一端耦接至所述第一二极管与所述第二二极 管之间，所述第一开关的一第二端耦接至所述中点。所述第二开关的第一端耦接至所述中 点，所述第二开关的第二端至所述第三二极管与所述第四二极管之间。
本揭示内容的另一方面在于提供一种总谐波失真补偿控制方法，用于一中压变频 驱动系统，所述中压变频驱动系统包含一三相切换式整流模块、一三相电网、一控制器和一 总谐波失真补偿单元，其中所述三相切换式整流模块与所述三相电网耦接，所述控制器与 所述三相切换式整流模块耦接，所述总谐波失真补偿单元与所述控制器耦接。其中，所述总 谐波失真补偿控制方法包含向所述总谐波失真补偿单元输入一无功分量初始参考值，所 述总谐波失真补偿单元对所述无功分量初始参考值进行调整以产生一无功分量最终参考 值；以及，通过所述控制器根据所述总谐波失真补偿单元产生的所述无功分量参考值控制 所述三相切换式整流模块中三组单相整流电路，调整所述三相切换式整流模块中的相位角 差，其中所述相位角差是存在于所述三相切换式整流模块中每一单相整流电路的一整流器 交流端相电流的基波分量与一整流器交流端相电压的基波分量之间，进而调节对应所述三 相电网的一功率因子以及消除对应所述三相电网的一电流总谐波畸变率。
本揭示内容的另一方面在于一种总谐波失真补偿控制方法，用于一中压变频驱动 系统，所述中压变频驱动系统包含一三相切换式整流模块、一三相电网、一控制器和一总谐 波失真补偿单元，其中所述三相切换式整流模块与所述三相电网耦接，所述控制器与所述三相切换式整流模块耦接，所述总谐波失真补偿单元与所述控制器耦接，所述总谐波失真补偿控制方法包含向所述总谐波失真补偿单元输入一无功分量初始参考值，所述总谐波失真补偿单元对所述无功分量初始参考值进行调整以产生一无功分量参考值；以及，通过所述控制器根据所述总谐波失真补偿单元产生的所述无功分量参考值控制所述三相切换式整流模块中每一单相整流电路，藉此调整所述三相切换式整流模块中的一相位角差，其中所述相位角差存在于所述中压变频驱动系统的中任意两个电压或电流分量之间，进而调节对应所述三相电网的一功率因子以及消除对应所述三相电网的一电流总谐波畸变率。
图1绘示根据本发明的一实施例中一种中压变频驱动系统的功能方块示意图2绘示中压变频驱动系统中的三相切换式整流模块及其周边电路的局部示意图3绘示操作模式下单相整流电路的等效单相电路示意图4绘示另一操作模式下单相整流电路的等效单相电路示意图
图5绘示另一操作模式下单相整流电路的等效单相电路示意图
图6绘示另一操作模式下单相整流电路的等效单相电路示意图
图7A中绘示单相整流电路122的等效单相电路示意图7B绘示考虑失控区后三相切换式整流模块所输出的整流器交流端等效相电压发生畸变状况的讯号时序示意图7C绘示考虑失控区后三相切换式整流模组的整流器交流侧相电压发生另一种畸变状况的讯号时序示意图8绘示根据本发明的一实施例中一种中压变频驱动系统所包含的控制器与总谐波失真补偿单元的示意图9绘示根据本揭示文件的一实施例中一种总谐波失真补偿控制方法采用在线调节方式的方法流程图；以及
图10绘示本揭示文件的总谐波失真补偿控制方法加入相位角差的在线寻优计算的方法流程
图11绘示接入三相电网的维也纳整流器的简化示意图；以及图12绘示图11中三相切换式整流模组的相位关系。主要组件符号说明100 :中压变频驱动系统 140 :逆变器122 126 :单相整流电路 190 :总谐波失真补偿单元 SlOl SllO :步骤 130 :滤波模块120 :三相切换式整流模块 160 :高容量电容模块 180 :控制器 200 :三相电网 202 :感应电动机具体实施方式
请参阅图1，其绘示根据本发明的一实施例中一种中压变频驱动系统100的功能方块示意图。于实际应用中，中压变频驱动系统100与三相电网200耦接并可用以驱动感 应电动机202。如图1所示，中压变频驱动系统100包含三相切换式整流模块120、逆变器 140、高容量电容模块160、控制器180以及总谐波失真(total harmonic distortion,THD) 补偿单元190。
三相切换式整流模块120与三相电网200耦接，并用以将三相电网200上具有固 定工作频率的交流电压输入转换为直流电压。逆变器140与三相切换式整流模块120耦 接，逆变器140与三相切换式整流模块120配合并将直流电压转化成交流电压，交流电压用 以驱动感应电动机。高容量电容模块160耦接于三相切换式整流模块120与逆变器140之 间，并用以暂存该直流电压。
于本实施例中，本揭示文件中所提及的三相切换式整流模块120，本身可采用三相 维也纳式(Vienna)整流模块的结构。以下段落将对本案所采用的其中一种三相切换式整 流模块120其内部结构做进一步说明。请一并参阅图2，其绘示中压变频驱动系统100中的 三相切换式整流模块120及其周边电路的局部示意图，实际上本案的调控方式可利用在各 种电流单向性的三相切换式整流模块当中，并不仅以此一电路架构为限。
如图2所示，三相切换式整流模块120中包含了三组单相整流电路(单相整流电 路122、单相整流电路124以及单相整流电路126)，三组单相整流电路122 126分别由三 相电网200各自接收一组单相电压输入，三组单相整流电路122 126彼此并联，且三组单 相整流电路122 126均耦接至第一输出端N1、中点Ne以及第二输出端N2 (如图2所示)。
此外，于此实施例中，高容量电容模块160可包含第一电容Cl以及第二电容C2。 第一电容Cl耦接于第一输出端NI与中点Ne之间。第二电容C2耦接于中点Ne与该第二 输出端N2之间。
由于三相切换式整流模块120中的三组单相整流电路122 126皆具有相类似的 架构，因此，以下为说明上的简洁，以其中一个单相整流电路122作举例。其它单相整流电 路124，126因具有相对应的结构，则不再赘述。
如图2所示，根据本揭示内容的一实施例，其中单相整流电路122包含第一二极管 D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关SI以及第二开关S2。第一二 极管Dl的阳极耦接至单相电压输入。第二二极管D2的阳极耦接至第一二极管Dl的阴极， 第二二极管D2的阴极耦接至第一输出端NI。第三二极管D3的阴极耦接至单相电压输入。 第四二极管D4的阴极耦接至第三二极管D3的阳极，第四二极管D4的阳极耦接至第二输出 端N2。第一开关SI的一端耦接至第一二极管Dl与第二二极管D2之间，第一开关SI的另 一端耦接至中点Ne。第二开关S2的一端耦接至中点Ne，第二开关S2的另一端至第三二极 管D3与第四二极管D4之间。
为方便理解本案中三相切换式整流模块120 (单相整流电路122、单相整流电路 124以及单相整流电路126)的作动方式，以下段落利用单相整流电路122的等效单相电路 来示意说明。请一并参阅图3至图6。图3至图6中分别绘示不同操作模式下单相整流电 路122的等效单相电路示意图。
其中，图3绘示单相电压输入为正相位且第一开关SI为导通时单相整流电路122 的电流流向路径。图4绘示单相电压输入为正相位且第一开关SI为不导通时单相整流电 路122的电流流向路径。图5绘示单相电压输入为负相位且第二开关S2为导通时单相整流电路122的电流流向路径。图6绘示单相电压输入为负相位且第二开关S2为不导通时单相整流电路122的电流流向路径。
相较传统的三电平脉宽调变(pulse-width modulation,PWM)整流器,本揭露文件所提出的三相切换式整流模块120的内部电路结构，即三组单相整流电路122 126，其开关组件可减少一半，以二极管取而代的。
请一并参阅图7A，图7A中绘示单相整流电路122的等效单相电路示意图。如图 7A所示，三相电网200其电网侧的相电压的基波分量Us与整流器交流侧相电压的基波分量之间由电抗器Ls连接，实际应用中，此电抗器Ls同时起到储能升压、连接电压源以及滤波作用。
由于输入三相切换式整流模块120的单相整流电路122的电网侧相电流的基波分量is受电抗器Ls上的压降影响，当电网侧相电流的基波分量is与电网侧相电压的基波分量Us同相时，电网侧相电流的基波分量is必然会比整流器交流侧相电压的基波分量超前一定的相位角差(Λ Θ)。而在此相位角差(Λ Θ)相差的范围内，三相切换式整流模块 120的单相整流电路122的整流器交流侧相电压的基波分量w不能被控制器(如图1中的控制器180)完全控制，而同时取决于相电流方向，直到控制器控制输出的相电压调制波换向至与相电流同向。因此Λ Θ相差区域可认为是三相切换式整流模块120的失控区，此区域内的整流器电压会发生畸变，请一并参阅图7Β所示。图7Β绘示考虑失控区后三相切换式整流模块120的整流器交流侧相电压Ur发生畸变状况的讯号时序示意图，图7Β中的畸变状况为两开关组件为同时开启且同时关闭时产生。此外，图7C绘示考虑失控区后三相切换式整流模块120的整流器交流侧相电压Ur发生另一种畸变状况的讯号时序示意图，图7C 中的畸变状况为两开关组件为分别控制时发生。
这种畸变会导致切换式整流器的整流器交流侧相电压W具有很大的低次谐波。电网侧相电流谐波由电网侧相电压与整流器交流侧相电压共同决定，因此整流器交流侧相电压的低次谐波增大最终导致电网侧相电流的低次谐波相应增大。尤其针对中高压或大功率场合，受器件 特性影响，开关频率较低，这种失控区带来的谐波影响更加严重。本发明提出的总谐波失真补偿控制方法主要针对三相切换式整流模块在失控区内对电网电流低次谐波的影响，提出相对应的解决方案。
失控区是低次谐波产生的主要原因，而三相切换式整流模块的电流单向性以及三相切换式整流模块中整流器交流侧相电流与整流器交流侧相电压的基波分量之间的相差共同决定了失控区的产生。三相切换式整流模块的电流单向性由电路结构决定，无法从根本上改变。本揭示文件中提出，针对上述电流与电压的相差则可以通过一定的手段进行补偿，藉此使相位角差(Λ Θ)与失控区缩至最小，从而可以极大地降低低次谐波，进而改善三相切换式整流模块120的谐波失真(harmonic distortion)。
除上述谐波失真的外，影响三相切换式整流模块120效能的因素的中，三相切换式整流模块120的功率因子(power factor)亦非常重要，理想情况下，三相切换式整流模块120可达到功率因子为I的理想值。以下就本案的三相切换式整流模块120如何在保持功率因子的情况下达到理想的总谐波畸变率进行说明。
请一并参阅图8，图8绘示根据本发明的一实施例中一种中压变频驱动系统100所包含的控制器140与总谐波失真补偿单元190的示意图。如图8所示，控制器180可由三相电网200采样得到的电网侧相电流的基波分量is的无功分量Iq与无功分量最终参考值比较，于本案中无功分量最终参考值可为经调整后的无功分量参考值Iq*，无功分量参考值 Iq*的计算与调整产生无功分量最终参考值将在后续段落中详述。
控制器180与三相切换式整流模块120耦接。控制器180根据比较结果以回授方式控制三相切换式整流模块120，直到无功分量Iq趋近该无功分量最终参考值，在常见做法中，无功分量最终参考值可预设为0，藉此使三相切换式整流模块120的功率因子(power factor)为1，达到最佳的功率因子状态。然而，若为达到功率因子为1，则必然形成前述段落中提到的相位角差(Λ Θ)与谐波失真。
因此，本发明提出的总谐波失真补偿单元190，可用以对无功分量参考值Iq*进行一最佳化调整以产生无功分量最终参考值，透过将无功分量参考值Iq*调整为预先设定的非零较佳值或在线寻优的最佳值，作为优化后的无功分量最终参考值。如此一来，便能降低电网侧相电流is的谐波成份并维持对该三相切换式整流模块120的功率因子的控制能力。
有关总谐波失真补偿单元190所采用的无功分量参考值Iq*的最佳化调整，进而产生最佳的无功分量最终参考值流程可采用一总谐波失真补偿控制方法，以下针对总谐波失真补偿控制方法进行说明。
本实施例中的总谐波失真补偿控制方法包含离线调节、在线调节以及在线寻优等方式，用以得到无功分量参考值Iq*的最佳值，即作为无功分量最终参考值。
离线调节整体控制流程可包含通过整流器交流侧相电流的基波分量^与整流器交流侧相电压的基波分量同向的情况下，计算电网侧相电流的基波分量is与电网侧相电压的基波分量Us的相位关系得到一组无功分量参考值Iq*，并实时根据该三相电网上的工作电压与工作负载电流等工作状况，藉由查表取得相应数值。
无功分量参考值Iq*的离线计算法主要根据上述相电压的基波分量与相电流的基波分量之间的相位关系， 由式⑴ (5)得出。
权利要求
1.一种总谐波失真补偿控制方法，用于一三相切换式整流模块，其中所述三相切换式整流模块与一三相电网耦接，用以将所述三相电网上一交流电压输入转换为一直流电压，其特征在于，所述总谐波失真补偿控制方法包含对流入所述三相切换式整流模块的一电网侧相电流进行谐波检测；当所述电网侧相电流的一谐波成份未达一预定谐波值时，停止调节所述电网侧相电流的一无功分量参考值，以形成一无功分量最终参考值，当所述电网侧相电流的一谐波成份超过所述预定谐波值时，进一步判断所述三相切换式整流模块的一整流器交流侧相电流的基波分量与一整流器交流侧相电压的基波分量之间的相位角差；当所述相位角差为一预定相位角差值时，停止调节所述无功分量参考值，当所述相位角差并非所述预定相位角差值时，进一步判断所述三相切换式整流模块的一功率因子；以及当所述功率因子未达一预定功率因子值时，停止调节所述无功分量参考值，当所述功率因子超过所述预定功率因子值时，调整所述无功分量参考值，以改变所述无功分量最终参考值。
2.根据权利要求1所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，进一步包含将所述电网侧相电流的一无功分量与所述无功分量最终参考值比较；以及根据上述比较结果调整所述三相切换式整流模块，直到所述电网侧相电流的所述无功分量趋近所述无功分量最终参考值。
3.根据权利要求1所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述预定谐波值为一预先设定值或一在线寻优的最佳值。
4.根据权利要求1所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述预定相位角差值为零、一预先设定的非零值或一在线寻优的最佳值。
5.根据权利要求1所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，进一步包含在一功率因子允许范围内，采用各种不同的所述无功分量参考值对所述三相切换式整流模块进行调整，并在不同的所述无功分量参考值下分别进行谐波检测得到多个谐波成份与相对应的多个相位角差；以及由上述多个谐波成份与相对应的多个相位角差中，选出一最佳谐波成份值与相对应的一最佳相位角差值。
6.根据权利要求5所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述最佳谐波成份值被套用作为所述预定谐波值，以判断所述电网侧相电流的所述谐波成份是否超过所述预定谐波值，而所述最佳相位角差值被套用作为所述预定相位角差值，以判断所述整流器交流侧相电流的基波分量与所述整流器交流侧相电压的基波分量之间的所述相位角差是否为所述预定相位角差值。
7.一种总谐波失真补偿控制方法，用于一中压变频驱动系统，其特征在于，所述中压变频驱动系统包含一三相切换式整流模块、一三相电网、一控制器和一总谐波失真补偿单兀，其中所述三相切换式整流模块与所述三相电网耦接，所述控制器与所述三相切换式整流模块耦接，所述总谐波失真补偿单元与所述控制器耦接，所述总谐波失真补偿控制方法包含向所述总谐波失真补偿单元输入一无功分量初始参考值，所述总谐波失真补偿单元对所述无功分量初始参考值进行调整以产生一无功分量最终参考值；以及通过所述控制器根据所述总谐波失真补偿单元产生的所述无功分量最终参考值控制所述三相切换式整流模块中每一单相整流电路，藉此调整所述三相切换式整流模块中的一相位角差，其中所述相位角差是存在于所述三相切换式整流模块中每一单相整流电路的一整流器交流侧相电流的基波分量与一整流器交流侧相电压的基波分量之间，进而调节对应所述三相电网的一功率因子以及消除对应所述三相电网的一电流总谐波畸变率。
8.根据权利要求7所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述三相切换式整流模块包含三组单相整流电路，所述三组单相整流电路为三电平整流电路，分别由所述三相电网接收一单相电压输入，所述三组单相整流电路彼此并联，且所述三组单相整流电路均耦接至一第一输出端、一中点以及一第二输出端，所述三相切换式整流模块是用以调节所述功率因子以及消除所述电流总谐波畸变率。
9.根据权利要求8所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述三组单相整流电路的电压输入端与三相电网之间分别接有一电感，每一组单相整流电路包含至少两个二极管，其中一个二极管为换流二极管，所述换流二极管用以确保电流的单向性，所述另一二极管为非换流二极管。
10.根据权利要求9所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述三组单相整流电路中，所述换流二极管工作于开关频率，所述换流二极管采用快速恢复二极管。
11.根据权利要求7所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述无功分量初始参考值与所述无功分量最终参考值是在当通过所述三相切换式整流模块的所述整流器交流侧相电流的基波分量与所述整流器交流侧相电压的基波分量为同向的情况下进行离线计算，藉由计算流入所述三相切换式整流模块的一电网侧相电流的基波分量与一电网侧相电压的基波分量的相位关系得到。
12.根据权利要求11所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述无功分量初始参考值与所述无功分量最终参考值是透过离线计算所得的一组无功分量参考值，并实时根据所述三相电网的工作电压或工作负载电流藉由查表取得相应数值。
13.根据权利要求7所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述总谐波失真补偿单元产生的所述无功分量最终参考值通过所述控制器进而控制所述三相切换式整流模块中每一单相整流电路中的开关组件的开关状态，进而调节对应所述三相电网的所述功率因子以及消除对应所述三相电网的所述电流总谐波畸变率。
14.根据权利要求7所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述总谐波失真补偿单元对所述无功分量初始参考值进行调整并产生所述无功分量最终参考值的步骤，更包含对流入所述三相切换式整流模块的一电网侧相电流进行谐波检测；以及当所述电网侧相电流的一谐波成份未达一预定谐波值时，停止调节所述电网侧相电流的一无功分量参考值，以形成所述无功分量最终参考值。
15.根据权利要求14所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述总谐波失真补偿单元对所述无功分量初始参考值进行调整并产生所述无功分量最终参考值的步骤，进一步包含当所述电网侧相电流的一谐波成份超过所述预定谐波值时，进一步判断所述三相切换式整流模块中每一单相整流电路的所述整流器交流侧相电流的基波分量与所述整流器交流侧相电压的基波分量之间的所述相位角差；以及当所述相位角差为一预定相位角差值时，停止调节所述无功分量参考值，以形成所述无功分量最终参考值。
16.根据权利要求15所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，进一步包含当所述相位角差并非所述预定相位角差值时，进一步判断所述三相切换式整流模块的一功率因子；以及当所述功率因子低于所述预定功率因子时，停止调节所述无功分量参考值，以形成所述无功分量最终参考值。
17.根据权利要求16所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，当所述功率因子高于所述预定功率因子值时，调整所述无功分量参考值，以改变所述无功分量最终参考值。
18.根据权利要求17所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，进一步包含将所述电网侧相电流的一无功分量与调整后的所述无功分量最终参考值比较；以及根据上述比较结果调整所述三相切换式整流模块，直到所述电网侧相电流的所述无功分量趋近所述无功分量最终参考值。
19.根据权利要求14所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述预定谐波值为一预先设定值或一在线寻优的最佳值。
20.根据权利要求15所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述预定相位角差值为零、一预先设定的非零值或一在线寻优的最佳值。
21.根据权利要求16所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，在一功率因子允许范围内，采用各种不同的所述无功分量参考值对所述三相切换式整流模块进行调整，并在不同的所述无功分量参考值下分别进行谐波检测得到多个谐波成份与相对应的多个相位角差；以及由上述多个谐波成份与相对应的多个相位角差中，选出一最佳谐波成份值与相对应的一最佳相位角差值。
22.根据权利要求21所述的总谐波失真补偿控制方法，其特征在于，所述最佳谐波成份值被套用作为所述预定谐波值，以判断所述电网侧相电流的所述谐波成份是否超过所述预定谐波值，而所述最佳相位角差值被套用作为所述预定相位角差值，以判断所述整流器交流侧相电流的基波分量与所述整流器交流侧相电压的基波分量之间的所述相位角差是否为所述预定相位角差值。
23.—种中压变频驱动系统，其与一三相电网耦接并用以驱动一感应电动机，其特征在于，所述中压变频驱动系统包含一三相切换式整流模块，与所述三相电网耦接，用以将所述三相电网上一交流电压输入转换为一直流电压；一控制器，其与所述三相切换式整流模块耦接，所述控制器将由所述三相电网采样得到的一电网侧相电流的一无功分量与一无功分量最终参考值比较，藉此，所述控制器根据比较结果控制所述三相切换式整流模块，直到所述无功分量趋近所述无功分量最终参考值；以及一总谐波失真补偿单元，所述总谐波失真补偿单元用以对所述无功分量参考值进行一最佳化调整，藉此，在保证功率因子的情况下，降低所述电网侧相电流的一谐波成份。
24.根据权利要求23所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述总谐波失真补偿单元对流入所述三相切换式整流模块的一电网侧相电流进行谐波检测，当所述电网侧相电流的一谐波成份未达一预定谐波值时，停止调节所述电网侧相电流的一无功分量参考值，以形成所述无功分量最终参考值，当所述电网侧相电流的一谐波成份超过所述预定谐波值时，进一步判断所述三相切换式整流模块中每一单相整流电路的一整流器交流端相电流的基波分量与一整流器交流端相电压的基波分量之间的一相位角差，当所述相位角差为一预定相位角差值时，停止调节所述无功分量参考值，以形成所述无功分量最终参考值，当所述相位角差并非所述预定相位角差值时，进一步判断所述三相切换式整流模块的一功率因子，当所述功率因子未达一预定功率因子值时，停止调节所述无功分量参考值，以形成所述无功分量最终参考值，当所述功率因子超过所述预定功率因子值时，调整所述无功分量参考值，以改变所述无功分量最终参考值。
25.根据权利要求23所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述控制器将所述电网侧相电流的一无功分量与所述无功分量最终参考值比较，并根据上述比较结果调整所述三相切换式整流模块，直到所述电网侧相电流的所述无功分量趋近所述无功分量最终参考值。
26.根据权利要求24所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三相切换式整流模块与所述三相电网的每一单相输入路径上耦接有一滤波单元，每一所述滤波单元包含串联的一第一电抗与一第二电抗以及一电容器。
27.根据权利要求26所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述总谐波失真补偿单元在一功率因子允许范围内，采用各种不同的所述无功分量参考值对所述三相切换式整流模块进行调整，并在不同的所述无功分量参考值下分别进行谐波检测得到多个谐波成份与相对应的多个相位角差，并由上述多个谐波成份与相对应的多个相位角差中，选出以在线寻优产生的一最佳谐波成份值与相对应的一最佳相位角差值。
28.根据权利要求27所述的中压变频驱动系统，其特征在于，以在线寻优产生的所述最佳谐波成份值被套用作为所述预定谐波值，所述总谐波失真补偿单元藉以判断所述电网侧相电流的所述谐波成份是否超过所述预定谐波值，而所述最佳相位角差值被套用作为所述预定相位角差值，所述总谐波失真补偿单元藉以判断所述整流器交流侧相电流的基波分量与所述整流器交流侧相电压的基波分量之间的所述相位角差是否为所述预定相位角差值。
29.根据权利要求23所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三相切换式整流模块包含三组单相整流电路，所述三组单相整流电路为三电平整流电路，分别由所述三相电网接收一单相电压输入，所述三组单相整流电路彼此并联，且所述三组单相整流电路均耦接至一第一输出端、一中点以及一第二输出端，所述三相切换式整流模块是用以调节所述功率因子以及消除所述电流总谐波畸变率。
30.根据权利要求29所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三组单相整流电路的电压输入端与三相电网之间分别接有一电感，每一组单相整流电路包含至少两个二极管，其中一个二极管为换流二极管，所述换流二极管用以确保电流的单向性，所述另一二极管为非换流二极管。
31.根据权利要求30所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三组单相整流电路中，所述换流二极管工作于开关频率，所述换流二极管采用快速恢复二极管。
32.根据权利要求24所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三相切换式整流模块为一三相维也纳式整流模块。
33.根据权利要求24所述的中压变频驱动系统，其特征在于，更包含一逆变器，与所述三相切换式整流模块耦接，所述逆变器与所述三相切换式整流模块配合并将所述直流电压转化成一交流电压，所述交流电压用以驱动所述感应电动机；以及一高容量电容模块，耦接于所述三相切换式整流模块与所述逆变器之间，用以暂存所述直流电压。
34.根据权利要求33所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三相切换式整流模块包含三组单相整流电路，所述三组单相整流电路分别由所述三相电网接收一单相电压输入，所述三组单相整流电路彼此并联，且所述三组单相整流电路均耦接至一第一输出端、一中点以及一第二输出端。
35.根据权利要求34所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述高容量电容模块包含一第一电容，耦接于所述第一输出端与所述中点之间；以及一第二电容，耦接于所述中点与所述第二输出端之间。
36.根据权利要求35所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述三组单相整流电路中每一组单相整流电路各自包含一第一二极管，所述第一二极管的一阳极耦接至所述单相电压输入；一第二二极管，所述第二二极管的一阳极耦接至所述第一二极管的一阴极，所述第二二极管的一阴极耦接至所述第一输出端；一第三二极管，所述第三二极管的一阴极耦接至所述单相电压输入；一第四二极管，所述第四二极管的一阴极耦接至所述第三二极管的一阳极，所述第四二极管的一阳极耦接至所述第二输出端；一第一开关，所述第一开关的一第一端耦接至所述第一二极管与所述第二二极管之间，所述第一开关的一第二端耦接至所述中点；以及一第二开关，所述第二开关的一第一端耦接至所述中点，所述第二开关的一第二端至所述第三二极管与所述第四二极管之间。
37.一种总谐波失真补偿控制方法，用于一中压变频驱动系统，其特征在于，所述中压变频驱动系统包含一三相切换式整流模块、一三相电网、一控制器和一总谐波失真补偿单元，其中所述三相切换式整流模块与所述三相电网耦接，所述控制器与所述三相切换式整流模块耦接，所述总谐波失真补偿单元与所述控制器耦接，所述总谐波失真补偿控制方法包含向所述总谐波失真补偿单元输入一无功分量初始参考值，所述总谐波失真补偿单元对所述无功分量初始参考值进行调整以产生一无功分量参考值；以及通过所述控制器根据所述总谐波失真补偿单元产生的所述无功分量参考值控制所述三相切换式整流模块中每一单相整流电路，藉此调整所述三相切换式整流模块中的一相位角差，其中所述相位角差存在于所述整流器交流侧至所述三相电网侧的任意两个电压或电流分量之间，进而调节对应所述三相电网的一功率因子以及消除对应所述三相电网的一电流总谐波畸变率。
38.根据权利要求37所述的中压变频驱动系统，其特征在于，所述相位角差存在于一整流器交流端相电流的基波分量与一整流器交流端相电压的基波分量之间、一电网侧相电流的基波分量与一整流器交流端相电压的基波分量之间或一电网侧相电流的基波分量与一电网侧相电压的基波分量之间。
全文摘要
本发明揭露一种中压变频驱动系统与其总谐波失真补偿控制方法，其中，中压变频驱动系统包含一总谐波失真补偿单元，总谐波失真补偿单元用以对电网侧相电流的无功分量参考值进行最佳化调整，藉此，降低电网侧相电流的谐波成份并维持中压变频驱动系统其三相切换式整流模块的功率因子。
文档编号H02J3/01GK103023290SQ20111034882
公开日2013年4月3日 申请日期2011年11月7日 优先权日2011年9月23日
发明者陈伟, 蒲波宇, 张怡 申请人:台达电子企业管理(上海)有限公司