高功率因素超低谐波N相并联交错BUCK大功率整流装置的制作方法

本实用新型属于拓扑电路技术领域，具体涉及一种新型的高功率因素超低谐波n相并联交错buck大功率整流装置。

背景技术：

据分析，2001年以来我国能源消费结构并没有发生显著的改变。石化能源，特别是煤炭消费在一次能源消费中一直居于主导地位，所占的比重分别达到九成和六成以上。传统能源会对环境造成很大破坏，同时会造成多次污染。

随着现代工业的发展，人类对绿色能源的迫切需要，氢气渐渐被人们所重视。基于碱液电解水制氢，电解槽的独有特性，高效制氢电解槽需要较低的电压，超大电流，以市面上5m³/h电解槽为例，需要整流设备输出参数为102v/4600a，传统做法多为可控硅整流。利用传统的可控硅整流器(scr)制氢设备效率低下，谐波较大，功率因素很低，对电网造成巨大危害的同时，低效率也对电能造成了极大的浪费。而且现有的拓扑图，因磁性器件的尺寸，工艺等一系列问题，开关电源功率受到了很大限制，30kw，50kw高频开关电源开发难度很大，需用到一些特殊的拓扑，成本很高，对于大规模制氢来讲，功率等级受到很大限制。本专利综合所有拓扑利弊，提出一种新型的拓扑，可实现超大功率输出。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题：提供一种高功率因素超低谐波n相并联交错buck大功率整流装置，本实用新型可有效降低网侧谐波，改善功率因素，提高系统效率，为超大功率能源高效利用提供解决方案。

本实用新型采用的技术方案：高功率因素超低谐波n相并联交错buck大功率整流装置，包括降低网侧谐波和改善功率因素的拓扑电路，所述拓扑电路包括变压器、断路器k1、熔丝fu1、熔丝fu2、熔丝fu3、预充电阻r1、预充电阻r2、预充电阻r3、旁路接触器ka、旁路接触器kb、旁路接触器kc、交流侧电感la、交流侧电感lb、交流侧电感lc、受控开关q1、受控开关q2、受控开关q3、受控开关q4、受控开关q5、受控开关q6、储能电容cin、放电电阻ra、放电电阻rb以及由受控开关k1、受控开关k2、受控开关k3、受控开关k4、受控开关k5、受控开关kn、受控开关d1、受控开关d2、受控开关d3、受控开关d4、受控开关d5、受控开关dn和电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5、电感ln组成的n相并联交错buck电路；所述变压器、断路器k1、熔丝fu1、熔丝fu2、熔丝fu3、预充电阻r1、预充电阻r2、预充电阻r3、旁路接触器ka、旁路接触器kb、旁路接触器kc、交流侧电感la、交流侧电感lb、交流侧电感lc依次串联连接；所述受控开关q1、受控开关q4串联后同时并联在储能电容cin两端，所述受控开关q2、受控开关q5串联后同时并联在储能电容cin两端，所述受控开关q3、受控开关q6串联后同时并联在储能电容cin两端，所述放电电阻ra、放电电阻rb串联后同时并联在储能电容cin两端；所述受控开关q1、受控开关q4相连接脚与交流侧电感la连接，所述受控开关q2、受控开关q5相连接脚与交流侧电感lb连接，所述受控开关q3、受控开关q6相连接脚与交流侧电感lc连接；所述受控开关q1、受控开关q2、受控开关q3、储能电容cin以及放电电阻ra相连接脚直接与n相并联交错buck电路的输入端连接，所述n相并联交错buck电路的输出端连接负载rl。

对上述技术方案的进一步限定，所述n相并联交错buck电路中，所述受控开关k1、受控开关d1、电感l1依次串联形成第一相buck，所述受控开关k2、受控开关d2、电感l2串联后形成第二相buck，所述受控开关k3、受控开关d3、电感l3串联后形成第三相buck，所述受控开关k4、受控开关d4、电感l4串联后形成第四相buck，所述受控开关k5、受控开关d5、电感l5串联后形成第五相buck，所述受控开关kn、受控开关dn、电感ln串联后形成第n相buck，所述第一相buck至第n相buck之间相互并联连接，所述受控开关q1、受控开关q2、受控开关q3、储能电容cin以及放电电阻ra相连接脚与受控开关k1、受控开关k2、受控开关k3、受控开关k4、受控开关k5、受控开关kn相连接脚直接连接，所述电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5、电感ln相连接脚与负载rl相连。

对上述技术方案的进一步限定，所述受控开关q1、受控开关q2、受控开关q3、受控开关q4、受控开关q5、受控开关q6选用igbt或mosfet；所述受控开关k1、受控开关k2、受控开关k3、受控开关k4、受控开关k5、受控开关kn选用igbt或mosfet；所述受控开关d1、受控开关d2、受控开关d3、受控开关d4、受控开关d5、受控开关dn选用二极管或者igbt或者mosfet；所述电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5、电感ln也可用高磁导率的磁环代替或者铁氧体代替或新型磁芯材质。

本实用新型与现有技术相比的优点：

1、本方案中交流侧电感la、交流侧电感lb、交流侧电感lc和受控开关q1、交流侧电感q2、交流侧电感q3、交流侧电感q4、交流侧电感q5、交流侧电感q6组成三相boost，通过不同的导通时序，可实现网侧高功率因素，低谐波，使储能电容cin两端得到稳定的直流电压，可有效降低网侧谐波，改善功率因素，提高系统效率，为超大功率能源高效利用提供解决方案；

2、本方案采用n相并联交错buck电路，可有效降低负载侧电压电流纹波，实现简单，控制较容易，可实现很高的开关频率，从而大大得降低了磁性元器件的尺寸，提高了系统效率；

3、本方案是一种超大功率、高功率因素、高效率的制氢整流设备，可实现风光氢之间的高效转换，能源互补，实现ac-dc高效转换，效率可达98％，电网侧谐波可控制在3％，功率因素接近单位功率因素，可大规模使用。

附图说明

图1为本实用新型的拓扑电路图；

图2为本实用新型进一步改进的拓扑电路图；

图3为本实用新型实施例中控制时序示意图；

图4为本实用新型实施例中控制采样示意图；

图5为本实用新型实施例中空间电压关系矢量图；

图6为本实用新型实施例中网侧输入电压电流波形图；

图7为本实用新型实施例中网侧谐波含量图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参阅图1-7，详述本实用新型的实施例。

高功率因素超低谐波n相并联交错buck大功率整流装置，如图1所示，包括可降低网侧谐波和改善功率因素的拓扑电路，所述拓扑电路包括变压器、断路器k1、熔丝fu1、熔丝fu2、熔丝fu3、预充电阻r1、预充电阻r2、预充电阻r3、旁路接触器ka、旁路接触器kb、旁路接触器kc、交流侧电感la、交流侧电感lb、交流侧电感lc、受控开关q1、受控开关q2、受控开关q3、受控开关q4、受控开关q5、受控开关q6、储能电容cin、放电电阻ra、放电电阻rb以及由受控开关k1、受控开关k2、受控开关k3、受控开关k4、受控开关k5、受控开关kn、受控开关d1、受控开关d2、受控开关d3、受控开关d4、受控开关d5、受控开关dn和电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5、电感ln组成的n相并联交错buck电路。所述变压器、断路器k1、熔丝fu1、熔丝fu2、熔丝fu3、预充电阻r1、预充电阻r2、预充电阻r3、旁路接触器ka、旁路接触器kb、旁路接触器kc、交流侧电感la、交流侧电感lb、交流侧电感lc依次串联连接；所述受控开关q1、受控开关q4串联后同时并联在储能电容cin两端，所述受控开关q2、受控开关q5串联后同时并联在储能电容cin两端，所述受控开关q3、受控开关q6串联后同时并联在储能电容cin两端，所述放电电阻ra、放电电阻rb串联后同时并联在储能电容cin两端；所述受控开关q1、受控开关q4相连接脚与交流侧电感la连接，所述受控开关q2、受控开关q5相连接脚与交流侧电感lb连接，所述受控开关q3、受控开关q6相连接脚与交流侧电感lc连接；所述受控开关q1、受控开关q2、受控开关q3、储能电容cin以及放电电阻ra相连接脚直接与n相并联交错buck电路输入端连接，所述n相并联交错buck电路输出端连接负载rl。

所述n相并联交错buck电路中，所述受控开关k1、受控开关d1、电感l1依次串联形成第一相buck，所述受控开关k2、受控开关d2、电感l2串联后形成第二相buck，所述受控开关k3、受控开关d3、电感l3串联后形成第三相buck，所述受控开关k4、受控开关d4、电感l4串联后形成第四相buck，所述受控开关k5、受控开关d5、电感l5串联后形成第五相buck，所述受控开关kn、受控开关dn、电感ln串联后形成第n相buck，所述第一相buck至第n相buck之间相互并联连接，所述受控开关q1、受控开关q2、受控开关q3、储能电容cin以及放电电阻ra相连接脚与受控开关k1、受控开关k2、受控开关k3、受控开关k4、受控开关k5、受控开关kn相连接脚直接连接，所述电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5、电感ln相连接脚与负载rl相连。

优选的，所述受控开关q1、受控开关q2、受控开关q3、受控开关q4、受控开关q5、受控开关q6选用igbt或mosfet；受控开关k1、受控开关k2、受控开关k3、受控开关k4、受控开关k5、受控开关kn选用igbt或mosfet；所述受控开关d1、受控开关d2、受控开关d3、受控开关d4、受控开关d5、受控开关dn选用二极管或者igbt或者mosfet；所述电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5、电感ln也可用高磁导率的磁环代替或者铁氧体代替或新型磁芯材质。

工作原理：大功率油浸的变压器将35kv、110kv电网电压降压到220v-690v，后经过断路器k1、熔丝fu1、熔丝fu2、熔丝fu3、预充电阻r1、预充电阻r2、预充电阻r3、旁路接触器ka、旁路接触器kb、旁路接触器kc、交流侧电感la、交流侧电感lb、交流侧电感lc处理，交流侧电感la、交流侧电感lb、交流侧电感lc和受控开关q1、受控开关q2、受控开关q3、受控开关q4、受控开关q5、受控开关q6组成三相boost，输入的三相380v经过网侧电感升压到600v，再通过对受控开关q1、受控开关q2、受控开关q3、受控开关q4、受控开关q5、受控开关q6一定的算法控制，通过不同的导通时序，实现网侧高功率因素、低谐波，使储能电感cin两端得到稳定的直流电压，后经过n相并联交错buck，给负载rl提供稳定的直流电压。

其中，断路器k1用于短路保护；熔丝fu1、熔丝fu2、熔丝fu3采用大功率电源模块输入熔丝，用于保护后级电路；预充电阻r1、预充电阻r2、预充电阻r3的作用：当整流器启动瞬间，cin容量很大，相当短路，添加预充电阻r1、预充电阻r2、预充电阻r3可限流，当电容cin两端电压达到额定电压的80％，系统dsp控制旁路接触器ka、旁路接触器kb、旁路接触器kc闭合后，系统dsp控制脉宽慢慢展开，系统启动，通过控制受控开关q1、受控开关q2、受控开关q3、受控开关q4、受控开关q5、受控开关q6按一定算法工作，使cin两端就可以产生恒定直流且电压高于输入电压。此时网侧由于交流侧电感la、交流侧电感lb、交流侧电感lc和受控开关q1、受控开关q2、受控开关q3、受控开关q4、受控开关q5、受控开关q6协调工作，网侧输入电流相位与电压相位一致且网侧谐波很小，前级实现了降低网侧谐波，提高了整个系统得功率因素。

由受控开关k1、受控开关k2、受控开关k3、受控开关k4、受控开关k5、受控开关kn、受控开关d1、受控开关d2、受控开关d3、受控开关d4、受控开关d5、dn和电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5、电感ln组成的n相并联交错buck电路，通过对控制信号的移相，可得到低纹波电压电流，实现后级超大功率电流电压任意可调(需低于cin两端电压)，输出到负载rl电压通过控制受控开关k1、受控开关k2、受控开关k3、受控开关k4、受控开关k5、受控开关kn得到用电器需要的电压。该n相并联交错buck可有效降低负载侧电压电流纹波，实现简单，控较容易，可实现很高的开关频率，大大得降低了磁性元器件的尺寸，提高了系统效率，实现超大功率应用场合。

图4为本实用新型的控制框图，主控板可采用dsp+fpga或者dsp+cpld实现整个控制，本拓扑图的电压电流温度均使用隔离采样的方式。

本实用新型还可演变为另一种高功率因素的n相并联交错同步buck大功率整流装置，如图2所示，可最大限度的减小第二级二极管的导通损耗和开关损耗，实现功率无限扩容。

其中，电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5、电感ln工作频率可以很高，所以电感尺寸很小，通过dsp算法控制受控开关qa、受控开关qb、受控开关qc、受控开关qd、受控开关qe，受控开关qf实现电网侧高功率因素，极低的谐波含量，通过控制受控开关q1、受控开关q2、受控开关q3、受控开关q4、受控开关q5、受控开关qn实现平稳的直流输出，输出电压可以随意设定。

受控开关qa、受控开关qb、受控开关qc、受控开关qd、受控开关qe，受控开关qf门级驱动频率5khz，电网电压稳定，忽略谐波和交流侧电阻，得到前级升压整流器矢量关系式e＝jωli+v，其中e为电网电压矢量，jωli为网侧电感电压矢量，v为交流侧电压矢量。从以上公式可知通过改变交流侧v的幅值或相位，网侧电流i与电网电压e夹角将发生变化。

通过分析可知，受控开关qa、受控开关qb、受控开关qc、受控开关qd、受控开关qe，受控开关qf采用空间矢量控制方法，电压矢量v包含两个零矢量v0(000)，v7(111)和六个非零矢量，将矢量圆划分为六个扇区i-vi。电压处于任一扇区时，均可由该扇区边界的非零矢量合成得到。以扇区i中的参考矢量vs为例，其矢量合成如图5所示：

参考矢量vs可以由扇区边界矢量v4与v6合成所得：

其中，ts为开关周期，t4和t6为电压矢量和作用时间。

由k1，q1，l1；k2，q2，l2；k3，q3，l3；k4，q4，l4；k5，q5，l5；kn，qn，ln分别组成n相并联交错同步buck电路，通过控制k1，k2，k3，k4，k5，kn的驱动的占空比，就可以控制输出电压电流，通过算法可实现每一个并联模块均流问题，通过控制q1，q2，q3，q4，q5，qn的导通时序，可以降低损耗，从而提高整机效率，减小体积。k1，k2，k3，k4，k5，kn采用移向控制，设n相buck，每一项开关管的开关频率为fs，周期t，k1，k2，k3，k4，k5，kn移相角度为2π/n。

主控板中的dsp可通过霍尔传感器采集每一项的输出电流，实时监测单相电流，通过控制图3中sw-1,sw-n的占空比实现相间动态均流。

图6为本实用新型实施例中网侧输入电压电流波形图，通过图6仿真波形可以看出，网侧电压电流相位基本一致，功率因素很高，接近单位功率因素.图7为本实用新型实施例中网侧谐波含量图，图7中显示thdi＝3.36％，谐波含量很小。

本实用新型是一种超大功率、高功率因素、高效率的制氢整流设备，用于电解水制氢，可实现风光氢之间的高效转换，能源互补，实现ac-dc高效转换，效率可达98％，电网侧谐波可控制在3％，功率因素接近单位功率因素，可大规模并网使用。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。