一种应用于不控整流阀的新型均压系统及控制方法

1.本发明涉及不控整流阀领域，具体涉及一种应用于不控整流阀的新型均压系统及控制方法。


背景技术：

2.不控整流阀是高压直流输电组网结构中重要的整流环节，且具有重量轻、占地面积小和易维护等特点，并在基于中频(400hz)整流的新型轻型直流输电系统获得快速发展和应用；
3.串联二极管是不控整流阀的核心组件，其具有导通电流大、耐压值高和成本低等特点；然而，二极管结电容、内阻和反向恢复时间等参数存在差异性，使得串联二极管关断过程和阻断状态中存在电压分布不均衡，引起部分二极管击穿，危及不控整流阀安全稳定运行；因此，保持串联二极管断态时的电压均衡是不控整流阀领域中的难题；
4.目前，技术文献1《二极管串联高压整流的电压分布与均压问题》提出的给多级串联二极管并联均压电阻的方法能够抑制二极管电流过冲，从而实现多级二极管串联均压，但是在高压场合下该方法产生的缓冲损耗比较大；
5.技术文献2《rc缓冲电路的优化设计》提供了一种并联rc缓冲电路的方法实现串联二极管均压，其中，rc缓冲电路能够有效地吸收二极管关断时的尖峰电压，以达到均压的效果，但是在高压场合下rc缓冲电路损耗和体积较大。
6.技术文献3《sic mosfet驱动及缓冲技术研究》提供了一种适用于高压直流输电的rcd缓冲电路，能够抑制过大的电流变化率和过高的电压尖峰，保障串联二极管电压分布均衡；但是rcd缓冲电路仍存在rc参数值整定过程复杂的缺陷：首先，电阻的最小值需要满足二极管的电流限制，最大值需要满足二极管逆程rc放电周期；其次，电容的取值决定电压尖峰的吸收效果；电容越大，电压尖峰和二极管关断损耗就越小，均压效果越好；但会导致电路体积增加，且电容最大值也需要满足二极管逆程rc放电周期；
7.同时，现有技术需要根据不同串联二极管的过压条件，对各个器件参数进行不同的人工调试，不控整流阀不能独立调制运行；
8.因此，在不控整流阀的现有技术中，存在参数设计复杂、损耗较大以及不控整流阀不能独立调制运行的问题。


技术实现要素：

9.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种应用于不控整流阀的新型均压系统及控制方法，其目的在于解决串联二极管均压技术中的参数设置复杂、损耗较大以及不控整流阀不能独立调制运行的技术问题，实现参数设计简便、损耗小以及不控整流阀独立调制运行的目的。
10.为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
11.一种应用于不控整流阀的新型均压系统，不控整流阀包括多个串联二极管，串联
二极管串联于三相电压电路的支臂，均压系统包括多个均压单元，均压单元用于调节串联二极管的电压均衡，均压单元包括稳压模块、第一电阻、储能模块、开关模块、第二电阻及控制模块；稳压模块的第一端连接串联二极管的负极，稳压模块的第二端连接第一电阻的第一端及储能模块的第一端，储能模块的第二端连接开关模块的第一端及第二电阻的第一端，串联二极管的正极连接第一电阻的第二端、开关模块的第二端及第二电阻的第二端，开关模块的控制端连接控制模块，控制模块用于控制开关模块的开断。
12.储能模块与第二电阻之间还设有导流二极管，导流二极管的正极连接储能模块的第二端，导流二极管的负极连接第二电阻的第一端。
13.稳压模块包括第一电容，第一电容用于滤除串联二极管的过压信号。
14.储能模块包括第一电感，第一电感用于储存过压信号，并通过第一电阻及第二电阻导流。
15.一种应用于不控整流阀的新型均压控制方法，该上述的均压系统，该方法包括有：
16.采集各个串联二极管的电压信号，并与设定的串联二极管的均值电压相比较，计算电压差值；将电压差值通过pi积分运算，并实时测量串联二极管的等效阻抗；调节等效阻抗至设定的均值阻抗，进而调节电压信号的电压值；将调节后的电压信号进行负反馈，并不断降低电压差值。
17.计算各个串联二极管的总阻抗及三相电压电路的支臂电压值，电压信号的电压值与支臂电压值的比值等于等效阻抗与总阻抗的比值。
18.控制模块通过控制开关模块的占空比，进而调节等效阻抗。
19.控制模块采用直流斩波的方式调节开关模块的占空比。
20.均值电压为各个串联二极管在关断时的稳态电压的平均值。
21.相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过稳压模块滤除过压信号，降低了串联二极管的电压变化率；通过储能模块对过压信号进行储能，并通过第一电阻及第二电阻进行导流，实现二极管的动态缓冲；通过开关模块的导通与断开，调整串联二极管耗能的等效阻值，抑制了电流变化率，降低了损耗；其参数设计只包含开关模块的占空比参数，参数设计简便；在均压系统中引入控制方法，对串联二极管的电压信号进行负反馈调整及电压差值的pi积分运算，降低了电压信号与均值电压的电压差值，串联二极管的电压信号实时动态跟踪桥臂的均值电压，优化串联二极管的均压效果，实现了不控整流阀独立调制运行的效果。
22.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
23.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
24.图1为本发明的实施例的不控整流阀的电路结构示意图；
25.图2为本发明的实施例的串联二极管的简化示意图；
26.图3为本发明的实施例的串联二极管的桥臂截止电压的等效电路图；
27.图4为本发明的实施例的均压单元电路原理图；
28.图5为本发明的实施例的均压控制方法的反馈结构示意图；
29.图6为本发明的实施例的不控整流阀参数图；
30.图7为本发明的实施例的仿真结构参数图；
31.图8为本发明的实施例的无均压系统的串联二极管的电压参数图；
32.图9为本发明的实施例的传统均压系统的串联二极管的电压参数图；
33.图10为本发明的实施例的新型均压系统的串联二极管的电压参数图。
具体实施方式
34.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
35.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各,细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
36.一种应用于不控整流阀的新型均压系统，如图1所示，不控整流阀包括交流电源ac、变压器t、线路电感le以及多个串联二极管，均压系统包括多个均压单元1，均压单元1用于调节串联二极管在关断时的电压均衡。
37.交流电源ac的输出端连接变压器t的输入端，变压器t的输出端连接三相电压电路，三相电压电路中的每相电路连接线路电感le，线路电感le的第一端连接三相电压电路，线路电感le的第二端连接串联二极管，每相电路中多个串联二极管顺序串联连接；包括第一串联二极管、第二串联二极管
···
第n个串联二极管，并对应第一均压单元1、第二均压单元1
···
第n个均压单元1。
38.其中，串联二极管参数将与其运行的电压相关；串联二极管是典型的半导体器件，在空间电荷区内，电荷量将随外加电压而发生改变，并呈现出电容效应，即为结电容，按照机理的不同，结电容可分为扩散电容和势垒电容；其中，势垒电容的电容值和扩散电容的电容值分别与外加反向电压和外加正向电压相关；因此，串联二极管在工作时需要考虑其结电容效应。
39.串联二极管在暂态过程中可进一步化简如图2所示；其中，vd为串联二极管两端电压；当串联二极管正向导通时，可等效为扩散电容cf和扩散电阻rf并联模型；当串联二极管反向截止时，可等效为势垒电容cr模型；当串联二极管组串正向导通时，各二极管压降为零，不存在电压分配以及耐压问题；当串联二极管组串反向截止时，各串联二极管需承受极高的直流电压，需要附加均压单元1实现串联二极管反向电压动稳态均衡。
40.在截止时，桥臂的电压等效电路如图3所示，以第m个串联二极管为例，第m个串联二极管承压的幅值为的计算为公式(1)：
[0041][0042]
其中，为第m个串联二极管的截止过程的电压，vs为桥臂电压，c
rm
为第m个串联二极管的势垒电容，ld为串联桥臂的电感，ω为线路角频率，ωc
rm
为串联二极管势垒电容的阻抗，ωld为电感阻抗，为桥臂上的串联二极管势垒电容的总阻抗。
[0043]
通过采用均压单元1实现串联二极管反向电压动稳态均衡。
[0044]
如图4所示，均压单元1包括稳压模块10、第一电阻r1、储能模块11、开关模块12、第二电阻r2及控制模块13；稳压模块10用于稳定串联二极管在关断时的电压信号；储能模块11用于储存串联二极管在关断时产生的过压信号，并通过第一电阻r1及第二电阻r2导流；控制模块13用于控制开关模块12的导通与关断，从而实现第二电阻r2与储能模块11的连接与断开。
[0045]
稳压模块10的第一端连接串联二极管的负极，稳压模块10的第二端连接第一电阻r1的第一端及储能模块11的第一端，储能模块11的第二端连接开关模块12的第一端及第二电阻r2的第一端，串联二极管的正极连接第一电阻r1的第二端、开关模块12的第二端及第二电阻r2的第二端，开关模块12的控制端连接控制模块13。
[0046]
储能模块11与第二电阻r2之间还设有导流二极管m2，导流二极管m2用于实现储能模块11与第二电阻r2之间电流的快速流通，导流二极管m2的正极连接储能模块11的第二端，导流二极管m2的负极连接第二电阻r2的第一端。
[0047]
稳压模块10包括第一电容c1，依照串联二极管在关断时的电压信号的电压值设定第一电容c1的电容值；储能模块11包括第一电感l1，依照串联二极管的过压信号设定第一电感l1的电感值；开关模块12包括第一开关管m1，第一开关管m1采用高频开关管；导流二极管m2采用快恢复二极管。
[0048]
通过控制第一开关管m1的导通与关闭，可在串联二极管截止电压较大时，实现第二电阻r2的导通与断开，从而调节串联二极管的等效阻抗，进而调节串联二极管的截止电压。
[0049]
将串联二极管的电压信号与均值电压进行差值运算，得出电压差值；pi控制器的输入端接收电压差值，pi控制器的输出端连接控制模块13的输入端，控制模块13的输出端连接开关模块12的控制端；pi控制器用于对电压差值进行积分运算，并输出积分信号至控制模块13；控制模块13用于接收并根据积分信号控制开关模块12的导通与关闭。
[0050]
一种应用于不控整流阀的新型均压控制方法，该方法采用上述的用于不控整流阀的均压系统，该方法包括有：
[0051]
设定串联二极管在关断时的均值电压以及相应的均值阻抗；采集各个串联二极管的电压信号，并与均值电压相比较，计算电压差值；将电压差值通过pi积分运算，并实时测量串联二极管的等效阻抗；调节等效阻抗至均值阻抗，进而调节电压信号的电压值；将调节后的电压信号进行负反馈，并不断降低电压差值。
[0052]
其中，计算计算各个串联二极管的总阻抗与三相电压电路的支臂电压值，均值电压为各个串联二极管在关断时的稳态电压的平均值，均值电压通过支臂电压值依照串联二极管均分得出，电压信号的电压值与支臂电压值的比值等于等效阻抗与总阻抗的比值。
[0053]
如图5所示，具体的，pi控制器的同向输入端接收串联二极管的电压信号，pi控制器的反向输入端接收设定的均值电压，电压信号与均值电压进行比较得出电压差值，pi控制器对电压差值进行积分运算。
[0054]
pi控制器将积分运算后的结果输出至控制模块13，控制模块13根据设定的均值阻抗调节串联二极管的等效阻抗。
[0055]
具体的，控制模块13通过控制开关模块12的占空比，进而调节等效阻抗。
[0056]
进一步地，控制模块13采用直流斩波的方式调节开关模块12的占空比。
[0057]
具体的，以第i个均压单元1为例，其中1≤i≤n，当导流二极管m2的占空比为di时，串联二极管的等效阻抗的计算为公式(2)：
[0058][0059]
其中，在第i个均压单元1中，z
di
为第i个串联二极管的等效阻抗，xd为第一电容c1的阻抗，ru为第一电阻r1的电阻，r
2i
为第二电阻r2的电阻，x
li
为第一电感l1的阻抗，di为第一开关管m1的占空比。
[0060]
对公式(2)进行傅里叶变换，并得出串联二极管在复频域的等效阻抗，其计算为公式(3)：
[0061][0062]
其中，sci为第一电容c1在复频域的阻抗，sli为第一电感l1在复频域中的阻抗。
[0063]
因此，串联二极管的电压信号的电压值可由第一开关管m1的占空比通过公式(4)得出：
[0064][0065]
其中，在第i个均压单元1，vi为串联二极管的电压信号的电压值，vs为桥臂上的电压，z
di
为串联二极管的等效阻抗，为桥臂上串联二极管的总阻抗。
[0066]
控制模块13通过控制开关模块12的占空比，进而调节串联二极管的等效阻抗，从而调节串联二极管的电压信号的电压值，将调节后的电压信号进行负反馈并与均值电压进行相比较，pi控制器进一步对电压差值进行积分运算，控制模块13重新调节第一开关管m1的占空比，将电压差值的不断降低，从而串联二极管的电压信号可实时动态跟踪桥臂的均值电压，优化串联二极管的均压效果。
[0067]
进一步地，不控整流阀参数表如图6所示，电源电压、电感、变压器等仿真结构参数如图7所示，设置不控整流阀的参数后进行仿真分析；
[0068]
如图8所示，在无均压系统的情况下，各个串联二极管的电压分布，可知各个二极管关断时稳态电压分别为10630v，11060v，10840v，电压极差为430v，无均压电路二极管电
压极差和电压分布波形幅值波动非常大。
[0069]
如图9所示，在传统均压系统的情况下，各个串联二极管的电压分布，可知，当均压系统中的电容容值发生变化，即当均压电容出现老化而导致不均压时，各个二极管关断时稳态电压分别为10880v，10860v，10820v，电压极差为60v，故传统均压系统一定程度上减小了电压极差的波动，但其二极管电压分布波形仍存在明显波动且未能改善均压电容老化对串联二极管均压效果的不利影响。
[0070]
如图10所示，在本均压系统的情况下，各个串联二极管的电压分布，可知，当本均压系统中的电容容值发生变化，即电容出现老化的现象时，各个二极管关断时稳态电压分别为：10860v，10870v，10860v；电压极差为10v，故当与传统均压系统同样出现电容出现老化的现象，本均压系统也能够实时控制各个二极管端口电压均衡，使各个二极管之间的电压极差保持在较小的水平。
[0071]
仿真实验结果表明：本均压系统中的二极管电压极差比无均压系统的二极管电压极差减小了43倍，比传统均压系统二极管电压极差减小了6倍。
[0072]
在本发明中，通过稳压模块滤除过压信号，降低了串联二极管的电压变化率；通过储能模块对过压信号进行储能，并通过第一电阻及第二电阻进行导流，实现二极管的动态缓冲；通过开关模块的导通与断开，调整串联二极管耗能的等效阻值，抑制了电流变化率，降低了损耗；其参数设计只包含开关模块的占空比参数，参数设计简便；在均压系统中引入控制方法，对串联二极管的电压信号进行负反馈调整及电压差值的pi积分运算，降低了电压信号与均值电压的电压差值，串联二极管的电压信号实时动态跟踪桥臂的均值电压，优化串联二极管的均压效果，实现了不控整流阀独立调制运行的效果。
[0073]
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。