- 頭條集美大學等單位的科研人員提出一種新型帶電壓補償的整流電路2022-06-30 作者：楊榮峰、于雁南 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語直流整流電路中直流側通常通過并聯電容方式進行濾波，但直流側電容可能造成短路時巨大的放電電流，同時在高壓應用中，直流側電容體積大、成本高。為此，集美大學輪機工程學院船舶電氣教研室、桂林理工大學機械與控制工程學院的研究人員楊榮峰、于雁南、王國玲、吳德烽、俞萬能，在2021年《電工技術學報》增刊2上撰文，提出一種串聯有源電壓補償電路，適用于常規二極管及晶閘管型整流電路，通過補償整流電壓中的諧波，使得直流電網電壓穩定，諧波成分顯著降低，且無需額外的無源濾波電路。
直流電網能夠綜合多種能源類型，避免交流電網互聯出現的同步、諧波等問題，同時有利于減少中間設備和能源的多次變換，在直流輸電、配電網及新能源利用等場合體現出諸多優勢，因此近年來成為研究的熱點。在船舶電站中，采用直流電網、交流發電機可以改變其運行轉速，有利于提高機組運行效率，引起研究者廣泛關注。
在諸如船舶直流電網的應用中，電能由交流發電機產生，并通過整流變換器轉換成直流電，對能量轉換的效率和可靠性提出了很高要求。整流變換器類型包括二極管整流、晶閘管整流和脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）整流。
其中PWM整流能夠對交流側電流進行控制，直流側電壓控制快速靈敏，是一種比較好的整流方案，但也存在開關器件功耗大，以及直流側出現短路故障時將引起與IGBT反并聯的二極管直通問題，需要通過交流側連接雙向晶閘管等電路進行保護。同時，在中壓應用中，需要采用模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）、雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）等復雜結構，功耗、體積與成本均較高。
采用二極管或者晶閘管整流，優點是結構簡單，器件功耗小，有利于提高系統效率，且器件耐流特性優于IGBT，但也存在整流后直流電壓波動大，需要大容量濾波裝置等問題。
事實上，通常電壓源型變換器（Voltage Source Converter, VSC）和二極管/晶閘管整流方式，均需要大容量電感/電容濾波，在中高壓場合，裝置體積和成本都很高。采用多脈沖整流電路也可明顯降低直流電壓諧波，但需要額外的大容量的工頻移相變壓器。直流電網中配置大容量電容不僅增加體積，降低設備可靠性，在直流側出現短路故障時還將引起巨大的放電電流，需要保護裝置動作時間更短，增加了故障隔離難度。
為了優化整流電路的功耗、體積和成本，同時兼顧系統的可靠性，集美大學輪機工程學院船舶電氣教研室、桂林理工大學機械與控制工程學院的研究人員提出了一種新型的帶電壓補償的整流電路，如圖1所示。該電路適用于中壓整流場合，其中二極管/晶閘管承受高電壓，調壓電路承受低電壓。該電路的特點在于低壓側的調壓電路補償了高壓側中的諧波電壓，從而使中壓直流電網中無需濾波電容。同時，由于調壓電路部分電壓低，降低了系統體積和開關器件功耗。
圖1 本文所提出的電壓補償電路
目前也有學者采用二極管整流和PWM整流串聯的方式，利用VSC對直流電壓的靈活控制改善直流側電壓的穩定性，同時也有機會改善交流側的無功與諧波性能。本研究與之不同之處在于，該結構VSC部分僅保證直流側電壓的穩定，或者進行潮流控制，而不是濾除直流電網中的電壓諧波，因此直流電網仍然需要電容濾波，其次該結構需要額外引入工頻變壓器。
本整流方案無需變壓器，直流電網中無需額外增加電容，降低了整流系統成本和體積。但該串聯電壓補償電路存在獨立電容，其電容電壓需要通過特殊設計的控制器進行調整，以保持穩定。另外，研究人員還分析了該串聯電路在多端直流電網中對潮流的控制作用，并對該電路及其控制方法進行了全面分析和論證。
研究人員指出該電路的優點為：
1）在中壓場合，如交流3300V實現整流時，補償電路并不需要同等工作電壓而是工作于低壓，大大減小了器件體積、成本和功耗。并且，如果電壓等級足夠高，也可以通過補償電路模塊級聯方式解決耐壓問題。
2）由于直流電網中不存在大容量的濾波電容，當直流側出現短路故障時，直流側不會出現電容放電過程，降低了直流電網的保護壓力。
3）當直流側出現短路故障時，通過調壓電路的晶閘管旁路，直流側電路免受過電流影響，此時在交流側可通過閉鎖晶閘管整流橋或斷開交流斷路器實現整流電路的整體保護。
4）該整流方案同樣適用于低壓場合，如AC 380V變頻器設備中，按電壓等比計算，則H橋模塊電容電壓低于100V，此時H橋模塊可用低壓MOSFET器件實現，補償電路功耗小。由于不需要在整流輸出端加直流濾波電容，電容成本和體積都能大大降低。
5）該電路加入多端DC-DC電路后可用于多端直流電網中的潮流控制，而無需使用VSC。
研究人員在分析補償電路控制框圖基礎上，提出了針對該電路的兩種控制方法，即PI雙環控制和滑模變結構控制。兩種方案下的控制結果表明，都能夠保證H橋模塊自身電容電壓的穩定，同時可以將不控整流方式得到的直流電壓中的諧波限制在一個較小的值。在將電網負載電流反饋引入PI雙環控制后，即使負載電流變化較為劇烈，直流電網電壓、模塊電容電壓及調壓電路輸出電壓都與滑模控制方案極為相似。考慮到工程實用性，PI雙環控制實現難度更低。
此外，本課題針對潮流控制應用場合，提出了主從結構的控制策略，通過合理的任務分配，使得各電路在進行電容能量控制、電容電壓均衡控制、諧波電壓補償及潮流控制時，各控制環節任務分開，避免了不同控制間的相互干擾。
本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“一種直流電壓的串聯有源補償電路及其在多端直流電網中的應用”，作者楊榮峰、于雁南 等。
