一种准单级三相脉冲电源及其控制方法

1.本发明涉及一种准单级三相脉冲电源及其控制方法，属于电力电子变换器领域，特别是交流-直流电能变换技术领域。


背景技术：

2.脉冲电源应用十分广泛，包括材料加工、医疗卫生、雷达、高能物理研究等领域。脉冲功率具有周期性、突变性、能量峰均比高的特点，对电网的稳定运行提出了挑战。
3.传统脉冲电源采用无源功率解耦，采用超级电容等无源元件作为瞬时功率支撑，通过增大电容容量维持电压稳定，使得电源体积重量增大，降低功率密度。
4.三相交直流供电系统根据功率变换级数可分为单级式与多级式。单级式架构功率器件相对较少，变换器成本较低，由于只有一级功率变换，效率较高，脉冲功率负载的突加突卸对三相不控整流交直流供电系统，造成谐波污染、频率波动、电压闪变等一系列问题，长期运行影响供电电力系统的稳定。专利(公开号：cn108377102a)提出一种两级式架构，由非隔离型pfc变换器、受控电流源、隔离型dc/dc变换器组成。受控电流源由非隔离双向变换器构成，起到储能作用。在没有脉冲时，能量被储存在双向变换器电容里，脉冲来临时双向变换器放电补偿能量。这种结构根据功率守恒的方法对输入电流进行控制，实现了对脉冲电流解耦，减小了pfc母线电容。但是能量全部经过两级变换，能量传输效率降低。另外双向变换器需要按照脉冲峰值进行设计。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种准单级三相脉冲电源及其控制方法。用最高的单级功率传输比，解决脉冲功率对供电系统的功率冲击，解耦输入输出功率，最大化能量传输效率，为脉冲负载提供稳定供电电压，并大幅减小设备体积重量。
6.本发明通过以下技术方案实现。
7.本发明所述的准单级三相脉冲电源包括一个三相t型三电平整流器和一个同步整流变换器，三相t型三电平整流器高压输出端vh连接至同步整流变换器的输入端，低压输出端v
l
与同步整流变换器输出端v
buck
串联后再与负载相连。
8.所述三相t型三电平整流器包括低压端口滤波电容(c
l
)、高压端口滤波电容(ch)、3个桥前滤波电容(ca、cb、cc)、3个桥前滤波电感(la、lb、lc)、12个开关管包括t型三电平整流器同一桥臂开关管s
hx
、s
zx
(x＝a，b，c)和箝位开关管s
lx1
、s
lx2
(x＝a，b，c)；所述低压端口用于提供单级功率通路；
9.所述开关管s
ha
的发射极与s
za
的集电极连接；所述开关管s
hb
的发射极与s
zb
的集电极连接；所述开关管s
hc
的发射极与s
zc
的集电极连接；所述开关管s
ha
、s
hb
、s
hc
的集电极相连，并连接于高压端口滤波电容ch的高压端；所述开关管s
za
、s
zb
、s
zc
的发射极相连，并连接于低压端口滤波电容c
l
的一端(参考地)；所述开关管s
la1
的集电极与s
la2
的集电极连接；所述开关管s
lb1
的集电极与s
lb2
的集电极连接；所述开关管s
lc1
的集电极与s
lc2
的集电极连接；所述
开关管s
la1
的发射极与s
za
的集电极连接；所述开关管s
lb1
的发射极与s
zb
的集电极连接；所述开关管s
lc1
的发射极与s
zc
的集电极连接；所述开关管s
la2
、s
lb2
和s
lc2
的发射极相连，并连接于低压端口滤波电容c
l
的高压端；所述开关管s
za
、s
zb
和s
zc
的发射极相连，并连接于低压端口滤波电容c
l
的另一端(参考地)；所述滤波电感la一端连接于a相电网，另一端连接于开关管s
ha
的发射极；所述滤波电感lb一端连接于b相电网，另一端连接于开关管s
hb
的发射极；所述滤波电感lc一端连接于c相电网，另一端连接于开关管s
hc
的发射极；所述滤波电容ca一端连接于a相电网，另一端与cb、cc相连接；所述滤波电容cb一端连接于b相电网，另一端与ca、cc相连接；所述滤波电容cc一端连接于c相电网，另一端与ca、cb相连接；
10.所述同步整流变换器包括1个输出滤波电容c
buck
、1个输出滤波电感l
buck
、2个开关管s1、s2；
11.所述开关管s1的发射极与s2的集电极连接；所述开关管s1的集电极与高压端口滤波电容ch的高压端相连接；所述开关管s2的发射极与高压端口滤波电容ch的另一端相连接；所述输出滤波电感l
buck
一端连接于开关管s1发射极，另一端连接于输出滤波电容c
buck
；所述输出滤波电容c
buck
一端连接于输出滤波电感l
buck
，另一端连接于开关管s2发射极；
12.所述准单级三相脉冲电源控制部分分为t型三电平整流器控制及同步整流变换器控制两个部分；t型三电平整流器控制分为直流侧总电压控制环(201)、低压侧电压控制环(202)、网侧电流控制环(203)，以及注入零序分量的cbpwm调制(204)四个部分；所述直流侧总电压控制环采用峰值电压控制，与参考值相比较，经pi调节器输出后和电网电流前馈值ifd一同作为电流环d轴id的基准；所述低压侧电压控制环采用峰值电压控制，与参考值相比较经pi调节器后得到零序分量占比；所述网侧电流控制环依据网侧电流d/q轴基准经过pi调节器之后，经dq/abc反变换得到初始三相调制波；所述注入零序分量的cbpwm调制依据初始三相调制波注入零序分量后生成最终调制波，与三角波相交截得到各个开关管驱动信号；同步整流变换器控制采用电压电流环双环控制，所述电压环控制稳定输出电压，其输出作为电流环参考，并加上负载电流前馈，提高电流跟踪速度。
13.本发明准单级三相脉冲电源相比于已有解决方案的突出创新点和进步之处体现在：
14.1、通过储能电容宽范围波动，实现输入输出功率解耦，使得交流输入源仅表现为负载平均功率。抑制了脉冲功率突加突卸对交流输入源的功率冲击，改善电网质量，提高了供电系统的稳定性。
15.2、采用本发明的结构，通过构造单级功率通路，部分功率通过t型三电平整流器低压端口v
l
直接给负载供电，减小功率变换级数，提高系统效率。
16.3、采用注入零序分量，实现t型三电平整流器高低压端口功率分配，使得能量最大化单级传输。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。
18.附图1为准单级三相脉冲电源电路结构图；
19.附图2为三相初始调制波波形图；
20.附图3为k＝1零序分量注入后三相调制波波形图；
21.附图4为准单级三相脉冲电源t型三电平整流器控制框图；
22.附图5为准单级三相脉冲电源同步整流变换器控制框图；
23.附图6为准单级三相脉冲电源具体实施实例主要工作波形图。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.下面结合附图对本发明作进一步说明。
26.如附图1为准单级三相脉冲电源电路结构图。所述准单级三相脉冲电源包括一个三相t型三电平整流器和一个同步整流变换器，三相t型三电平整流器高压输出端vh连接至同步整流变换器的输入端，低压输出端v
l
与同步整流变换器输出端v
buck
串联后再与负载相连。
27.本发明准单级三相脉冲电源的核心为：1、通过储能电容电压周期性波动提供功率支撑，抵消输入输出功率差额，实现功率解耦；2、使得尽可能多的功率通过低压端口c
l
传递给负载，实现能量最大化单级传输。
28.第一，功率解耦的核心为利用储能元件补偿瞬时输入输出功率差额，抑制突加突卸负载对交流输入源的功率冲击，使得交流输入源仅表现为负载平均功率，提高供电系统稳定性。并且利用储能电容ch和c
l
电压宽范围波动，减小电容容值，使得电源体积重量减小，提高功率密度。第二，尽可能实现最大功率单级传输。要实现最大功率单级传输，则应当使得低压端口电容c
l
传递给负载的功率尽可能多，因此在保证不超过负载供电电压vo的情况下，应当尽可能提高低压侧电容电压v
l
，但同时需考虑t型三电平整流器能否实现所需功率分配，使得更多能量分配给低压端口，满足负载所需。本发明通过注入零序分量的cbpwm实现功率分配，采用的零序分量为k*(-1-v
min
) (1-k)*(1-1-v
max
)，其中v
max
与v
min
为三相初始调制波u
a1
，u
b1
，u
c1
比较得到的最大值和最小值；k为低压侧电压控制环输出得到。如图2为三相初始调制波，假设三相正弦调制波与三相电流同相。如图3为注入零序分量为k＝1的三相调制波。
29.本发明中准单级三相脉冲电源具体控制方法为：
30.1)检测t型三电平整流器直流侧总电压峰值v
dcmax
，将直流侧总电压基准v
dcmaxref
和v
dcmax
经过减法器作差，其输出经过比例积分调节器调整与电网电流前馈值一起作为电流环d轴id的基准。
31.2)检测电网电流ia，ib，ic经abc/dq变换得到d/q轴电流，与基准(q轴基准通常为0)
比较后经过比例积分调节器调整，生成dq轴分量ud，uq，经过dq/abc变换得到三相初始调制波u
a1
，u
b1
，u
c1
。
32.3)检测t型三电平整流器低压端口电压峰值vl
max
，将低压端口电压基准vl
maxref
和vl
max
经过减法器作差，其输出经过比例积分调节器调整作为零序分量参数k。
33.4)检测三相初始调制波u
a1
，u
b1
，u
c1
，比较得到调制波最小值v
min
与调制波最大值v
max
，将步骤3)所述的零序分量参数k计算得到零序分量k*(-1-v
min
) (1-k)*(1-1-v
max
)，与三相初始调制波相加修正调制波得到ua，ub，uc，与归一化的上下层叠三角载波交截驱动开关管s
hx
、s
zx
(x＝a，b，c)与s
lx1
、s
lx2
(x＝a，b，c)，t型三电平整流器部分控制框图如附图4所示。
34.5)检测负载电压vo与参考值v
oref
经过减法器作差，其输出经过比例积分调节器调整与负载电流相加作为同步整流变换器电流环参考值，检测同步整流变换器电感电流i
dc
经比例积分调节器调整得到同步整流变换器开关管驱动信号，与三角波交截驱动开关管s1，s2，同步整流变换器部分控制框图如附图5所示。
35.主要工作波形图如附图6所示。图中p
load
为脉冲负载功率，is为电网电流，vh为t型三电平整流器高压端口电压，v
l
为t型三电平整流器低压端口电压，v
buck
为同步整流变换器输出电压。在脉冲峰值来临时，输入功率小于输出功率，ch与c
l
充电以补偿功率差额，vh与v
l
下降，为维持负载电压vo稳定v
buck
上升。脉冲谷值来临时，输入功率大于输出功率，ch与c
l
充电，vh与v
l
上升，v
buck
下降。
36.以上所述仅是本发明的解释而非限定，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干替换与改进，这些替换与改进也应视为本发明的保护范围。