一种集成整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路.pdf

本发明公开一种集成了整流、有源滤波和能量反馈制动等功能的复合电路及其控制方法，包括整流单元、有源滤波及无功补偿单元、钳位电路，整流单元与有源滤波及无功补偿单元在交流侧直接相连，并通过钳位电路在直流侧连接，钳位电路连接在有源滤波及无功补偿单元与直流母线之间，为能量从制动负载经有源滤波单元回馈电网提供回路。本发明可对钻井平台电网中的谐波电流进行较好的补偿，还解决了绞车下降时所产生的过电压影响，反馈负载制动能量到电网，节能效率高。

1.  一种集成了整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路，其特征在于包括整流单元（M1）、有源滤波及无功补偿单元（M2）和钳位电路，整流单元（M1）与有源滤波及无功补偿单元（M2）在交流侧直接相连，并通过钳位电路在直流侧连接，钳位电路连接在有源滤波及无功补偿单元（M2）与直流母线之间，为能量反馈提供回路。

2.  如权利要求1所述的集成了整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路，其特征在于所述整流单元（M1）采用不可控整流电路实现。

3.  如权利要求1所述的集成了整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路，其特征在于钳位电路采用二极管实现，二极管的正极连接直流正母线，负极连接有源滤波及无功补偿单元（M2）的直流正端，有源滤波及无功补偿单元（M2）的直流负端连接直流负母线。

4.  如权利要求1所述的集成了整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路，其特征在于有源滤波及无功补偿单元（M2）采用三相三线有源滤波电路实现。

5.  如权利要求1所述的集成了整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路，其特征在于该电路有两种工作状态：
APF状态：此时U1﹥U2，其中U1为钳位电路负极电压，U2为钳位电路正极电压，电路主要用来补偿谐波电流，提高系统功率因数；
能量反馈状态：此时U2≥U1，直流母线上多余的能量通过有源滤波及无功补偿单元（M2）反馈到输入电源侧，给电网上其它交流负载使用。

一种集成整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路
技术领域
本发明涉及一种用于石油钻井平台的(还包括其它提升类负载，卷扬机负载等)整流、有源滤波及能量反馈制动电路，属于电力谐波抑制及能量反馈制动技术领域。
背景技术
目前，我国在石油钻采工程上大量使用电驱动钻机，而石油钻机系统通常其动力配备主要是由柴油发电机组或者公共电网提供。当使用公共电网供电时大量的非线性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源的使用，使得600V电网系统中存在大量的谐波，从而对600V电网上的其它用电设备(比如线路、发电机及井场照明)带来不良影响，谐波及无功损耗加大。目前常用的谐波抑制方法是采用有源电力滤波器(APF)来补偿电网中存在的谐波与无功。有源电力滤波器的基本原理是，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波和无功等电流相互抵消，最终得到期望的电源电流。
目前常用在石油钻机平台中的电气传动控制系统为VFD系统(变频调速传动控制系统)，该系统中的每个钻机系统单元将电网AC600V交流电先用二极管整流或晶闸管整流成直流电，经大容量电容器滤波，再用IGBT三相桥完成逆变过程，得到电压和频率均可调的交流电，驱动该单元上的绞车、泥浆泵和顶驱或转盘等电机类设备。
目前市场上常用于解决电网输入谐波和能量反馈问题的方案有两种，分别如图1和图2所示。图1采用的是不可控整流加APF的复合电路，并且配置了另外的能量消耗制动电路。该方案的优点在于二极管整流电路简单可靠，APF容量小。图2采用的四象限全控整流能量可回馈的电路方式，虽然与前一方案相比器件数量较少，电路简单，但前者全控模块(APF)容量只为后者全控整流模块容量的40％左右，所以该方案的成本较高。
VFD系统在减速过程中，电机类负载是处于发电状态的，发出来的电经IGBT管的寄生二极管全波整流后反馈给直流母线上的电容，使电容两端的电压上升。为了将电容器上多余的电荷释放掉，这就需要接入制动电阻，通过制动电阻转换成热能消耗掉。这就会造成能量的损失。
一般情况下谐波均是由非线性负载产生的，因此防止谐波电流注入钻机平台电网的最有 效的办法是在谐波源附近安装滤波器，使滤波器中流过的谐波正好与谐波源的谐波相抵消，从而可以有效阻止谐波流入系统中。对于VFD系统而言，为了取得较好的谐波补偿效果，最好在每个VFD附近安装APF单元。这无疑增加了系统的复杂度，也不利于集成化设计。
从上述分析可以看出，如图1所示的不可控整流加APF方案需要独立配置有源滤波单元与斩波制动单元，实际工作时，各单元均分时工作。制动时，电源侧的输入电流为零，无需APF单元工作，APF处于闲置状态；牵引时，制动单元处于闲置状态，此时只需要APF工作。因此该方案不仅增加了系统的复杂程度和成本，还降低了设备的利用率。图2所示的四象限全控整流方案可以实现能量的双向流动，故可实现整流和能量反馈制动功能，并且无需配APF滤波装置。但由于反馈制动功率通常为牵引功率的40％左右，使得设备的利用率降低，全控整流方案的成本也高于不可控整流加少量的APF方案，并且不控整流比全控整流可靠性更高。
发明内容
为了解决上述两种常用方案存在的缺点，本发明按照一体化设计理念，将有源电力滤波单元和能量消耗制动单元的功能复合到一起，用有源电力滤波单元(APF)完成滤波和能量回馈制动功能，然后整流单元和有源电力滤波单元组合到一起，提高设备利用率，降低VFD系统的成本和复杂度。
本发明具体采用如下技术方案：
一种集成了整流、有源滤波和能量反馈功能的复合电路，其特征在于包括整流单元、有源滤波及无功补偿单元和钳位电路，整流单元与有源滤波及无功补偿单元在交流侧直接相连，并通过钳位电路在直流侧连接，钳位电路连接在有源滤波及无功补偿单元与直流母线之间，为能量反馈提供回路。
本发明将整流单元与有源电力滤波单元组合在一起，使得补偿环路变短，同时也构成共母线输出，从而可以使得直流母线上的设备相互交换功率，以提高能量利用率。当电网电源输出电流从不可控整流器的交流部分流向直流部分时，电流中含有大量的谐波和无功，因此需要有源滤波器进行滤波和无功补偿；直流部分后接的负载(比如绞车)减速或者下降时，有能量反馈到直流部分，引起直流母线电压升高，二极管钳位电路接在有源电力滤波单元与直流母线之间，为能量从制动负载经有源滤波单元回馈电网提供回路，从而稳定直流电压。本装置可对钻井平台电网中的谐波电流进行较好的补偿，还解决了直流部分后接的负载(如绞车)下降时所产生的过电压影响，反馈负载制动能量到电网，节能效率高。
本发明具有如下有益效果：
1、实现整流、有源滤波、能量反馈制动的一体化设计，将APF电路与能量反馈电路整 合到一起，省掉能耗制动电路及其制动电阻，降低了设备制造成本；
2、整流单元与有源电力滤波单元装在一起使得补偿环路变短，便于获得较好的补偿效果，同时也构成共母线输出，从而可以充分的利用母线上的能量；
3、本发明电路可在有源滤波状态和能量反馈状态之间相互切换，分时工作，与整流工况和能量反馈工况的分时工作相适应，以提高设备利用率；
4、不可控整流中含有大量的谐波，加入APF单元后对电网输入电源中的谐波及无功电流进行较好的补偿，降低了电网的损耗，减少了谐波电流；
5、二极管整流较IGBT可控整流可靠性更高，即使本发明中的APF装置损坏，没有滤波功能和能量反馈功能，也不影响后续负载的直流供电，制动时也可采取机械制动来消耗制动的能量，从而不影响后续电机负载的牵引和制动。
附图说明
图1是不可控整流加APF复合方案结构图。
图2是四象限整流方案结构图。
图3是包含本发明复合电路的VFD系统结构示意图。
图4是常用并联型APF系统框图。
图5是应用本发明电路的系统结构框图。
图6是并联型有源电力滤波器等效电路。
图7a是APF工作状态结构图。
图7b是能量反馈工作状态结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。
考虑到在钻井平台中存在大量的电力电子设备，而这些设备会产生大量的谐波，所以为了改善电网的电能质量，有源电力滤波器是必须要使用的。但同时该电网中存在大量的绞车设备，这些设备在减速过程中，绞车是处于发电状态的。发出来的电，经和IGBT管反向并联的续流二极管全波整流后反馈给直流电路，使直流电压上升，会损坏直流母线上的设备。为解决钻机平台电网中主要存在的这两个主要问题，采用了一种有源滤波及能量反馈制动结构。
如图3所示，本发明复合电路包括整流单元M1、有源滤波及无功补偿单元(APF单元)M2和钳位电路，整流单元M1与有源滤波及无功补偿单元M2在交流侧直接相连，并通过钳 位电路在直流侧连接，钳位电路连接在有源滤波及无功补偿单元M2与直流母线之间，为能量从绞车负载向有源滤波单元传输提供回路。
整流单元M2采用不可控整流电路实现。钳位电路采用二极管D实现，二极管D的正极连接直流正母线，负极连接有源滤波及无功补偿单元M2的直流正端，有源滤波及无功补偿单元M2的直流负端连接直流负母线。有源滤波及无功补偿单元M2采用三相三线有源滤波电路实现，由连接在交流侧的电感、6个反并联二极管的IGBT组成的逆变桥和连接在直流母线两端的高压电容组成。
图4是常用并联型APF系统结构框图，图5是应用本发明电路的系统结构框图。对比这两框图可知，本发明的电路较常见的有源电力滤波器的电路，增加了钳位电路。当U1大于U2时，二极管D反偏，母线电压不影响APF侧直流电压，此时电路工作于APF状态；当U1小于U2时，二极管D导通，直流侧多余的能量通过有源滤波及无功补偿单元M2泄放，从而降低对整流电路的冲击，此时本发明电路工作于能量反馈状态。
对于并联型有源电力滤波器，其等效电路图如图6所示，而电压型变流器所产生的补偿电流满足下面的等式，即
Ldic(t)dt+Ric(t)=uc(t)-us(t)]]>
式中i_c(t)，u_s(t)和u_c(t)分别为补偿电流，系统电压和有源电力滤波器逆变器的输出电压，而L、R分别为等效电感和电阻，通常情况下，等效电阻很小，因此可以忽略。所示上式可近似为：
Ldic(t)dt≈uc(t)-us(t)]]>
因此，有源电力滤波器产生的补偿电流的大小主要取决于逆变器输出电压u_c(t)的大小。而当输出电感的值一定的情况下，为了增强电流的跟踪能力，只能提高逆变器的输出电压，而该值的大小与直流的电压大小成正比，故可知电容两端电压的越高，有源电力滤波器输出电流跟踪能力也越强。故使二极管负极电压U1稍大于整流器输入电压的峰值。
本发明复合电路可工作在两种工作状态：
APF状态，此时U1﹥U2，电路主要用来补偿谐波电流，提高系统功率因数，其等效结构图如图7a所示；
能量反馈状态，此时U2≥U1，直流母线上多余的能量通过APF单元(工作于逆变状态)，反馈到输入电源侧，给电网上其它交流负载使用，该状态等效结构图如图7b所示。
因此，本发明有源滤波及能量反馈制动电路具有很强的实用性。