基于雙h橋模塊化多電平拓撲的無功補償裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新型的無功補償裝置及其控制方法，具體涉及基于雙H橋模塊化 多電平拓撲的無功補償裝置及其控制方法，屬于高壓大功率、多電平無功補償技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷發(fā)展，對無功補償裝置的容量和電壓等級都提出了新的 要求，使其不斷地向高壓大功率領(lǐng)域發(fā)展，多電平拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。
[0003] 多電平換流器的基本思想是用多個輸出電平數(shù)來逼近正弦調(diào)制波形。較常見的多 電平拓撲結(jié)構(gòu)有三種：二極管鉗位型、飛跨電容型以及H橋級聯(lián)型。二極管鉗位型和飛跨電 容型結(jié)構(gòu)，隨著電平數(shù)的增加，所需的開關(guān)器件和鉗位電容數(shù)量大大增加，不利于實現(xiàn)更高 電平的變換電路，而且電容電壓不易均衡，推廣應(yīng)用受到限制。H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)，當三相輸出的 電流不均衡時，橋臂間不能傳遞有功能量，難以實現(xiàn)三相模塊間的電容電壓平衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)換流器輸出電平數(shù)低且環(huán)流抑制效果不好的 問題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于雙H橋模塊化多電平拓撲的無功補償裝置，包括三相 交流電源、負載、MMC換流器、信號檢測電路、DSP模塊和驅(qū)動電路，所述換流器包括三個結(jié) 構(gòu)相同并聯(lián)連接的橋臂，每個橋臂包括關(guān)于橋臂中點對稱且串聯(lián)連接的上橋臂和下橋臂， 所述上橋臂包括相互串聯(lián)的電阻、電抗器、第一H橋單元、第二H橋單元和若干半橋單元，上 橋臂的電抗器與下橋臂的電抗器串聯(lián)連接，換流器三個橋臂的中點通過導(dǎo)線并聯(lián)接在三相 交流電源和負載之間，信號檢測電路的輸入端分別連接三項交流電源的輸出端、負載的輸 入端、換流器的輸出端、換流器三個橋臂、第一H橋單元、第二H橋單元和每個半橋單元、信 號檢測電路的輸出端連接DSP模塊的輸入端，DSP模塊的輸出端通過驅(qū)動電路與換流器建 立連接。
[0006] 所述DSP模塊包括第一控制單元和第二控制單元，第一控制單元的輸出端和第二 控制單元的輸出端分別與驅(qū)動電路建立連接，所述第一控制單元包括第一比較器、第二比 較器、第三比較器、第四比較器、第五比較器、第一PI控制器、第二PI控制器、第三PI控制 器、第一坐標轉(zhuǎn)換器、第二坐標轉(zhuǎn)換器、第一電抗器、第二電抗器、第一調(diào)制單元和電容電壓 排序單元，第一比較器、第一PI控制器、第二比較器、第二PI控制器和第三比較器依次串聯(lián) 后接入第一坐標變換器，第四比較器、第三PI控制器和第五比較器依次串聯(lián)后接入第一 坐標轉(zhuǎn)換器，第一坐標轉(zhuǎn)換器的輸出端連接第一調(diào)制單元，第一調(diào)制單元的輸出端連接電 容電壓排序單元，電容電壓排序單元的輸出端連接驅(qū)動電路，所述換流器的輸出端連接第 二坐標變換器，第二坐標變換器的第一輸出端分別連接第二比較器和第二電抗器，第二電 抗器的輸出端連接第三比較器，第二坐標變換器的另一輸出端分別連接第四比較器和第一 電抗器，第一電抗器的輸出端連接第五比較器。
[0007] 第二控制單元包括第六比較器、第七比較器、第八比較器、第九比較器、第一比例 控制器、第二比例控制器、第四PI控制器、第五PI控制器、函數(shù)模塊和第二調(diào)制單元，第六 比較器、第一比例控制器、第七比較器、第四PI控制器和第二比例控制器依次串聯(lián)后接入 第九比較器，第八比較器、第五PI控制器和函數(shù)模塊依次串聯(lián)后接入第九比較器，第九比 較器的輸出端連接第二調(diào)制單元，第二調(diào)制單元的輸出端連接驅(qū)動電路。
[0008] 所述基于雙H橋模塊化多電平拓撲的無功補償裝置包括電壓過零檢測電路，所述 電壓過零檢測電路包括電壓傳感器、比較電路和反相器，電壓傳感器的輸入端連接三相交 流電源的輸出端，電壓傳感器的輸出端連接比較電路的輸入端，比較電路的輸出端通過反 相器電路接入DSP模塊。雖然一般電網(wǎng)的電壓為工頻50Hz，但也會存在上下波動的現(xiàn)象，所 以，需要利用電壓過零檢測電路對電網(wǎng)頻率進行跟蹤，使SVG交流側(cè)產(chǎn)生的電壓頻率與電 網(wǎng)頻率一致。
[0009] 所述基于雙H橋模塊化多電平拓撲的無功補償裝置包括電流檢測及調(diào)理電路，所 述電流檢測及調(diào)理電路包括電流傳感器、光電隔離放大器和偏置電路，電流傳感器的輸出 端連接光電隔離放大器，光電隔離放大器的輸出端連接偏置電路，偏置電路輸出端為電流 檢測及調(diào)理電路的輸出端，可以盡量減少采樣環(huán)節(jié)引起的滯后和提高檢測信號的抗干擾能 力。
[0010] 所述基于雙H橋模塊化多電平拓撲的無功補償裝置包括過流保護電路，過流保護 電路包括比較器和嵌位二極管電路，比較器的反相輸入端與信號采集電路的輸出端建立連 接，比較器的輸出端經(jīng)鉗位電路的中點與DSP模塊建立連接，通過TMS320F2812的功率驅(qū)動 保護中斷H)PINTA來實現(xiàn)電流保護過程。
[0011] 所述基于雙H橋模塊化多電平拓撲的無功補償裝置的控制方法，包括采用基于瞬 時無功功率理論的ip-iq電流檢測法對電流進行檢測；對半橋單元、第一H橋單元和第二H 橋單元分別控制；
[0012] 所述對半橋單元的控制包括對系統(tǒng)無功的補償以及維持半橋單元電容電壓的穩(wěn) 定，根據(jù)基于閉環(huán)解耦的電壓、電流雙閉環(huán)控制方法生成調(diào)制信號，采用基于載波移相的電 容電壓排序法使半橋單元的電容電壓穩(wěn)定；
[0013] 所述對第一H橋單元的控制包括利用第一H橋單元增加電平數(shù)，并維持第一H橋 單元電容電壓的穩(wěn)定；
[0014] 所述對第二H橋單元的控制包括第二H橋單元電容電壓均衡和整個無功補償裝置 環(huán)流的抑制。
[0015] 基于載波移相的電容電壓排序法包括：
[0016] (1)需投入電平數(shù)的確定
[0017] 首先，利用載波移相調(diào)制技術(shù)將經(jīng)過前饋解耦控制得到的調(diào)制波與每個橋臂的移 相三角載波進行比較，得到需要的電平數(shù)N，所述移相三角載波由第一調(diào)制單元產(chǎn)生；
[0018] 然后，對得到電平數(shù)N進行判斷，得到新的電平數(shù)k;再根據(jù)每個橋臂半橋單元電 容電壓高低排序情況和橋臂電流的流動方向選擇相應(yīng)的k個半橋單元投入；
[0019] (2)半橋單元電容電壓排序法的步驟
[0020] 根據(jù)橋臂電流iam的方向進行判斷如下：
[0021] 當iani>0時，則根據(jù)半橋單元電容電壓排序結(jié)果投入電容電壓最低的k個半橋單 元；
[0022] 當iani〈0時，則根據(jù)半橋單元電容電壓排序結(jié)果投入電容電壓最高的k個半橋單 JL〇
[0023] 利用第一H橋單元增加電平數(shù)的方法包括：
[0024] 利用載波移相技術(shù)對調(diào)制信號進行逼近，得到電平數(shù)N，然后進行判斷；
[0025] 若電平數(shù)N為原有的2n+l個電平，則第一H橋單元不需要投入運行，半橋單元需 要的電平數(shù)k=N，根據(jù)電平數(shù)k得到半橋單元的控制信號；
[0026] 若電平數(shù)為新的2n個電平，則第一H橋單元投入運行，并通過第一H橋單元控制 模塊得到第一H橋單元的控制信號，同時確定新的電平數(shù)k，然后根據(jù)新的電平數(shù)k通過半 橋單元控制模塊得到半橋單元單元的控制信號。
[0027] 由于第一H橋單元的投入和切除要配合串聯(lián)的半橋單元的投入和切除，對第一H 橋單元的控制過程包括：先對流過橋臂的電流和直流側(cè)電容電壓進行檢測，根據(jù)電流方向 和當前第一H橋單元的直流側(cè)電容電壓的大小得到第一H橋單元所需充放電狀態(tài)，再根據(jù) 充放電狀態(tài)及電流方向得到輸出電壓狀態(tài)，進而得到第一H橋單元的驅(qū)動信號。
[0028] 所述第二H橋單元電容電壓均衡過程包括：每一相上、下橋臂第二H橋單元電容 電壓的給定值VH#f與第二H橋單元的實際電容電壓進行比較，經(jīng)PI控制器，其輸出乘以該 橋臂電流的符號函數(shù)后，將生成的第二H橋單元電壓信號\^與三角載波比較后得到PWM 波，驅(qū)動第二H橋單元中相應(yīng)的功率開關(guān)管，對第二H橋單元的電容進行充放電控制，實現(xiàn) 第二H橋單元電容電壓的均衡，其中，r=P，N。
[0029] 所述環(huán)流抑制過程包括：將每一相環(huán)流分別與環(huán)流的參考值進行比較，此時環(huán)流 的參考值iJ3,id。為三相MMC直流母線電流，得到的結(jié)果通過一個比例控制器形 成一個第二H橋單元的電壓參考值，將這個電壓參考值平均分成2份，分別與該相上、下橋 臂第二H橋單元的電壓信號相加。
[0030] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果：本發(fā)明提供了一種能夠應(yīng)用于高壓大功率 領(lǐng)域的無功補償裝置，優(yōu)點是MMC換流器的拓撲結(jié)構(gòu)具有公共直流母線，三相間的能量能 夠相互流動，系統(tǒng)三相電壓不平衡時也能正常運行，因此，基于MMC換流器的STATC0M能夠 實現(xiàn)無功功率、諧波以及不平衡的綜合補償。在原MMC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上每相上、下橋臂中各加 入2個H橋單元，其中半橋單元用于控制橋臂中的基波負載電流，第一H橋單元可以實現(xiàn)對 輸出電平數(shù)的成倍增加至4n+l，第二H橋單元作為電壓校正模塊用于抑制環(huán)流。本發(fā)明的 新型MMC拓撲結(jié)構(gòu)的環(huán)流抑制器控制方案簡單，不用進行二倍頻的負序坐標變換，占用的 軟件資源相對來說比較少，且負載電流和環(huán)流分別由半橋單元和H橋單元進行控制，互不 影響；所述一種基于載波移相的電容電壓排序法，簡單且易于實現(xiàn)，不僅使半橋單元電容電 壓保持穩(wěn)定。并且可以避免半橋單元不必要的投切，減少功率管的開關(guān)次數(shù)，降低開關(guān)損 耗。
【附圖說明】
[0031] 圖1、系統(tǒng)整體框圖；
[0032] 圖2、傳統(tǒng)MMC拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖3、新型MMC拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖4、需投入電平數(shù)的確定流程圖；
[0035] 圖5、第一H橋單元的控制框圖；
[0036] 圖6、半橋單元的工作狀態(tài)示意圖；
[0037] 圖7、H橋單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖8、ip-iq檢測法原理圖；
[0039] 圖9、有功、無功電流控制框圖；
[0040] 圖10、前饋解耦等效控制框圖；
[0041] 圖11、STATC0M電壓電流雙閉環(huán)的控制框圖；
[0042] 圖12、STATC0M系統(tǒng)總控制框圖；<