一种含模块化多电平变流器的有源滤波系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种含模块化多电平变流器的有源滤波系统及其控制方法，所述系统包括模块化多电平变流器、变流器输出控制器、能量存储设备、电网侧电压测量装置和负载侧电流测量装置；所述模块化多电平变流器具有直流正端、直流负端和三相交流输出端；所述直流正端和直流负端之间连接能量存储设备；所述三相交流输出端连接于供电系统的电网侧与负载侧之间。本发明专利技术能够通过改变模块化多电平变流器每个桥臂串联的功率子模块的数量，灵活地调整变流器的电压适用范围，从根本上解决了传统有源滤波系统无法直接应用在高电压、大功率工业环境中的技术难题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力系统与工业配用电系统的谐波治理与无功功率补偿，更具体地说，是涉及一种含模块化多电平变流器的有源滤波系统及其控制方法。
技术介绍
近年来，随着现代工业的迅猛发展，高压配电网络中的非线性负载日益增多，例如电弧炉、变频器以及整流装置，这些装置导致配电网的电能质量变得非常恶劣，如产生畸变、无功波动以及不平衡等问题。为了获得可靠的供电质量，这些电能质量问题必须得到有效的治理。在高压配电领域，采用何种补偿装置改善电能质量是一个亟待解决的问题。无源滤波由于装置结构比较简单，设计与制造比较容易，且初期投资成本较低，在电力系统与工业配用电系统中得到了广泛使用。然而，无源滤波器只能够抑制特定次谐波，当电力网络结构或负载发生变化时，会引起谐振频率的变化，此时无源滤波器抑制谐波的能力会降低，甚至有可能产生谐振，影响供电系统稳定性。另外，无源滤波对低次谐波具有放大作用，且电容器参数随时间的推移容易发生变化，这会导致调谐频率发生偏移，从而影响实际的滤波性能。基于耦合变压器和电压型变流器相结合的并联有源滤波器应用于高压配电领域，虽然能够同时补偿谐波、无功功率，但是存在体积大、成本高和损耗高等缺点，发展前景并不乐观。除此之外，传统有源滤波系统会向电网注入电流，如果直接与整流器相连的话有可能会影响晶闸管的换相，这使得有源滤波的应用目前主要停留在中、低压功率较小的领域，在高压领域鲜有应用。
技术实现思路
>本专利技术的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种含模块化多电平变流器的有源滤波系统及其控制方法，主电路采用模块化多电平变流器(MMC，Modular Multilevel Converter)，能够通过改变模块化多电平变流器每个桥臂串联的功率子模块的数量，灵活地调整变流器的电压适用范围，从根本上解决了传统有源滤波系统无法直接应用在高电压、大功率工业环境中的技术难题。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案如下：一种含模块化多电平变流器的有源滤波系统，与供电系统连接，包括模块化多电平变流器、变流器输出控制器、能量存储设备、电网侧电压测量装置和负载侧电流测量装置；所述模块化多电平变流器具有直流正端、直流负端和三相交流输出端；所述直流正端和直流负端之间连接能量存储设备；所述三相交流输出端连接于供电系统的电网侧与负载侧之间；所述模块化多电平变流器包括三个变流桥，每个变流桥的输出端分别作为三相交流输出端的一相，每个变流桥包括一个正变流臂、一个负变流臂和两个滤波电抗器；每个变流臂包括n个依次正负串联的功率子模块；每个变流桥中，正变流臂的正端连接到模块化多电平变流器的直流正端，正变流臂的负端通过一个滤波电抗器连接到变流桥的输出端；负变流臂的负端连接到模块化多电平变流器的直流负端，负变流臂的正端通过另一个滤波电抗器连接到变流桥的输出端；所述电网侧电压测量装置和负载侧电流测量装置与变流器输出控制器的控制输入端连接，分别用于采集电网侧的输出电压和负载侧的输入电流，提供给变流器输出控制器；所述变流器输出控制器的控制输出端与模块化多电平变流器中的各个功率子模块连接，用于控制各个功率子模块的开关，进而改变每个变流臂中有效工作的功率子模块的数量，以控制模块化多电平变流器输出的补偿信号。进一步地，所述能量存储设备为电容器。进一步地，所述功率子模块包括直流电容器、第一开关器件、第二开关器件、第一续流二极管和第二续流二极管；其中，所述第一开关器件和第二开关器件为全控型半导体开关器件；第一开关器件的集电极与第一续流二极管的阴极相连接，第一开关器件的发射极与第一续流二极管的阳极相连接；第二开关器件的集电极与第二续流二极管的阴极相连接，第二开关器件的发射极与第二续流二极管的阳极相连接；直流电容器的正端与第一开关器件的集电极相连接，直流电容器的负端与第二开关器件的发射极相连接；第一开关器件的发射极作为功率子模块的正端，第二开关器件的发射极作为功率子模块的负端。进一步地，所述模块化多电平变流器的三相交流输出端通过感应滤波整流变压器连接到供电系统的电网侧与负载侧之间。一种对以上所述的含有模块化电平变流器的有源滤波系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、谐波电流检测；S2、计算谐波电流的参考值；S3、电流控制；S4、相间均压控制；S5、环流抑制；S6、基于功率子模块电压排序的PWM调制。进一步地，所述S1包括：获取电网侧电压测量装置中所测得的瞬时电压，将瞬时电压通过一锁相环，得到与瞬时电压各次谐波电流同步的信号，并进一步得到该信号的正弦函数和余弦函数，采用基于瞬时功率理论和旋转坐标变换理论有选择性地计算出电网负载中各次谐波电流的参考值。进一步地，所述S3包括：通过DQ变换对所述有源滤波系统进行矢量控制，所述变流器输出控制器采用双闭环串级控制方式，分为内环电流控制和外环电压控制；其中，内环电流控制采用比例和重复积分器实现模块化多电平换变流器的电网侧电流波形和相位的直接控制，以快速的跟踪参考电流；外环电压控制采用比例—积分控制器维持直流母线的电容电压。进一步地，所述S5包括：采用两倍频负序的旋转变换将两倍频环流分离为两个直流分量，将所述两个直流分量与环流DQ轴分量的参考值做差比较后，经PI调节器，再引进电压的前馈量实现环流的解耦，通过坐标变换后得到内部电压的不平衡量，最后在上、下桥臂的电压指令信号中将此压降补偿掉。进一步地，所述S6包括：变流器输出控制器将实时检测的变流桥中桥臂电压的参考波送入到一基于功率子模块电压排序的PWM调制器中，对应模块化多电平变流器中每个变流臂的N个功率子模块，PWM调制器产生N条三角载波，通过移相控制使每条载波错开360°/N的电角度；每一条三角载波与调制波进行实时的比较后，先对实时比较的结果进行分析，统计出该桥臂上需要导通的功率子模块数；再根据各个功率子模块的电容电压排序结果和变流臂的电流极性，通过基于功率子模块电容电压排序的均衡控制方法选择相应数量的功率子模块开通；PWM调制器产生相应的触发脉冲，触发需要开通数量的功率子模块。进一步地，所述基于功率子模块电容电压排序的均衡控制方法如下：PWM调制器对每一个桥臂中所有功率子模块的电容电压进行排序，然后判断桥臂电流的方向，根据不同的桥臂电流方向，采取以下不同的控制方式：当桥臂电流方向为对桥臂电容充电方向时，选择桥臂中电压最低的功率子模块导通；当桥臂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含模块化多电平变流器的有源滤波系统，与供电系统连接，其特征在于：包括模块化多电平变流器、变流器输出控制器、能量存储设备、电网侧电压测量装置和负载侧电流测量装置；所述模块化多电平变流器具有直流正端、直流负端和三相交流输出端；所述直流正端和直流负端之间连接能量存储设备；所述三相交流输出端连接于供电系统的电网侧与负载侧之间；所述模块化多电平变流器包括三个变流桥，每个变流桥的输出端分别作为三相交流输出端的一相，每个变流桥包括一个正变流臂、一个负变流臂和两个滤波电抗器；每个变流臂包括多个依次正负串联的功率子模块；每个变流桥中，正变流臂的正端连接到模块化多电平变流器的直流正端，正变流臂的负端通过一个滤波电抗器连接到变流桥的输出端；负变流臂的负端连接到模块化多电平变流器的直流负端，负变流臂的正端通过另一个滤波电抗器连接到变流桥的输出端；所述电网侧电压测量装置和负载侧电流测量装置与变流器输出控制器的控制输入端连接，分别用于采集电网侧的输出电压和负载侧的输入电流，提供给变流器输出控制器；所述变流器输出控制器的控制输出端与模块化多电平变流器中的各个功率子模块连接，用于控制各个功率子模块的开关，进而改变每个变流臂中有效工作的功率子模块的数量，以控制模块化多电平变流器输出的补偿信号。...

【技术特征摘要】
1.一种含模块化多电平变流器的有源滤波系统，与供电系统连接，其特征
在于：包括模块化多电平变流器、变流器输出控制器、能量存储设备、电网侧
电压测量装置和负载侧电流测量装置；
所述模块化多电平变流器具有直流正端、直流负端和三相交流输出端；所
述直流正端和直流负端之间连接能量存储设备；所述三相交流输出端连接于供
电系统的电网侧与负载侧之间；
所述模块化多电平变流器包括三个变流桥，每个变流桥的输出端分别作为
三相交流输出端的一相，每个变流桥包括一个正变流臂、一个负变流臂和两个
滤波电抗器；每个变流臂包括多个依次正负串联的功率子模块；
每个变流桥中，正变流臂的正端连接到模块化多电平变流器的直流正端，
正变流臂的负端通过一个滤波电抗器连接到变流桥的输出端；负变流臂的负端
连接到模块化多电平变流器的直流负端，负变流臂的正端通过另一个滤波电抗
器连接到变流桥的输出端；
所述电网侧电压测量装置和负载侧电流测量装置与变流器输出控制器的控
制输入端连接，分别用于采集电网侧的输出电压和负载侧的输入电流，提供给
变流器输出控制器；
所述变流器输出控制器的控制输出端与模块化多电平变流器中的各个功率
子模块连接，用于控制各个功率子模块的开关，进而改变每个变流臂中有效工
作的功率子模块的数量，以控制模块化多电平变流器输出的补偿信号。
2.根据权利要求1所述的含模块化多电平变流器的有源滤波系统，其特征
在于：所述能量存储设备为电容器。
3.根据权利要求1所述的含模块化多电平变流器的有源滤波系统，其特征
在于：所述功率子模块包括直流电容器、第一开关器件、第二开关器件、第一
续流二极管和第二续流二极管；其中，所述第一开关器件和第二开关器件为全
控型半导体开关器件；
第一开关器件的集电极与第一续流二极管的阴极相连接，第一开关器件的
发射极与第一续流二极管的阳极相连接；第二开关器件的集电极与第二续流二
极管的阴极相连接，第二开关器件的发射极与第二续流二极管的阳极相连接；
直流电容器的正端与第一开关器件的集电极相连接，直流电容器的负端与第二
开关器件的发射极相连接；第一开关器件的发射极作为功率子模块的正端，第
二开关器件的发射极作为功率子模块的负端。
4.根据权利要求1所述的含模块化多电平变流器的有源滤波系统，其特征
在于：所述模块化多电平变流器的三相交流输出端通过感应滤波整流变压器连
接到供电系统的电网侧与负载侧之间。
5.一种对权利要求1所述的含有模块化电平变流器的有源滤波系统的控制
方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、谐波电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，韩继业，段义隆，张明敏，罗隆福，曹一家，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43