基于模块化多电平换流器的无功补偿装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于模块化多电平换流器的无功补偿装置,该装置采用了各个子模块间电容电压平衡控制的新策略。该装置首先由调制策略得到桥臂当前周期和上一周期需投入的子模块数的差值N

Reactive power compensation device based on modular multilevel converter

The invention provides a reactive power compensation device based on a modular multilevel converter, which adopts a new strategy of capacitance voltage balance control among sub modules. Firstly, the difference between the current period of the bridge arm and the number of sub modules needed to be input in the previous cycle is obtained by the modulation strategy. N

【技术实现步骤摘要】
基于模块化多电平换流器的无功补偿装置
本专利技术涉及电力
，尤其涉及一种基于模块化多电平换流器的无功补偿装置。
技术介绍
随着电力系统的飞速发展，对无功补偿的电压等级和容量的要求越来越高，一系列级联多电平拓扑结构的无功补偿装置应运而生。MMC(ModularMultilevelConverter，模块化多电平换流器)无功补偿装置在高压大功率场合的应用日渐增加，传统的MMC-STATCOM(ModularMultilevelConverter-StaticSynchronousCompensator，基于模块化多电平换流器的静止同步补偿器)装置的各个子模块间的电压平衡控制方法有频繁投切子模块造成开关器件频率过高和随着子模块数目的增加排序算法复杂执行时间迅速上升等缺点。如何降低装置的开关损耗和减少均压控制的执行时间成为MMC-STATCOM的研究重点。
技术实现思路
在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。鉴于此，本专利技术提供了一种基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，以至少解决现有技术存在开关损耗过高和均压控制执行时间过长的问题。根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，基于模块化多电平换流器的无功补偿装置包括主电路、检测电路、控制电路和驱动电路；主电路由连接电网的第一电感、第二电感和第三电感以及MMC换流器组成；检测电路用于采样负载侧电流、补偿电流、电容电压、电网电压和桥臂电流；控制电路包括DSP(DigitalSignalProcessing，数字信号处理)模块和FPGA(Field－ProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)模块，以实现坐标变换、载波移相调制、子模块电容电压优化平衡控制的功能；驱动电路用于将DSP模块输出的PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)信号进行放大以及隔离驱动功率开关管。优选地，MMC换流器相对于传统的多电平换流器有明显的优势，MMC换流器的输出为多电平，接近于正弦波，谐波含量小，能够实现无功功率、谐波以及不平衡的综合补偿。基于载波移相的优化电容电压平衡控制策略，控制简单、易于实现，并且可以避免子模块频繁的投切，减少功率管的开关频率，降低开关损耗以及避免传统电压排序算法复杂的计算和大量的运行时间，提高控制速度。优选地，该装置具有快速调节电容电压平衡和降低换流器开关损耗的能力，具有三相MMC拓扑结构，每相的上、下两桥臂由n个SM(submodule，子模块)模块级联而成，每个桥臂串联一个电感，每个SM模块由两个互补导通的IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)和一个储能电容组成；其中，n为大于等于1的正整数。优选地，采用优化的电容电压平衡控制策略使电容电压保持平衡，优化的电容电压平衡控制策略由判断投入子模块数目变化量Ndiff、子模块电容电压值优化处理和电容电压值分组存储三部分构成，可以有效地实现控制电容电压平衡的功能并且有降低器件开关频率和提高控制速度的优点。优选地，在优化的电容电压平衡控制策略中，首先，利用CPS-SPWM(CarrierPhase-shiftedSinusoidalPulseWidthModulation，正弦脉宽调制)调制技术将经过前馈解耦控制得到的调制波与每个桥臂的移相三角载波进行比较，得到需要投入的子模块数N_on。再判断当前周期和上一周期投入子模块数目变化量Ndiff，若Ndiff为0，则保持上一周期的投切状态，若Ndiff不为0再对未越限的子模块电容电压值引入稳定系数。这样可以使子模块尽可能地保持上一周期的投切状态，能够避免子模块不必要的投切，降低器件开关频率，减少开关损耗。优选地，该装置通过对优化后的子模块电容电压值分组存储，同一组内的子模块投切优先级相同，这样能够避免传统电压排序法带来的复杂运算和运行时间过长的缺点。优选地，通过电压环来平衡直流侧电容电压，经电压、电流前馈解耦和PI调节后得到调制信号uabc，与移相三角载波比较，经优化电容电压平衡控制后生成PWM波。其中，PI调节包括比例调节和积分调节。PI调节器是一种线性控制器，它可以根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。基于MMC-STATCOM的优化电容电压平衡控制有利于降低器件的开关频率和避免传统电压排序算法运行所需的大量时间，具体实现方法如图3所示。(一)传统子模块电容电压平衡控制传统子模块电容电压平衡控制以严格保证各子模块之间的电容电压与参考电压完全相同为目标，按照桥臂电流iarm方向的不同和各子模块电压的排序结果选择相应的子模块投入或切除。具体的实现方法如图8所示，先将桥臂电容电压用冒泡算法排序，然后根据调制策略得到桥臂某一时刻需投入的子模块数目N_on，每个桥臂有nSM个子模块，根据桥臂电流方向，分别在充电电流时投入电容电压值最小的N_on个子模块，放电电流时投入电容电压值最大的N_on个子模块。这种方法没有考虑子模块上一周期的投切状态，这样会带来两个问题：一是频繁地切换子模块导致开关频率较高，开关损耗太大，二是随着子模块数目的增加，冒泡排序算法执行的时间会迅速地上升。(二)本专利技术提出的优化子模块电容电压平衡控制(1)降低器件开关频率，减小开关损耗1)将所有参考波形与移相载波比较产生的PWM信号进行叠加，确定桥臂投切子模块个数N_on，通过电容电压平衡控制生成PWM信号分配给各个模块。如图4所示，每个桥臂的调制信号与n个移相的三角载波进行比较，得到的电平转换信号可以叠加成n+1电平的波形，该波形确定每一时刻MMC上、下桥臂所需要投切的子模块个数，得到桥臂当前周期需投入的子模块数N_on和上一周期需投入的子模块数N_on_old，计算它们的差值Ndiff是否为0，若为0则当前周期保持着上一周期子模块的投切状态。优点在于避免了不必要的开关动作和复杂计算。2)若Ndiff不为0，如图5所示，在电容电压参考值附近设置一组上下限UC_h、UC_l。对电容电压未越限的子模块，优化策略通过引入稳定系数使其具有一定的保持原来投切状态的能力，以降低器件的开关频率。具体实现方法是：当桥臂电流大于0(充电电流)时，位于上下限内的投入子模块电容电压乘以一个略小于1的稳定系数，位于上下限内的切除子模块电容电压乘以一个略大于1的稳定系数；当桥臂电流小于0(放电电流)时，位于上下限内的投入子模块电容电压乘以一个略大于1的稳定系数，位于上下限内的切除子模块电容电压乘以一个略小于1的稳定系数。优点在于尽可能保证子模块当前周期与上一周期的投切状态一致，降低器件开关频率，减小开关损耗。(2)减小电压平衡过程执行时间，提高动态响应能力1)如图6所示，优化子模块电容电压值后，找出电容电压的最大值UCmax和最小值UCmin再根据电压偏差值ΔV将电容电压分成Y组，属于同一组的子模块优先级相同。本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，其特征在于，所述基于模块化多电平换流器的无功补偿装置包括主电路、检测电路、控制电路和驱动电路；所述主电路由连接电网的第一电感(L1)、第二电感(L2)和第三电感(L3)以及MMC换流器组成；所述检测电路用于采样负载侧电流、补偿电流、电容电压、电网电压和桥臂电流；所述控制电路包括DSP模块和FPGA模块，以实现坐标变换、载波移相调制、子模块电容电压优化平衡控制的功能；所述驱动电路用于将所述DSP模块输出的PWM信号进行放大以及隔离驱动功率开关管。

【技术特征摘要】
1.基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，其特征在于，所述基于模块化多电平换流器的无功补偿装置包括主电路、检测电路、控制电路和驱动电路；所述主电路由连接电网的第一电感(L1)、第二电感(L2)和第三电感(L3)以及MMC换流器组成；所述检测电路用于采样负载侧电流、补偿电流、电容电压、电网电压和桥臂电流；所述控制电路包括DSP模块和FPGA模块，以实现坐标变换、载波移相调制、子模块电容电压优化平衡控制的功能；所述驱动电路用于将所述DSP模块输出的PWM信号进行放大以及隔离驱动功率开关管。2.根据权利要求1所述一种基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，其特征在于，所述MMC换流器的输出为多电平，接近于正弦波，谐波含量小，能够实现无功功率、谐波以及不平衡的综合补偿。3.根据权利要求1所述一种基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，其特征在于，该装置具有三相MMC拓扑结构，每相的上、下两桥臂由n个SM模块级联而成，每个桥臂串联一个电感，每个SM模块由两个互补导通的IGBT和一个储能电容组成；其中，n为大于等于1的正整数。4.根据权利要求1所述一种基于模块化多电平换流器...

【专利技术属性】
技术研发人员：高晗璎，靳平，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23