基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置制造方法及图纸

基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置。传统的控制策略是检测无功分量作为补偿电流的参考，补偿精度在很大程度上取决于电压和电流采样以及检测方案。本发明专利技术组成包括主电路，主电路包括连接电网的电感，电感与飞跨电容式模块化多电平级联逆变器（1）连接，飞跨电容式模块化多电平级联逆变器与直流电压采样电路（2）连接，电感与逆变器交流电流采样电路（3）连接，DSP芯片（4）分别与直流电压采样电路、逆变器交流电流采样电路、电网电压检测电路（5）、电网负载交流电流采样电路（6）、FPGA芯片（7）连接，FPGA芯片与驱动电路（8）连接。本发明专利技术应用于基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置。

Flying Capacitance Modular Multilevel Reactive Power Compensation Device Based on Unbalanced Load

Flying-span capacitive modular multi-level reactive power compensation device based on unbalanced load. The traditional control strategy is to detect the reactive power component as a reference of compensation current. The compensation accuracy largely depends on voltage and current sampling and detection scheme. The invention comprises a main circuit, which comprises an inductance connected to a power grid, an inductance connected to a flying capacitor modular multi-level cascade inverter (1), a flying capacitor modular multi-level cascade inverter connected to a DC voltage sampling circuit (2), an inductance connected to an AC current sampling circuit (3), and a DSP chip (4) connected to a DC voltage sampling circuit and an inverse DC voltage sampling circuit respectively. Converter AC current sampling circuit, grid voltage detection circuit (5), grid load AC current sampling circuit (6), FPGA chip (7) connection, and FPGA chip and drive circuit (8) connection. The invention is applied to a flying capacitive modular multi-level reactive power compensation device based on unbalanced load.

【技术实现步骤摘要】
基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置
：本专利技术涉及电能质量控制领域，具体涉及一种基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置，适用于解决单相负载不均匀引起的不平衡问题。
技术介绍
：随着电力系统的发展，高压大功率变换器在电能转换领域中扮演着越来越重要的地位，同时商业设施负载、单相电力牵引系统、农村电力系统等用电系统引起的单相负载的不均匀分布以及电力系统故障可能导致较大的短期不平衡问题，且最近电力电子节能方案和开关模式电源的空前增长以及使用可再生能源发电机（特别是光伏电池板）的趋势加剧了这一问题。负载不平衡的不利影响包括低功率因数、增加的线路损耗和电力系统中的加热效应。静态补偿作为不平衡补偿的有效技术，它们能够主动补偿不平衡负载，但其与不平衡网络的连接导致转换器直流侧出现二次谐波分量。如果不消除，这会在交流侧产生低次谐波电流，导致电能质量进一步恶化。当不平衡持续变化时，情况变得特别复杂。但两级全桥或经典多电平转换器是从负载电流中提取并消除负序分量，并尽可能地消除直流电压上的谐波分量。即使它们提供不平衡电流，也不存在转换器相臂电压不平衡的问题。
技术实现思路
：为了克服现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置及无功补偿方法。上述的目的通过以下的技术方案实现：一种基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置，其组成包括：主电路、检测电路、控制电路和驱动电路，所述的主电路包括连接电网的电感，所述的电感与飞跨电容式模块化多电平级联逆变器连接，所述的飞跨电容式模块化多电平级联逆变器与直流电压采样电路连接，所述的电感与逆变器交流电流采样电路连接，DSP芯片分别与所述的直流电压采样电路、所述的逆变器交流电流采样电路、电网电压检测电路、电网负载交流电流采样电路、FPGA芯片连接，所述的FPGA芯片与驱动电路连接。所述的基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置，所述的主电路拓扑结构是飞跨电容式级联拓扑结构，每一相包括三个模块，每个模块包括并联的两个H桥结构；所述的模块包括8个功率开关管、两个飞跨电容和一个直流电容，功率开关管的发射极与功率开关管的集电极连接在一起，功率开关管的发射极与功率开关管的集电极连接在一起，功率开关管的发射极与功率开关管的集电极连接在一起，飞跨电容的正极与功率开关管、功率开关管之间的连接点相连，负极与功率开关管、功率开关管之间的连接点相连，形成H桥结构连接方式；、、、、以同样的连接方式形成另一个H桥结构，两个H桥结构通过直流电容并联在一起，即的集电极和的集电极相连后与直流电容正极连接，的发射极和发射极相连后与直流电容负极连接，、之间的连接点与、之间的连接点作为与其他模块或耦合点相连的引出点；每相由3个所述的模块级联而成，三相采用星形连接。所述的基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置，每个模块的直流电压值为飞跨电容的电压值是直流电压的一半为，每个模块共有16个有效开关状态，合成5个电压电平，即0、±0.5、±，三相中共使用了九个基本模块级联，每相三个模块级联，每相电压13个电压电平输出：0，±0.5，±，±1.5，±2，±2.5，±3。上述基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置的无功补偿方法，将零序电压加入参考电压，实现不平衡负载的补偿，遵循如下原理：注入零序电压后的有功功率之和未注入零序电压时的有功功率之和应该和平均参考功率平衡，通过计算流过逆变器每个桥臂的有功功率可以导出零序电压，将零序电压加到参考电压使逆变器产生补偿电流；有功功率的计算是由三相平均电压和每相平均电压比较后经过PI控制器作为有功功率。所述的基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置的无功补偿方法，通过直接控制电网侧电流来实现电流闭环控制，电网侧电流参考量的相位通过对A相电网电压锁相得到，幅值是由两个分量合成：负载侧电流的基波分量和直流电压反馈分量；幅值和相位相乘得到电网侧电流的参考量，其中负载侧电流的基波分量是通过将计算得到的负载瞬时功率经过低通滤波器处理得到，并将该分量作为参考量的主要部分，直流电压反馈分量是用给定电压和3减去3个模块的反馈电压值，再经过PI调节器得到，给定的电网侧电流和反馈的电网侧电流相减作为参考电压的一部分，实现电网侧电流闭环控制。所述的基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置的无功补偿方法，参考电压是由两部分合成：一是由电流闭环控制产生，二是由直流侧电压控制产生，将每相3个模块直流电压的和与每个模块分别相减，误差经过PI调节器后再与该相的补偿电流极性相乘作为参考电压分量，同时可以保证每相每个模块的直流电压平衡。本专利技术的有益效果：本专利技术由电网侧电流直接控制来实现电流闭环控制。传统的控制策略是检测负载侧电流无功分量作为补偿电流的参考，使实际的补偿电流跟踪参考电流，补偿精度在很大程度上取决于电压和电流采样以及检测方案。相比于传统控制方式，本专利技术有效解决了以上问题，对电网侧电流进行闭环控制，补偿效果更好。本专利技术提供了一种基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置。采用飞跨电容式模块化级联拓扑结构，克服了传统多电平转换器转换效率低的不足，具有良好的补偿性能，可以在较低的开关频率实现较好的补偿。提出一种通过计算逆变器功率来计算零序电压并注入参考电压的方法，实现不平衡补偿，并采用电网侧电流直接控制的方法，实现电流闭环控制，较传统的电流控制方法，补偿速度更快。具体优点如下所述：采用飞跨电容式模块化多电平拓扑结构，通过使用其模块化特性拓展到所需电压的任何水平，具有可扩展性，有良好的补偿性能和较低的开关频率，且开关和钳位器件可以使用低额定值器件。与传统的多电平转换器相比，飞跨电容式模块化多电平拓扑结构转换效率更高；采用通过计算流过每相桥臂有功功率Pa、Pb和Pc来计算零序电压Vo的方法，可以达到补偿不平衡负载的目的。当负载为不平衡负载时候，只需要计算零序电压，再将其加入到参考电压中，共同作为每相的调制波，补偿不平衡负载；采用电网侧电流直接控制的方法控制电流，通过控制每相模块直流电压以及对电网电压锁相生成给定参考电流，在控制直流母线电压的同时对电网侧电流进行直接闭环，相比于传统的电流控制方案，该方法具有更高的补偿精度，补偿速度更快；采样DSP+FPGA共同控制，DSP做主要算法控制、和触摸屏通信以及采样等，将三相调制波发送给FPGA，FPGA作为辅助芯片，实现载波移相控制，生成三相驱动波形。克服了DSP功能引脚有限的限制，利用FPGA引脚配置灵活的优势，达到最优控制效果。在平衡运行下，本专利技术装置能够降低无功功率，但是当负载不平衡时，它面临着挑战性的问题。这是因为当负载不平衡时，流过转换器的平均有功功率不为零，导致模块直流电压不平衡，从而使STATCOM不能正常工作。克服该问题的有效方法是向每个桥臂添加相同的零序电压，则该零序电压应抵消每相有功功率的交叉分量项的影响。通过计算流过每个相臂的有功功率Pa，Pb和Pc来计算零序电压vo。附图3显示了STATCOM控制器的原理图。这包括三个部分功能，即：零序电压确定模块，电流控制器和调制波控制器。在零序电压确定模块下，直流电压控制和零序电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置，其组成包括：主电路、检测电路、控制电路和驱动电路，其特征是：所述的主电路包括连接电网的电感，所述的电感与飞跨电容式模块化多电平级联逆变器连接，所述的飞跨电容式模块化多电平级联逆变器与直流电压采样电路连接，所述的电感与逆变器交流电流采样电路连接，DSP芯片分别与所述的直流电压采样电路、所述的逆变器交流电流采样电路、电网电压检测电路、电网负载交流电流采样电路、FPGA芯片连接，所述的FPGA芯片与驱动电路连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置，其组成包括：主电路、检测电路、控制电路和驱动电路，其特征是：所述的主电路包括连接电网的电感，所述的电感与飞跨电容式模块化多电平级联逆变器连接，所述的飞跨电容式模块化多电平级联逆变器与直流电压采样电路连接，所述的电感与逆变器交流电流采样电路连接，DSP芯片分别与所述的直流电压采样电路、所述的逆变器交流电流采样电路、电网电压检测电路、电网负载交流电流采样电路、FPGA芯片连接，所述的FPGA芯片与驱动电路连接。2.根据权利要求1所述的基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置，其特征是：所述的主电路拓扑结构是飞跨电容式级联拓扑结构，每一相包括三个模块，每个模块包括并联的两个H桥结构；所述的模块包括8个功率开关管、两个飞跨电容和一个直流电容，功率开关管的发射极与功率开关管的集电极连接在一起，功率开关管的发射极与功率开关管的集电极连接在一起，功率开关管的发射极与功率开关管的集电极连接在一起，飞跨电容的正极与功率开关管、功率开关管之间的连接点相连，负极与功率开关管、功率开关管之间的连接点相连，形成H桥结构连接方式；、、、、以同样的连接方式形成另一个H桥结构，两个H桥结构通过直流电容并联在一起，即的集电极和的集电极相连后与直流电容正极连接，的发射极和发射极相连后与直流电容负极连接，、之间的连接点与、之间的连接点作为与其他模块或耦合点相连的引出点；每相由3个所述的模块级联而成，三相采用星形连接。3.根据权利要求1或2所述的基于不平衡负载的飞跨电容式模块化多电平无功补偿装置，其特征是：每个模块的直流电压值为飞跨电容的电压值是直流电压的一半为，每个模块共有16个有效开关状态，合成5个电压电平，...

【专利技术属性】
技术研发人员：高晗璎，刘旭，
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