混合式级联SVG拓扑及其控制方法技术

本公开提供了一种混合式级联SVG拓扑结构及其控制方法，使用级联U‑Cell结构与三相H桥结构混用、SiC器件与Si器件混用，从而实现灵活高效、高性价比的无功补偿和高次谐波治理功能。在三相级联U‑Cell单元临近星型连接点处连结一个带电容器的三相H桥式电路，其中三相H桥开关管采用SiC功率器件，高开关频率进行调制，用以补偿电网高次谐波；级联U‑Cell单元开关管采用Si功率器件，低开关频率进行调制，用于补偿电网无功功率和支撑基波电压。相关控制主要用于SVG无功及高次谐波补偿以及电容稳压控制。

Hybrid Cascaded SVG Topology and Its Control Method

【技术实现步骤摘要】
混合式级联SVG拓扑及其控制方法
本公开涉及一种混合式级联SVG拓扑及其控制方法。
技术介绍
电力系统中的无功与谐波具有增加电网损耗、降低功率因数、影响系统稳定性等一系列危害，是目前电能质量治理的主要问题。因此在国家建设坚强智能电网的背景下，开发一种高性能的无功补偿谐波治理装置，有效治理系统中的无功和谐波，对电网安全、稳定、高效运行具有重要意义。静止同步补偿器(STATCOM)为并联型柔性交流输电装置，因其在无功功率补偿方面具有明显的优势，在电力系统中得到了广泛的应用。与传统的无功补偿装置相比，STATCOM具有调节连续、谐波小、损耗低、运行范围宽、可靠性高、调节速度快等优点。其中级联H桥STATCOM因其主电路设计简单，易于多电平设计及模块化技术得到了广泛应用。然而，在中高电压等级场合，传统级联H桥STATCOM开关器件较多，结构较为复杂，成本和器件损耗较高。此外在中高压大功率场合，随着新能源装机容量的不断增大，会在并网时带来高次谐波，传统级联H桥STATCOM在补偿无功时难以同时补偿高次谐波；传统级联H桥STATCOM多采用Si功率器件，开关频率较低，10kV等级的STATCOM，其器件的开关频率通常为1kHz以下，这样其损耗较低、效率较高，但低开关频率导致STATCOM难以补偿高次谐波。采用SiC功率器件可以工作在高开关频率状态，但并未增加开关损耗，一方面不影响工作效率，另一方面可有效补偿高次谐波。然而高压SiC功率器件成本较高，目前还不适合大规模工程应用。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本公开提供了一种混合式级联SVG拓扑及其控制方法。本专利技术采用如下技术方案：一种混合式级联SVG拓扑，包括三相级联U-Cell单元，在临近星型连接点处连结一个带电容器的三相H桥式电路。其中U-Cell单元的开关管采用Si器件，三相H桥的开关管采用SiC器件，级联U-Cell单元采用低开关频率进行调制，三相H桥采用高开关频率进行调制。SVG三相桥臂通过电感连接至需要无功补偿的电力系统。根据本公开的一个方面，一种混合式级联SVG拓扑结构，包括：三相级联U-Cell及三相H桥式电路，三相级联U-Cell分别包括A相级联U-Cell、B相级联U-Cell及C相级联U-Cell，每相级联U-Cell均包括多个U-Cell单元及一个半U-Cell单元，所述U-Cell单元包括一个极性电容和两个开关管，多个U-Cell单元的极性电容的极性为极性相反的关系，并且同一极性电容两端的两个开关管为开通与关断互补的关系，所述半U-Cell单元包括两个开关管；以及三相H桥式电路分别包括A相桥臂、B相桥臂及C相桥臂及一个电容器，每相桥臂均包括由开关管形成的上桥臂与下桥臂，每相桥臂的上桥臂的开关管的一端与下桥臂的开关管的一端连接，每相桥臂的上桥臂的开关管的另一端与下桥臂的开关管的另一端分别连接所述一个电容器的两端，A相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接A相级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的接点，B相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接B相级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的接点，C相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接C相级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的接点。根据本公开的一个实施方式，每相级联U-Cell的开关管为Si器件，并且三相H桥式电路的开关管为SiC器件。根据本公开的另一方面，一种上述混合式级联SVG拓扑结构的控制方法，其特征在于，通过级联U-Cell补偿电网无功功率和支撑基波电压、以及通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波，其中，满足以下公式：其中us为电网的电压，ucell为级联U-Cell单元的逆变电压，ut为三相H桥式电路的逆变电压，if为并网基波电流，ihk为谐波电流，jωL为电感在电路中的阻抗，j为虚数单位，ω为角频率，L为电感量，k为谐波次数。根据本公开的一个实施方式，所述控制方法在进行无功功率补偿的同时，为三相级联U-Cell及三相H桥式电路提供少量的有功功率，用于维持直流侧电容电压稳定。根据本公开的一个实施方式，通过三相功率的瞬时解耦控制来进行无功功率补偿及电容电压平衡控制，并且所述电容电压平衡控制包括相间电压平衡控制和相内电压平衡控制。根据本公开的一个实施方式，所述相间电压平衡控制采用负序电压注入的方法，其中通过计算出负序电压的幅值及相角，然后叠加至输出的调制波中，来进行相间电压平衡控制。根据本公开的一个实施方式，所述相内电压平衡控制中，在输出的调制波中叠加与基波相电流同向或反向的电压分量，从而吸收或释放有功功率，从而平衡相内电压。根据本公开的一个实施方式，通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波时，在三相H桥式电路输出的调制波中叠加与并网基波电流同向或反向的电压分量来对电容电压进行平衡控制,从而通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波。本专利技术的有益效果是：(1)该方法三相H桥采用SiC功率器件，降低系统开关损耗，提高开关频率，实现高次谐波的有效补偿；(2)该方法通过Si功率器件组成的U-Cell单元补偿无功并支撑基波电压，减少了开关管数目，有效降低了SiC功率器件承受的电压，降低了拓扑成本；(3)该方法U-Cell单元采用低开关频率进行调制，三相H桥采用高开关频率进行调制，大大降低开关损耗，提升了系统整体性能；(4)该方法可根据实际电压等级需要，选择U-Cell单元的数目，因而本拓扑和控制方法可广泛应用于低中压等不同场合，具有较强的扩展性和实用性。附图说明附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。图1是根据本公开的一个实施方式的混合式级联SVG拓扑结构示意图。图2是根据本公开的一个实施方式的基波相量图的示意图。图3是根据本公开的一个实施方式的无功功率补偿的示意性框图。图4是根据本公开的一个实施方式的相间电压平衡控制的示意性框图。图5是根据本公开的一个实施方式的相内电压平衡控制的示意性框图。图6是根据本公开的一个实施方式的谐波补偿控制的示意性框图。图7是根据本公开的一个实施方式的混合式级联SVG无功及高次谐波补偿效果示意图。具体实施方式下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。根据本公开的一个实施方式，提供了一种混合式级联SVG拓扑结构。如图1所示，对于每一相，级联U-Cell由U-Cell单元级联而成，U-Cell单元为多个U-Cell单元(U-Cell)S1、S2、……、及一个半U-Cell单元(HalfU-Cell)H1，其中，U-Cell单元包括一个极性电容及两个开关管组成，在各U-Cell单元的联接过程中，U-Cell单元的电容极性保持极性相反的原则，同一电容两端的两个开关管为开通与关断互补的关系。半U-Cell单元由两个开关管组成(不包括电容)。其中，级联U-Cell的各单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合式级联SVG拓扑结构，其特征在于，包括：三相级联U‑Cell及三相H桥式电路，三相级联U‑Cell分别包括A相级联U‑Cell、B相级联U‑Cell及C相级联U‑Cell，每相级联U‑Cell均包括多个U‑Cell单元及一个半U‑Cell单元，所述U‑Cell单元包括一个极性电容和两个开关管，多个U‑Cell单元的极性电容的极性为极性相反的关系，并且同一极性电容两端的两个开关管为开通与关断互补的关系，所述半U‑Cell单元包括两个开关管；三相H桥式电路分别包括A相桥臂、B相桥臂及C相桥臂及一个电容器，每相桥臂均包括由开关管形成的上桥臂与下桥臂，每相桥臂的上桥臂的开关管的一端与下桥臂的开关管的一端连接，每相桥臂的上桥臂的开关管的另一端与下桥臂的开关管的另一端分别连接所述一个电容器的两端，A相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接A相级联U‑Cell的半U‑Cell单元的两个开关管的接点，B相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接B相级联U‑Cell的半U‑Cell单元的两个开关管的接点，C相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接C相级联U‑Cell的半U‑Cell单元的两个开关管的接点。

【技术特征摘要】
1.一种混合式级联SVG拓扑结构，其特征在于，包括：三相级联U-Cell及三相H桥式电路，三相级联U-Cell分别包括A相级联U-Cell、B相级联U-Cell及C相级联U-Cell，每相级联U-Cell均包括多个U-Cell单元及一个半U-Cell单元，所述U-Cell单元包括一个极性电容和两个开关管，多个U-Cell单元的极性电容的极性为极性相反的关系，并且同一极性电容两端的两个开关管为开通与关断互补的关系，所述半U-Cell单元包括两个开关管；三相H桥式电路分别包括A相桥臂、B相桥臂及C相桥臂及一个电容器，每相桥臂均包括由开关管形成的上桥臂与下桥臂，每相桥臂的上桥臂的开关管的一端与下桥臂的开关管的一端连接，每相桥臂的上桥臂的开关管的另一端与下桥臂的开关管的另一端分别连接所述一个电容器的两端，A相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接A相级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的接点，B相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接B相级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的接点，C相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接C相级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的接点。2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，每相级联U-Cell的开关管为Si器件，并且三相H桥式电路的开关管为SiC器件。3.一种如权利要求1或2所述的混合式级联SVG拓扑结构的控制方法，其特征在于，通过三相级联U-Cel...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿华，张承慧，赵晟凯，邢相洋，胡顺全，
申请(专利权)人：清华大学，山东大学，
类型：发明
国别省市：北京,11