直流母線電壓非恒定型mmc-statcom的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種直流母線電壓非恒定型MMC-STATCOM，屬于電力電子設(shè)備領(lǐng)域。它由6個橋臂組成，每個橋臂由若干個相同的子模塊與一個電抗器L串聯(lián)構(gòu)成，通過子模塊的投入、切除或自鎖實(shí)現(xiàn)三相多電平輸出。其特點(diǎn)是：將模塊化多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于靜止同步補(bǔ)償器，由于直流母線沒有外接大容量直流電容，通過載波移相正弦脈寬調(diào)制策略并適當(dāng)改變載波移相角可以使直流母線電壓在工作周期內(nèi)按規(guī)律變化，即實(shí)現(xiàn)直流母線電壓非恒定。直流母線電壓非恒定型MMC-STATCOM，在不改變電路拓?fù)浜蛥?shù)下，裝置輸出電壓電平數(shù)增加，電流諧波含量減小，進(jìn)一步改善了MMC-STATCOM裝置的無功補(bǔ)償性能。
【專利說明】 直流母線電壓非恒定型圖C-STATCOM
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種直流母線電壓非恒定型MMC-STATC0M，涉及電力系統(tǒng)中的無功功率補(bǔ)償，屬電力電子設(shè)備領(lǐng)域技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]電力系統(tǒng)中非線性、沖擊性和不平衡性負(fù)載的廣泛使用，容易引起電網(wǎng)電壓波動、閃變和三相不平衡，另一方面，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，用電設(shè)備對電能質(zhì)量更加敏感，如何提高和保證電能質(zhì)量，已成為迫切需要解決的重要課題。靜止同步補(bǔ)償器(StaticSynchronous Compensator, STATC0M)由于其可連續(xù)調(diào)節(jié)、響應(yīng)速度快、輸出諧波特性好、易于模塊化、安裝簡單使用方便等優(yōu)點(diǎn)，且在接入電網(wǎng)后能夠阻尼電力系統(tǒng)振蕩，成為改善電能質(zhì)量問題的重要措施與發(fā)展方向。
[0003]模塊化多電平變換器(Modular Multilevel Converter, MMC)作為一種適用于高壓大功率場合的新型變換技術(shù)，與其它無功補(bǔ)償裝置相比，具有可四象限運(yùn)行、良好擴(kuò)展性與故障冗余性等特點(diǎn)，已成為分布式能源，配電網(wǎng)中、高壓功率變換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前MMC-STATCOM的工作普遍沿用MMC變換器中“直流母線電壓保持恒定”這一約束條件。但由于MMC-STATCOM的公共直流母線完全由三相橋臂支撐，并非外部電源提供，無需外接大容量電容，亦無后級電路組成背靠背結(jié)構(gòu)，并不受“直流母線電壓保持恒定”的限制，理論上存在母線電壓非恒定時(shí)可靠工作的可能。
[0004]本發(fā)明提出直流母線電壓非恒定型MMC-STATC0M，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制策略可使靜止同步補(bǔ)償器的輸出性能更好，進(jìn)一步減少裝置自身對電網(wǎng)的諧波污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]1、發(fā)明目的
[0006]本發(fā)明的目的在于提出一種直流母線電壓非恒定型MMC-STATC0M，為提高M(jìn)MC-STATCOM的無功補(bǔ)償性能提供了新的思路，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制策略可以使靜止同步補(bǔ)償器的輸出性能更優(yōu)，實(shí)現(xiàn)更好的電能質(zhì)量治理效果。
[0007]2、技術(shù)方案
[0008]為達(dá)到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明的直流母線電壓非恒定型MMC-STATCOM主要包括MMC主電路、控制電路以及必要的保護(hù)電路，直流母線無外接大容量電容。所述MMC主電路由6個橋臂12個子模塊構(gòu)成，每個橋臂與一個電抗器L串聯(lián)構(gòu)成。通過理論和仿真分析，MMC-STATCOM變換器直流母線電壓是否恒定與上、下橋臂載波移相正弦脈寬調(diào)制(CarrierPhase Shifted SPWM，CPS-SPWM)的載波移相角密切相關(guān)，保證三相調(diào)制波互差120°，同一相上、下橋臂的子單元模塊載波分別移相0°、180°、90°、270°，上下橋臂的調(diào)制波相差180°，即可實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的非恒定。直流母線電壓非恒定時(shí)，MMC變換器交流側(cè)輸出電平數(shù)明顯增加，在相同濾波元件設(shè)計(jì)的前提下，可進(jìn)一步降低并網(wǎng)電流THD，提高無功電流質(zhì)量。本發(fā)明中，僅以上述這種調(diào)制策略為例進(jìn)行說明，其分析結(jié)果同樣適用其它調(diào)制策略下實(shí)現(xiàn)直流母線電壓非恒定的情況。
[0009]3、有益效果
[0010]本發(fā)明的一種直流母線電壓非恒定型MMC-STATCOM是一種應(yīng)用于輸配電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償裝置，可補(bǔ)償不平衡負(fù)荷、有效提高電網(wǎng)電壓暫態(tài)穩(wěn)定性。由于MMC-STATCOM的公共直流母線完全由三相橋臂支撐，無需外接大容量電容，所以直流母線電壓可以是非恒定的。通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制策略使直流母線電壓按一定規(guī)律周期性變化，可使靜止同步補(bǔ)償器的輸出性能更好，減少裝置自身對電網(wǎng)的諧波污染。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的三相模塊化多電平變換器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明的子模塊功率單元的電路圖。
[0013]圖3是本發(fā)明的MMC-STATCOM單相等效電路。
[0014]圖4是本發(fā)明的將橋臂電感等效到網(wǎng)側(cè)的MMC-STATCOM單相等效電路。
[0015]圖5是本發(fā)明的將橋臂電感等效到網(wǎng)側(cè)后的MMC-STATCOM三相等效電路。
[0016]圖6是本發(fā)明 的母線電壓恒定型MMC容性無功補(bǔ)償模態(tài)過程。
[0017]圖7是本發(fā)明的母線電壓非恒定型MMC容性無功補(bǔ)償模態(tài)過程(1/2周期)。
[0018]圖8是本發(fā)明的母線電壓非恒定型MMC-STATCOM的Matlab/Simulink仿真結(jié)果圖。
[0019]圖1中:usa、usb、us。為網(wǎng)側(cè)三相交流電壓，Rs為線路電阻，Ls為線路等效電感，三相上、下橋臂電流為 iPj、iNj(j = a,b,c),其串聯(lián)電感為 Ljm(j = a,b,c ；m = 1,2),vCJk(j = a,b,c；k= 1,2,…，2n)為變換器串聯(lián)子模塊的直流側(cè)電容電壓，公共直流母線電壓為Vdc;，0為虛擬中點(diǎn)，并將中點(diǎn)上下電壓虛擬為VP。= -VNo = l/2Vdco圖2中:所述子模塊功率單元包括兩個開關(guān)管Sp S2以及兩個反并聯(lián)二極管Dp D2，一個并聯(lián)電容C，其工作狀態(tài)包括:投入狀態(tài)、切除狀態(tài)和閉鎖狀態(tài)。投入狀態(tài)時(shí)，上開關(guān)管S1觸發(fā)導(dǎo)通而下開關(guān)管S2未觸發(fā)，此時(shí)電流經(jīng)二極管D1向電容充電或經(jīng)過上開關(guān)管S1對電容放電,子模塊輸出電壓為電容電壓Vc ;切除狀態(tài)時(shí)，上開關(guān)管S1未觸發(fā)而下開關(guān)管S2觸發(fā)導(dǎo)通，此時(shí)電流流經(jīng)下開關(guān)管S2或二極管D2,子模塊輸出電壓為O ;閉鎖狀態(tài)時(shí)，上下開關(guān)管Sp S2均未觸發(fā)，若電流經(jīng)二極管D1流向電容充電，則子模塊輸出電壓為電容電壓若電流通過二極管D2,則子模塊輸出電壓為O。圖3中:MMC直流母線電壓恒定時(shí)，虛擬零點(diǎn)上下電壓相等VP。= Von = Vdc;/2，考慮三相橋臂環(huán)流分量12，則可得到圖3所示的單相MMC等效電路。圖4中:上、下橋臂交流電感轉(zhuǎn)移到輸出交流側(cè)，其感值減半為L/2，W〗。為電路等效后MMC-STATCOM裝置輸出電壓。圖5中:Uc;1、uc2, uc3, uc4分別為A相上下橋臂子模塊的載波信號，ucp, Ucn分別為上下橋臂的調(diào)制信號。Ual、ua2、ua3、Ua4分別為A相上下橋臂各子模塊的輸出電壓,Uap>Uan分別為A相上下橋臂電壓，uPN為直流母線電壓，iC為MMC-STATCOM裝置A相輸出電壓，us、is分別為電網(wǎng)側(cè)電壓及電流，Le為將橋臂電感等效到電網(wǎng)側(cè)后電感值。圖6中:每相橋臂在任何時(shí)刻投入的子模塊數(shù)固定，MMC變換器相電壓總共有3種不同的電平，分別為《1=+匕、O、-K，橋臂電感折合到交流側(cè)后的等效電感承受電壓為處=叫-《1。，通過選擇合適的控制策略，可實(shí)現(xiàn)變換器輸出電流超前網(wǎng)側(cè)電壓90°，在整個工頻周期內(nèi)直流母線電壓保持恒定Vpn = Vd。。圖7中:采用載波移相調(diào)制策略，三相調(diào)制波互差120°，同一相上、下橋臂的子單元模塊載波分別移相0°、180°、90°、270°，上下橋臂的調(diào)制波相差180°，直流母線電壓非恒定。圖8中:母線電壓非恒定型MMC-STATCOM仿真結(jié)果圖，直流母線電壓在非恒定時(shí)裝置輸出電壓電平數(shù)增加，經(jīng)FFT分析后可知相電壓THD含量降低。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
[0021]本發(fā)明提出了一種直流母線電壓非恒定型MMC-STATC0M，所述MMC-STATCOM為三相六個橋臂結(jié)構(gòu)，每個橋臂由相同數(shù)量的子模塊串聯(lián)組成。本發(fā)明中MMC-STATCOM以每相4個子模塊為例，分析直流母線電壓非恒定的實(shí)現(xiàn)方式及其帶來的意義，分析結(jié)果同樣適合于每相為η個模塊的MMC-STATCOM。
[0022]MMC-STATCOM實(shí)現(xiàn)直流母線電壓非恒定具體包括下述步驟:
[0023]考慮到MMC-STATCOM三相對稱，從能量角度而言，模塊化多電平變換器的各相、各子模塊和直流側(cè)能量分布相互獨(dú)立，將子模塊看成受控電壓源，得到MMC-STATCOM單相電路如圖3所示。將橋臂電感等效到電網(wǎng)側(cè)，其感值變?yōu)樵瓉淼?/2，得到MMC-STATCOM單相等效電路以及三相等效電路分別如圖4、圖5所示。
[0024]圖7中MMC-STATCOM采用CPS-SPWM調(diào)制策略，通過在三相調(diào)制信號上分別疊加子模塊電容電壓平衡控制信號，保證各相之間、上下橋臂之間、橋臂內(nèi)部的子模塊能量自動平衡。本發(fā)明中以三相調(diào)制波互差120°，同一相上、下橋臂的子單元模塊載波分別移相0°、180°、90°、270°，上下橋臂的調(diào)制波相差180°為例來分析直流母線電壓非恒定型MMC-STATC0M，分析方法同樣適合于采用其它載波移相角時(shí)的情況。
[0025]以其中的幾個特定時(shí)刻為例來分析直流母線電壓非恒定型MMC-STATCOM的工作模態(tài)，其分析結(jié)果適用于整個周期。如圖7中h~h期間子模塊&1、&2、&3、&4全部投入，母線電壓為4倍電容電壓裝置輸出電壓《I。為O。h~t2期間子模塊a1、a2、a4處于投入狀態(tài)，a3處于切除狀態(tài)，母線電壓為3倍電容電壓vc，裝置輸出電壓《1為-l/2vc。t3~t4期間子模塊ap a2、a3、a4均處于切除狀態(tài)，直流母線電壓為0，裝置輸出相電壓M〗。為O。t5~t6期間子模塊a1、a2處于投入狀態(tài)，a3、a4處于切除狀態(tài)，直流母線電壓為2倍電容電壓Vc，裝置輸出相電壓為_vc。~t7期間子模塊a2處于投入狀態(tài)，B1 > a3、a4處于切除狀態(tài)，直流母線電壓為I倍電容電壓\，裝置輸出相電壓《I為_l/2vc。
[0026]在MATLAB/Simulink中搭建直流母線電壓非恒定型MMC型STATC0M的仿真模型，將三相380V/50HZ交流電網(wǎng)模擬成無窮大系統(tǒng)，即等效電阻及電感為零，采樣頻率選擇為40kHz，算法步長為25us，調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器，其離散計(jì)算時(shí)間為50us。如圖8(a)所示為橋臂輸出電壓《I。波形，其仿真結(jié)果與理論分析結(jié)論相一致。
[0027]通過對比圖6和圖7，可以看出通過改變載波移相角，可實(shí)現(xiàn)直流母線電壓非恒定工作方式，與直流母線電壓保持恒定工作方式相比，輸出電壓電平數(shù)更多，輸出電流諧波含量更少，能進(jìn)一步改善MMC-STATC OM裝置的性能。
【權(quán)利要求】
1.一種直流母線電壓非恒定型MMC-STATCOM，其特征在于:所述模塊化多電平變換器(Modular Multilevel Converter,MMC)由6個橋臂組成,每個橋臂由若干個相同的子模塊(Sub-Module, SM)與一個電抗器L串聯(lián)構(gòu)成,其中子模塊由2個開關(guān)管和一個并聯(lián)儲能電容構(gòu)成，上、下2個橋臂構(gòu)成一個相單元(Phase Module)。所述靜止同步補(bǔ)償器(StaticSynchronous Compensator, STATC0M),利用子模塊的投入、切除或閉鎖實(shí)現(xiàn)三相多電平輸出，經(jīng)過電抗器L并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過調(diào)制策略控制其交流側(cè)電流，可使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。將模塊化多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于靜止同步補(bǔ)償器，由于直流母線無需外接大容量電容，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制策略可以使直流母線電壓在工作周期內(nèi)按規(guī)律變化，即實(shí)現(xiàn)直流母線電壓非恒定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，直流母線電壓非恒定型MMC-STATCOM，其特征在于:由于直流母線電壓為每相投入的子模塊輸出電壓之和，故通過載波移相正弦脈寬調(diào)制(CarrierPhase Shifted SPWM, CPS-SPWM)策略，即三相調(diào)制波互差120°，同一相上、下橋臂的子單元模塊載波分別移相0°、180°、90°、270°，上下橋臂的調(diào)制波相差180°，可以實(shí)現(xiàn)在一個周期內(nèi)單相橋臂有規(guī)律地投入不同數(shù)量的子模塊，從而實(shí)現(xiàn)直流母線電壓非恒定。在直流母線電壓非恒定下，MMC-STATCOM裝置輸出電壓電平數(shù)增加，具有更好的輸出特性。
【文檔編號】H02M7/483GK103872693SQ201410140094
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】秦海鴻, 趙海偉, 許煒, 聶新, 朱梓悅 申請人:南京航空航天大學(xué)