CN102136729A - 一种基于移相多绕组整流变压器的串联多电平svg拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移相多绕组整流变压器的串联多电平SVG拓扑结构和控制方法。该方法仅在添加简易辅助电路的基础上稍加修改控制程序，便可完全省去复杂的电压环控制，并能够可靠地控制串联多电平SVG各单相全桥单元模块直流侧电压恒定，确保系统在高压大容量环境下有效运行。本发明通过小容量附加电路对串联多电平SVG各直流侧电容充电，并通过简单的程序控制其电容电压的稳定和均衡，有效可靠地解决了限制该结构SVG在高电压大容量场合实际使用的关键问题，并且不会额外增加系统的电能消耗。该系统可应用于更高电压的用电环境中，具有较为实际的工程应用价值。

Description

一种基于移相多绕组整流变压器的串联多电平SVG拓扑结构及其控制方法

技术领域：

本发明属于电网电能质量治理研究领域，特别涉及一种基于移相多绕组整流变压器的串联多电平SVG(Static Var Generator)拓扑结构及其控制方法。

背景技术：

SVG是一种由电压型逆变桥和进线电感构成功率电路的电力电子装置，用以治理配电网络中存在的谐波电流和无功电流等电能质量问题。由于其优异的动态性能和稳态性能，SVG得到了越来越广泛的关注和应用。

串联型多电逆变器采用多个单相H桥电路串联够成，通过开关管的不同组合输出多个电平，最后再将各个桥的电平叠加起来合成最终的输出波形。这种逆变器具有模块化结构，可以任意扩展到n电平；且相较其他多电平结构在相同电平数时所需器件数最少；此外，还省去了笨重的变压。这种结构的逆变器大大减少了单个开关元件的电压应力，减小了所需的开关频率，且显著提升了输出波形质量，特别适用于高电压大容量的用电场合。

将这种串联多电平逆变器结构用于SVG系统中，可以使电能质量治理技术有效地引入到了高电压大容量的用电场合，大大拓宽和增强了SVG的性能和使用范围。

由于SVG主要输出谐波和无功电流，理论上并不输出有功电流，逆变器直流侧一般采用大电容维持电压稳定。但对于串联多电平结构的SVG，由于不同模块的并联损耗、开关损耗、开关器件的触发脉冲之间的微小差异等杂散参数以及用电环境的波动都会造成直流侧电容电压的波动和差异化，威胁系统的安全、有效运行。如何有效地稳定且平衡各模块直流侧电压，已经成为能否将串联多电平结构SVG实际应用的关键所在。

针对串联多电平结构SVG直流侧电压的稳定和平衡问题，人们目前主要从软件控制角度考虑，其思想是通过软件微调各开关管动作，以保证有功充电电流的合理分配。这种方法需要检测所有直流侧电容电压，建立在高精度的检测环节、精确的调节器设计和复杂的控制程序基础上，系统可靠性差，现阶段还无法实际使用在高压大容量的用电环境中。本发明则通过添加小容量辅助电路配合简单的控制程序来实现各直流侧动容电压的恒定，无需复杂脆弱的电压环控制。该方法省去了大量高精度检测元件，简化了控制程序和调节器设计，并大大提高了系统的可靠性和易实现性，从而促使串联多电平SVG可靠的应用于高压大容量场合。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于移相多绕组整流变压器的串联多电平SVG拓扑结构和控制方法。该方法仅在添加简易辅助电路的基础上稍加修改控制程序，便可完全省去复杂的电压环控制，并能够可靠地控制串联多电平SVG各单相全桥单元模块直流侧电压恒定，确保系统在高压大容量环境下有效运行。

本发明技术方法主要从拓扑结构和控制方法两个方面进行阐述。

1)拓扑结构：

a)三相串联多电平结构逆变器，通过三个进线电感与三相电网相接；逆变器各相由n个拥有独立直流侧电容的H桥模块串联构成，模块数量n根据电网电压等级确定，一般取n＞e_m/u_dc，其中e_m为电网电压幅值，u_dc为每个H桥模块的直流侧电容电压期望值；

b)3×n个三相二极管整流桥，将直流侧输出端接于各个独立的H桥模块直流侧电容，用以为其充电；

c)一个移相多绕组整流变压器，其原边直接接于高压电网，而3×n个副边绕组输出端分别与相对应的二极管整流桥交流输入端相连接；输出侧绕组相互错开一定角度以减小对电网的谐波污染；变压器变比N由电网电压等级和所需H桥模块直流侧电压等级决定，一般取N＞e/(u_dc/2.34)，其中e为电网电压相电压有效值，u_dc为每个H桥模块的直流侧电容电压期望值。

2)控制方法：

a)通过电流传感器检测补偿对象的三相负载电流；

b)在控制电路板中对检测的负载电流进行瞬时无功变换，得到需要补偿的各相电流成分——无功、谐波、不平衡等；

c)通过锁相环节运算得到三相电网电压相位信息，将其与预定幅值信息相乘得到基波有功电流成分(该预设幅值信息定为SVG系统补偿容量1％～3％相对应的基波有功电流幅值)；

d)将以上b)和c)得到的电流成分相叠加作为最终的控制指令，控制三相逆变器的输出电流；具体的实现方法是检测三相逆变器输出电流，并将它与相应各相的控制指令做差，差值通过比例积分环节调节后利用载波移相的调制方法产生相应的PWM信号，用以驱动各自模块的IGBT开关元件动作。

本发明通过小容量附加电路对串联多电平SVG各直流侧电容充电，并通过简单的程序控制其电容电压的稳定和均衡，有效可靠地解决了限制该结构SVG在高电压大容量场合实际使用的关键问题，并且不会额外增加系统的电能消耗。此外，通过搭建2模块串联多电平SVG仿真模型，对这种控制方法进行了仿真验证，证实了该方法的正确性和可靠性。仿真中仅搭建了2模块串联结构，实际中可同理扩展至任意模块串联，从而将该系统应用于更高电压的用电环境中，具有较为实际的工程应用价值。

附图说明：

图1为本发明所介绍基于移相多绕组整流变压器的串联多电平SVG主电路拓扑结构示意图；

图2本发明所介绍系统的控制框图；

图3采用图1所示拓扑结构，但不采用图2中基波控制部分时的H桥模块直流侧电压仿真波形；其中，(a)为各模块直流侧电压平均值的仿真波形；(b)为A相两个H桥模块直流侧电压u_{dc_a1}和u_{dc_a2}的仿真波形；

图4采用本发明介绍的方法，即图1所示拓扑结构和图2所示控制思路时H桥模块直流侧电压；其中，(a)为各模块直流侧电压平均值的仿真波形；(b)为A相两第一个H桥模块直流侧电压u_{dc_a1}的仿真波形；(c)为A相两第二个H桥模块直流侧电压u_{dc_a2}的仿真波形；

图5本发明介绍该方法下整个串联多电平SVG运行补偿效果的仿真波形，图中(a)为波形分别为畸变的负载电流(b)为补偿后得到的电网电流；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-5，两H桥模块串联结构，如图1系统拓扑结构图所示，根据相同原理，可将串联模块数量扩展至任意个，以适用于更高的电压等级下。图中串联多电平SVG连接在三相电网Grid和非线性负载NL之间，其主电路结构主要包括：3个进线电感La、Lb、Lc；6个单相H桥模块H_jk；1个移相多绕组整流变压器，其中T₁为变压器原边绕组，而T_jk为各副边输出绕组；6个三相二极管整流桥DR_jk；其中(j＝a～c，k＝1、2)。

进线电感La、Lb、Lc一端串联在A、B、C三相逆变器上，一端并联在三相电网Grid和非线性负载NL之间，其参数的选择主要取决于电压源型PWM变换器的开关频率；单相H桥模块由各自的直流侧储能元件C_ak～C_ck(k＝1、2)和H桥型电压源逆变器VSI_jk(j＝a～c，k＝1、2)组成，其中直流侧储能元件一般由电力电容器串并联构成，而H桥型电压源逆变器采用全控器件如IGBT、GTO等组成；三相二极管整流桥由电力二极管构成；移相多绕组整流变压器原边接于三相高压电网，副边绕组各错开一定相位，并与相对应的二极管整流桥交流输入端连接，变压器变比由电网电压等级和所需H桥模块直流侧电压等级决定。(图1中为简洁明了，变压器原边T₁被多次绘出)

三相电网电压记为e_a、e_b、e_c；三相网侧电流记为i_s，即：i_sa、i_sb、i_sc；串联多电平SVG的6个单相全桥单元模块直流侧电压分别记为u_{dc_a1}，u_{dc_a2}，u_{dc_b1}，u_{dc_b2}，u_{dc_c1}，u_{dc_c2}；串联多电平SVG输出的三相补偿电流记为i_c，即：i_ca、i_cb、i_cc；三相负载电流记为i_L，即：i_1a、i_1b、i_1c。

图2是本发明中的串联多电平SVG系统控制框图。图中包括有功控制部分、指令计算部分、电流跟踪控制部分、解耦控制部分、电压前馈控制部分和PWM调制部分。其中第一部分为本发明创新重点，而其他部分为常规控制方法，可以看出本发明所介绍的方法只需对现有程序进行微小修改，简单易行。现对各控制部分分别进行说明。

指令计算部分，主要通过瞬时无功算法计算出三相负载电流中的谐波、无功、不平衡等电流成分；

电流跟踪控制部分，主要用于控制SVG输出电流跟踪指令变化；

解耦控制部分，用以消除d轴q轴间的耦合影响，提高控制精度；

电压前馈控制部分，用以消除电网电压对系统性能的影响，提高系统精度和性能；

PWM调制部分，对于串联多电平结构变换器，比较可靠使用的方法是采用移相载波的调制方法得到控制各开关器件的PWM脉冲；

有功控制部分，结合本发明拓扑结构的主要创新部分，在指令计算部分得到电流指令的基础上，对其d轴分量叠加一预定值常量

该常量反映在SVG输出电流中表现为与电网电压同相的基波有功电流。这使得SVG在输出谐波、无功等补偿电流成分的同时输出一定的有功电流成分，用以控制有功电流成分顺着“电网——变压器——二极管整流桥——逆变器——电网”的回路方向流动，使得各H桥模块直流侧电压稳定且均衡。此外，从有功电流流动回路可以看出，这种控制思想除补偿杂散损耗引起的充电电流外，其余部分仍流回电网，不会造成多余损耗。控制输出的有功电流可以很小，一般定为系统容量的1％～3％，所叠加的预定值常量即为与之相对应的基波有功电流幅值。

图3、4、5分别给出了直接将串联多电平结构用于SVG时，添加图1中辅助电路但未采用图2中控制方法时以及采用图1结构和图2控制方法时的仿真波形，图中分别显示了各模块直流侧电压平均值波形和A相两个H桥模块直流侧电压u_{dc_a1}和u_{dc_a2}波形以及采用本发明方法的系统不畅效果波形。可以看出该方法可以很好地稳定各H桥模块直流侧电压，保证整个串联多电平SVG有效可靠地运行。

本发明中给出了一种实用的串联多电平SVG拓扑结构及其控制方法。并利用MATLAB中的simulink模块对该控制方法进行了仿真验证。从仿真结果可以看到，该方法能够很好的解决串联多电平SVG各H桥模块直流侧电压的稳定和均衡，相比于其他方法，具有极好的可靠性和易实现性，为该结构SVG在高压大容量场合的工程应用提供了很好的参考价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种基于移相多绕组整流变压器的串联多电平SVG拓扑结构，其特征在于：

包括三相串联多电平结构逆变器、3×n个三相二极管整流桥和一个移相多绕组整流变压器；

所述三相串联多电平结构逆变器通过三个进线电感与三相电网相接；所述三相串联多电平结构逆变器的各相由n个拥有独立直流侧电容的H桥模块串联构成，H桥模块数量n根据电网电压等级确定，取n＞e_m/u_dc，其中e_m为电网电压幅值，u_dc为每个H桥模块的直流侧电容电压期望值；

所述3×n个三相二极管整流桥将直流侧输出端接于各个独立的H桥模块直流侧电容，用以为其充电；

所述移相多绕组整流变压器的原边直接接于高压电网，而移相多绕组整流变压器的3×n个副边绕组输出端分别与相对应的二极管整流桥交流输入端相连接；输出侧绕组相互错开一定角度；移相多绕组整流变压器的变比N由电网电压等级和所需H桥模块直流侧电压等级决定，取N＞e/(u_dc/2.34)，其中e为电网电压相电压有效值，u_dc为每个H桥模块的直流侧电容电压期望值。

2.如权利要求1所述一种基于移相多绕组整流变压器的串联多电平SVG拓扑结构，其特征在于：

三相串联多电平结构逆变器并联连接在三相电网Grid和非线性负载NL之间，三相串联多电平结构逆变器主电路结构主要包括：3个进线电感La、Lb、Lc；6个单相H桥模块H_jk；1个移相多绕组整流变压器，其中T₁为变压器原边绕组，而T_jk为各副边输出绕组；6个三相二极管整流桥DR_jk；其中j＝a～c，k＝1、2；

进线电感La、Lb、Lc一端串联在A、B、C三相逆变器上，一端并联在三相电网Grid和非线性负载NL之间，其参数的选择取决于电压源型PWM变换器的开关频率；单相H桥模块由各自的直流侧储能元件C_ak～C_ck和H桥型电压源逆变器VSI_jk组成，直流侧储能元件C_ak～C_ck中的k＝1、2，H桥型电压源逆变器VSI_jk中的j＝a～c，k＝1、2，其中直流侧储能元件由电力电容器串并联构成，而H桥型电压源逆变器采用全控器件组成；三相二极管整流桥由电力二极管构成；移相多绕组整流变压器原边接于三相高压电网，副边绕组各错开一定相位，并与相对应的二极管整流桥交流输入端连接，变压器变比由电网电压等级和所需H桥模块直流侧电压等级决定。

3.如权利要求1所述串联多电平SVG拓扑结构的控制方法，其特征在于，按照如下步骤：

(1)通过电流传感器检测补偿对象的三相负载电流；

(2)在控制电路板中对检测的负载电流进行变换，得到需要补偿的各相电流成分；

(3)通过锁相环节运算得到三相电网电压相位信息，将其与预定幅值信息相乘得到基波、有功电流成分，该预设幅值信息定为SVG系统补偿容量1％～3％相对应的基波有功电流幅值；

(4)将以上步骤(2)和步骤(3)得到的电流成分相叠加作为最终的控制指令，控制三相逆变器的输出电流。

4.如权利要求3所述串联多电平SVG拓扑结构的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中各相电流成分是指无功、谐波或不平衡。

5.如权利要求3所述串联多电平SVG拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述步骤(4)是按照如下步骤：检测三相逆变器输出电流，并将它与相应各相的控制指令做差，差值通过比例积分环节调节后利用载波移相的调制方法产生相应的PWM信号，用以驱动各自模块的IGBT开关元件动作。

6.如权利要求3所述串联多电平SVG拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述H桥型电压源逆变器采用全控器件IGBT和GTO组成。

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