CN103872693A - 直流母线电压非恒定型mmc-statcom - Google Patents

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赵海伟
许炜
聂新
朱梓悦
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Abstract

本发明为一种直流母线电压非恒定型MMC-STATCOM，属于电力电子设备领域。它由6个桥臂组成，每个桥臂由若干个相同的子模块与一个电抗器L串联构成，通过子模块的投入、切除或自锁实现三相多电平输出。其特点是：将模块化多电平拓扑结构应用于静止同步补偿器，由于直流母线没有外接大容量直流电容，通过载波移相正弦脉宽调制策略并适当改变载波移相角可以使直流母线电压在工作周期内按规律变化，即实现直流母线电压非恒定。直流母线电压非恒定型MMC-STATCOM，在不改变电路拓扑和参数下，装置输出电压电平数增加，电流谐波含量减小，进一步改善了MMC-STATCOM装置的无功补偿性能。

Description

直流母线电压非恒定型MMC-STATCOM
技术领域
本发明涉及一种直流母线电压非恒定型MMC-STATCOM，涉及电力系统中的无功功率补偿，属电力电子设备领域技术。
背景技术
电力系统中非线性、冲击性和不平衡性负载的广泛使用，容易引起电网电压波动、闪变和三相不平衡，另一方面，随着现代工业技术的不断发展，用电设备对电能质量更加敏感，如何提高和保证电能质量，已成为迫切需要解决的重要课题。静止同步补偿器(StaticSynchronous Compensator，STATCOM)由于其可连续调节、响应速度快、输出谐波特性好、易于模块化、安装简单使用方便等优点，且在接入电网后能够阻尼电力系统振荡，成为改善电能质量问题的重要措施与发展方向。
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)作为一种适用于高压大功率场合的新型变换技术，与其它无功补偿装置相比，具有可四象限运行、良好扩展性与故障冗余性等特点，已成为分布式能源，配电网中、高压功率变换领域的研究热点。目前MMC-STATCOM的工作普遍沿用MMC变换器中“直流母线电压保持恒定”这一约束条件。但由于MMC-STATCOM的公共直流母线完全由三相桥臂支撑，并非外部电源提供，无需外接大容量电容，亦无后级电路组成背靠背结构，并不受“直流母线电压保持恒定”的限制，理论上存在母线电压非恒定时可靠工作的可能。
本发明提出直流母线电压非恒定型MMC-STATCOM，通过适当的调制策略可使静止同步补偿器的输出性能更好，进一步减少装置自身对电网的谐波污染。
发明内容
1、发明目的
本发明的目的在于提出一种直流母线电压非恒定型MMC-STATCOM，为提高MMC-STATCOM的无功补偿性能提供了新的思路，通过适当的调制策略可以使静止同步补偿器的输出性能更优，实现更好的电能质量治理效果。
2、技术方案
为达到上述的发明目的，本发明的直流母线电压非恒定型MMC-STATCOM主要包括MMC主电路、控制电路以及必要的保护电路，直流母线无外接大容量电容。所述MMC主电路由6个桥臂12个子模块构成，每个桥臂与一个电抗器L串联构成。通过理论和仿真分析，MMC-STATCOM变换器直流母线电压是否恒定与上、下桥臂载波移相正弦脉宽调制(CarrierPhase Shifted SPWM，CPS-SPWM)的载波移相角密切相关，保证三相调制波互差120°，同一相上、下桥臂的子单元模块载波分别移相0°、180°、90°、270°，上下桥臂的调制波相差180°，即可实现直流母线电压的非恒定。直流母线电压非恒定时，MMC变换器交流侧输出电平数明显增加，在相同滤波元件设计的前提下，可进一步降低并网电流THD，提高无功电流质量。本发明中，仅以上述这种调制策略为例进行说明，其分析结果同样适用其它调制策略下实现直流母线电压非恒定的情况。
3、有益效果
本发明的一种直流母线电压非恒定型MMC-STATCOM是一种应用于输配电系统中的无功补偿装置，可补偿不平衡负荷、有效提高电网电压暂态稳定性。由于MMC-STATCOM的公共直流母线完全由三相桥臂支撑，无需外接大容量电容，所以直流母线电压可以是非恒定的。通过适当的调制策略使直流母线电压按一定规律周期性变化，可使静止同步补偿器的输出性能更好，减少装置自身对电网的谐波污染。
附图说明
图1是本发明的三相模块化多电平变换器结构示意图。
图2是本发明的子模块功率单元的电路图。
图3是本发明的MMC-STATCOM单相等效电路。
图4是本发明的将桥臂电感等效到网侧的MMC-STATCOM单相等效电路。
图5是本发明的将桥臂电感等效到网侧后的MMC-STATCOM三相等效电路。
图6是本发明的母线电压恒定型MMC容性无功补偿模态过程。
图7是本发明的母线电压非恒定型MMC容性无功补偿模态过程(1/2周期)。
图8是本发明的母线电压非恒定型MMC-STATCOM的Matlab/Simulink仿真结果图。
图1中：usa、usb、usc为网侧三相交流电压，Rs为线路电阻，Ls为线路等效电感，三相上、下桥臂电流为ipj、iNj(j＝a，b，c)，其串联电感为Ljm(j＝a，b，c；m＝1，2)，vCjk(j＝a，b，c；k＝1，2，…，2n)为变换器串联子模块的直流侧电容电压，公共直流母线电压为Vdc，o为虚拟中点，并将中点上下电压虚拟为VPo＝-VNo＝1/2Vdc。图2中：所述子模块功率单元包括两个开关管S1、S2以及两个反并联二极管D1、D2，一个并联电容C，其工作状态包括：投入状态、切除状态和闭锁状态。投入状态时，上开关管S1触发导通而下开关管S2未触发，此时电流经二极管D1向电容充电或经过上开关管S1对电容放电，子模块输出电压为电容电压vC；切除状态时，上开关管S1未触发而下开关管S2触发导通，此时电流流经下开关管S2或二极管D2，子模块输出电压为0；闭锁状态时，上下开关管S1、S2均未触发，若电流经二极管D1流向电容充电，则子模块输出电压为电容电压vC，若电流通过二极管D2，则子模块输出电压为0。图3中：MMC直流母线电压恒定时，虚拟零点上下电压相等VPo＝VoN＝Vdc/2，考虑三相桥臂环流分量iz，则可得到图3所示的单相MMC等效电路。图4中：上、下桥臂交流电感转移到输出交流侧，其感值减半为L/2，
Figure BSA0000102784540000031
为电路等效后MMC-STATCOM装置输出电压。图5中：uc1、uc2、uc3、uc4分别为A相上下桥臂子模块的载波信号，ucp、ucn分别为上下桥臂的调制信号。ua1、ua2、ua3、ua4分别为A相上下桥臂各子模块的输出电压，uap、uan分别为A相上下桥臂电压，uPN为直流母线电压，
Figure BSA0000102784540000032
为MMC-STATCOM装置A相输出电压，us、is分别为电网侧电压及电流，Le为将桥臂电感等效到电网侧后电感值。图6中：每相桥臂在任何时刻投入的子模块数固定，MMC变换器相电压总共有3种不同的电平，分别为
Figure BSA0000102784540000033
桥臂电感折合到交流侧后的等效电感承受电压为
Figure BSA0000102784540000034
通过选择合适的控制策略，可实现变换器输出电流超前网侧电压90°，在整个工频周期内直流母线电压保持恒定VPN＝Vdc。图7中：采用载波移相调制策略，三相调制波互差120°，同一相上、下桥臂的子单元模块载波分别移相0°、180°、90°、270°，上下桥臂的调制波相差180°，直流母线电压非恒定。图8中：母线电压非恒定型MMC-STATCOM仿真结果图，直流母线电压在非恒定时装置输出电压电平数增加，经FFT分析后可知相电压THD含量降低。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明提出了一种直流母线电压非恒定型MMC-STATCOM，所述MMC-STATCOM为三相六个桥臂结构，每个桥臂由相同数量的子模块串联组成。本发明中MMC-STATCOM以每相4个子模块为例，分析直流母线电压非恒定的实现方式及其带来的意义，分析结果同样适合于每相为n个模块的MMC-STATCOM。
MMC-STATCOM实现直流母线电压非恒定具体包括下述步骤：
考虑到MMC-STATCOM三相对称，从能量角度而言，模块化多电平变换器的各相、各子模块和直流侧能量分布相互独立，将子模块看成受控电压源，得到MMC-STATCOM单相电路如图3所示。将桥臂电感等效到电网侧，其感值变为原来的1/2，得到MMC-STATCOM单相等效电路以及三相等效电路分别如图4、图5所示。
图7中MMC-STATCOM采用CPS-SPWM调制策略，通过在三相调制信号上分别叠加子模块电容电压平衡控制信号，保证各相之间、上下桥臂之间、桥臂内部的子模块能量自动平衡。本发明中以三相调制波互差120°，同一相上、下桥臂的子单元模块载波分别移相0°、180°、90°、270°，上下桥臂的调制波相差180°为例来分析直流母线电压非恒定型MMC-STATCOM，分析方法同样适合于采用其它载波移相角时的情况。
以其中的几个特定时刻为例来分析直流母线电压非恒定型MMC-STATCOM的工作模态，其分析结果适用于整个周期。如图7中t0～t1期间子模块a1、a2、a3、a4全部投入，母线电压为4倍电容电压vC，装置输出电压
Figure BSA0000102784540000041
为0。t1～t2期间子模块a1、a2、a4处于投入状态，a3处于切除状态，母线电压为3倍电容电压vC，装置输出电压
Figure BSA0000102784540000042
为-1/2vC。t3～t4期间子模块a1、a2、a3、a4均处于切除状态，直流母线电压为0，装置输出相电压
Figure BSA0000102784540000043
为0。t5～t6期间子模块a1、a2处于投入状态，a3、a4处于切除状态，直流母线电压为2倍电容电压vC，装置输出相电压
Figure BSA0000102784540000044
为-vC。t6～t7期间子模块a2处于投入状态，a1、a3、a4处于切除状态，直流母线电压为1倍电容电压vC，装置输出相电压
Figure BSA0000102784540000045
为-1/2vC。
在MATLAB/Simulink中搭建直流母线电压非恒定型MMC型STATCOM的仿真模型，将三相380V/50Hz交流电网模拟成无穷大系统，即等效电阻及电感为零，采样频率选择为40kHz，算法步长为25us，调节器采用比例积分调节器，其离散计算时间为50us。如图8(a)所示为桥臂输出电压
Figure BSA0000102784540000046
波形，其仿真结果与理论分析结论相一致。
通过对比图6和图7，可以看出通过改变载波移相角，可实现直流母线电压非恒定工作方式，与直流母线电压保持恒定工作方式相比，输出电压电平数更多，输出电流谐波含量更少，能进一步改善MMC-STATCOM装置的性能。

Claims (2)

1.一种直流母线电压非恒定型MMC-STATCOM，其特征在于：所述模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)由6个桥臂组成，每个桥臂由若干个相同的子模块(Sub-Module，SM)与一个电抗器L串联构成，其中子模块由2个开关管和一个并联储能电容构成，上、下2个桥臂构成一个相单元(Phase Module)。所述静止同步补偿器(StaticSynchronous Compensator，STATCOM)，利用子模块的投入、切除或闭锁实现三相多电平输出，经过电抗器L并联在电网上，通过调制策略控制其交流侧电流，可使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。将模块化多电平拓扑结构应用于静止同步补偿器，由于直流母线无需外接大容量电容，通过适当的调制策略可以使直流母线电压在工作周期内按规律变化，即实现直流母线电压非恒定。
2.根据权利要求1所述，直流母线电压非恒定型MMC-STATCOM，其特征在于：由于直流母线电压为每相投入的子模块输出电压之和，故通过载波移相正弦脉宽调制(CarrierPhase Shifted SPWM，CPS-SPWM)策略，即三相调制波互差120°，同一相上、下桥臂的子单元模块载波分别移相0°、180°、90°、270°，上下桥臂的调制波相差180°，可以实现在一个周期内单相桥臂有规律地投入不同数量的子模块，从而实现直流母线电压非恒定。在直流母线电压非恒定下，MMC-STATCOM装置输出电压电平数增加，具有更好的输出特性。
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