CN105356479B - 一种c型串联滤波式级联svg及其负序补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种C型串联滤波式级联SVG及其负序补偿控制方法，C型串联滤波式级联SVG包括三个由级联型H桥链和滤波电感串联而成的支路，三个支路连接成三角形网络；所述三角形网络的三个连接点各通过一个滤波电容接入电网。这样级联型多电平PWM变流器相当于通过LC滤波器串联滤波之后连接电网，此种结构中C滤波器同时承担大部分基波分压，级联型多电平PWM变流器的电压容量大大降低，同时可以利用级联型多电平PWM变流器进行大功率无功和负序补偿，大大提高常规级联型多电平PWM变流器的补偿容量，可以广泛应于高压配电网的电能质量治理，具有很高的性价比。

Description

一种C型串联滤波式级联SVG及其负序补偿控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相级联型变换器，具体是一种C型串联滤波式级联SVG及其负序补偿控制方法。

背景技术

随着工业化规模的扩大及科学技术的迅速发展，一方面，国民经济各部门电气化程度的日益提高，各种复杂的、精密的、对电源特性变化敏感的新型高科技用户设备的不断增加，人们对电能质量的要求越来越高；另一方面，配电网中快速冲击型负荷(如电弧炉、轧机、绞车等)、大容量电力电子非线性负荷的急剧增加，引起电网电压波动与闪变、三相供电不平衡和电压电流波形畸变等，造成电网电能质量的严重恶化。因此，改善和提高电网电能质量，已经成为当前国民经济发展的迫切要求。

配电网电能质量治理补偿装置种类众多，低压常用的有LC无源滤波器、低压有源滤波器、静止无功补偿器及配电网静止无功发生器。其中，LC无源滤波器、静止无功补偿器及配电网静止无功发生器主要用来补偿无功，低压有源滤波器主要用来补偿高次谐波。在高压补偿方面，对装置的要求较高，目前的功率补偿器主要有高压静止无功补偿器，混合型有源电力滤波器及级联型多电平无功补偿器。高压静止无功补偿器虽然结构简单，但是动态无功补偿性能不佳，同时会产生谐波。混合型有源电力滤波器虽然可以进行高压补偿，但是其结构复杂，可靠性不高，无功补偿性能不佳。目前，最通用的高压功率补偿装置是高压级联型多电平无功补偿器，是将多个H桥单元串联组成，通过采用级联型多电平PWM调制技术，将多个低压的功率单元串联实现高压输出，可适用于任何等级的电压。同时，在某个功率单元出现故障时，可自动退出系统，而其余的功率单元可继续保持运行，减少停机所造成的损失。高压级联型多电平无功补偿器具有动态响应速度快、补偿范围宽、输出谐波小、系统稳定性强等诸多优点而成为高压系统中电能质量补偿装置发展的方向。

传统的高压级联型静止无功补偿器采用单相H桥结构作为级联单元，级联单元在交流端直接串联，再经连接电抗器与电网相连。高压级联型静止无功补偿器通过采用多电平PWM调制技术来调节逆变电路输出电压的幅值和相位，或者直接控制补偿器输出电流，发出可控的无功电流。但是该种传统的SVG在应用于高压场合时，需要级联单元数较多，系统较复杂。

目前由于电力电子器件的限制，该种结构采用的是大功率开关器件，其开关频率低(3.3kV的功率开关管的开关频率一般低于2kHz，4-6kV的功率开关管的开关频率一般低于1kHz)，运用在高压大功率场合时，需要对多个H桥单元模块级联，系统较复杂，补偿能力有待提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种C型串联滤波式级联SVG及其负序补偿控制方法，有效结合LC无源滤波器和级联型无功补偿器的特点，降低级联型SVG的电压容量，提高级联型SVG的无功和负序补偿能力，提高级联型SVG的性价比。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种C型串联滤波式级联SVG，包括三个由级联型H桥链和滤波电感串联而成的支路，三个支路连接成三角形网络；所述三角形网络的三个连接点各通过一个滤波电容接入电网。

所述级联型H桥链包括多个串联的单元模块。

本发明还提供了一种上述C型串联滤波式级联SVG的负序补偿控制方法，包括以下步骤：

1)检测x相级联型H桥链各单元模块的直流侧电容电压值，求取x相级联型H桥链直流侧电容电压值的平均值u_avex：其中u_dxy分别表示x相级联型H桥链的第y个单元模块的直流侧电压值，N为每相级联型H桥链的单元模块级联数量；然后求得x相级联型H桥链所有单元模块总电压的平均值：u_ave＝(u_aveab+u_avebc+u_aveca)/3；其中，x∈[ab,bc,ca]，ab,bc,ca分别表示C型串联滤波式级联SVG的三相；

2)将直流侧电压参考信号u^*与u_ave相减，然后进行PI调节，输出I_P，将I_P与ab,bc,ca三相的电压同步信号syn_x相乘，得ab,bc,ca三相的直流侧电压的调节指令i_px；

3)将u_ave分别与ab,bc,ca三相级联型H桥链的直流侧电容电压平均值u_avex相减，然后进行PI调节，输出I_Zx，I_Zx分别与ab,bc,ca三相的电压同步信号syn_x相乘，得到三相级联型H桥链的直流侧电压调节指令i_Zx；

4)将直流侧电压调节指令i_px与期望的三相无功和负序指令信号i_Zx、I_ref依次叠加之后，得到三相级联型H桥链的电流内环参考指令信号即：其中I_ref表示实现补偿负序电流时级联型H桥链的电压平衡控制在C型串联滤波式级联SVG内叠加的直流环流参考信号；

5)将电流内环参考指令信号与检测到的三相输出电流i_x相减，得到电流跟踪误差信号△i_x；电流跟踪误差信号经过电流控制器调节，得到ab,bc,ca三相级联型H桥链的调制波信号u_rx；

6)将各相直流侧电压平均值u_avex分别与本相内第y个单元模块直流侧电容电压u_dxy相减，相减后的误差进行P调节，然后与本相的输出电流i_x相乘，得到本相的第y个单元模块的直流侧电压调节指令△u_xy；

7)将级联型H桥链的第y个单元模块的直流侧电压调节指令△u_xy叠加到本相的调制波信号u_rx上，得到本相第y个单元模块的实际调制波信号m_xy；

8)将ab,bc,ca各相第y个单元的实际调制波信号m_xy送入移相载波调制单元，可以得到ab,bc,ca三相各个单元模块的PWM信号，驱动功率开关管输出期望的电压电流信号。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的C型串联滤波式级联SVG由三相串联滤波电容C、三个级联H桥链及三个L滤波电感组成，相当于级联型多电平PWM变流器通过LC单调谐滤波器串联滤波之后连接电网，此种结构中LC单调谐滤波器同时承担大部分基波分压，级联型多电平PWM变流器的电压容量大大降低，提高了SVG的补偿输出能力；同时为了保障负序补偿时SVG的电压平衡控制，在角型SVG内采用叠加直流环流控制方法，这样可以实现SVG的电压平衡控制，改善了SVG的工作性能。

附图说明

图1为本发明C型串联滤波式级联SVG；

图2为本发明C型串联滤波式级联SVG的控制框图。

具体实施方式

参见图1，为本发明的C型串联滤波式级联SVG。该结构包括三个串联滤波电容C，三个级联H桥链和三个L滤波电感组成。三个级联型H桥链和三个L滤波电感组成角型SVG，之后通过电容C串联滤波之后，连接到电网。这样相当于级联型多电平PWM变流器通过LC滤波器串联滤波之后连接电网，此种结构中LC滤波器同时承担大部分基波分压，级联型多电平PWM变流器的电压容量大大降低，同时可以利用级联型多电平PWM变流器进行大功率无功和负序补偿，大大提高常规级联型多电平PWM变流器的补偿容量，可以广泛应于高压配电网的电能质量治理，具有很高的性价比。

同时SVG装置在补偿输出负序电流时，每个相链的瞬时有功功率不为0，这将导致该相链的直流侧电压出现上升或者下降，导致直流侧电压不稳定。传统的方法是在角型SVG内部通过叠加零序环流来实现有功功率的再分配和平衡，使每相桥链的有功功率为0，从而实现SVG直流侧电压的平衡控制。该装置为了实现大容量负序补偿，在角型SVG内采用叠加直流环流方法来消除SVG补偿输出负序电流时相链的有功功率偏差，实现SVG直流侧电压的平衡控制。

如图2所示，本发明的控制原理详细描述如下：本发明C型串联滤波式级联SVG的控制原理如下：从整体上讲，C型串联滤波式级联SVG的控制框图由电压外环，电流内环，H桥链的电压平衡控制，H桥单元的单独平衡控制以及移相载波调制组成。

首先分别检测x相级联型H桥链的模块直流侧电容电压值，求取其平均值u_avex,x∈[ab,bc,ca]，有如下表达： 其中u_dxy,x∈[ab,bc,ca]分别表示x相H桥链的第y个单元模块的直流侧电压值，N为每相H桥链的单元模块级联数量。然后可以求得总电压的平均值：

u_ave＝(u_aveab+u_avebc+u_aveca)/3

直流侧电压参考信号u^*与直流侧电容电压平均值u_ave相减，然后进行PI调节输出I_P，I_P与AB，BC，CA(ab，bc，ca)三相的电压同步信号syn_x,x∈[ab,bc,ca]相乘可得直流侧电压的调节指令i_px,x∈[ab,bc,ca]。

直流侧电容电压平均值u_ave分别与AB，BC，CA三相H桥链的直流侧电容电压平均值u_avex相减，然后进行PI调节输出I_Zx，I_Zx分别与AB，BC，CA三相的电压同步信号syn_x,x∈[ab,bc,ca]相乘可得H桥链的直流侧电压调节指令i_Zx,x∈[ab,bc,ca]。

为了保障级联SVG在负序电流补偿时能稳定运行，一个直流环流叠加控制方法被采用，在角型SVG的环流叠加一个直流电流分量来实现补偿输出负序电流时的有功功率偏差，该直流环流指令设为I_ref。直流侧电压的调节指令i_px,x∈[ab,bc,ca]分别与期望的三相无功和负序指令信号i_Zx,x∈[ab,bc,ca]和I_ref叠加之后，可以得到三相H桥链的电流内环参考指令信号即为：

电流内环指令信号与检测到的三相输出电流i_x,x∈[ab,bc,ca]相减可以得到电流跟踪误差信号△i_x,x∈[ab,bc,ca]。电流的跟踪误差信号经过电流控制器调节可以得到AB，BC，CA三相H桥链的调制波信号u_rx,x∈[ab,bc,ca]。将三相的调制波信号u_rx,x∈[ab,bc,ca]送到相内平衡控制单元，可以得到AB，BC，CA各相第y个单元的实际调制波信号m_xy,x∈[ab,bc,ca]。

相内电压平衡控制的实现过称为：该相内电压平衡控制的目的是实现本相内各个直流侧电容电压的动态平衡。将检测到的各相直流侧电压平均值u_avex,x∈[ab,bc,ca]分别与本相内第y个单元模块直流侧电容电压u_dxy,x∈[ab,bc,ca]相减然后进行P调节，然后与本相的输出电流i_x,x∈[ab,bc,ca]相乘，可以得到第y个单元模块的直流侧电压调节指令△u_xy,x∈[ab,bc,ca]，将该信号叠加到本相的调制波信号u_rx,x∈[ab,bc,ca]上，则可以得到本相第y个单元模块的实际调制波信号m_xy,x∈[ab,bc,ca]，则有：m_xy＝u_rx+△u_xy。

如果单元模块采用单相全桥逆变器，则单相逆变器采用单极性调制方法，对于同一相的N个级联单元，每个单元的载波相角相差π/N。

最后将AB，BC，CA各相第y个单元的实际调制波信号m_xy,x∈[ab,bc,ca]送入移相载波调制单元，可以得到AB，BC，CA三相各个功率单元模块的PWM驱动信号，并驱动功率开关管输出期望的电压电流信号。

Claims (1)

1.一种C型串联滤波式级联SVG的负序补偿控制方法，所述C型串联滤波式级联SVG，包括三个由级联型H桥链和滤波电感串联而成的支路，三个支路连接成三角形网络；所述三角形网络的三个连接点各通过一个滤波电容接入电网；所述级联型H桥链包括多个串联的单元模块；其特征在于，包括以下步骤：

1)检测x相级联型H桥链各单元模块的直流侧电容电压值，求取x相级联型H桥链直流侧电容电压值的平均值u_avex：u_aveab＝∑u_daby/N，u_avebc＝∑u_dbcy/N，u_aveca＝∑u_dcay/N；其中u_dxy分别表示x相级联型H桥链的第y个单元模块的直流侧电压值，N为每相级联型H桥链的单元模块级联数量；然后求得x相级联型H桥链所有单元模块总电压的平均值：u_ave＝(u_aveab+u_avebc+u_aveca)/3；其中，x∈[ab,bc,ca]，ab,bc,ca分别表示C型串联滤波式级联SVG的三相；

2)将直流侧电压参考信号u^*与u_ave相减，然后进行PI调节，输出I_P，将I_P与ab,bc,ca三相的电压同步信号syn_x相乘，得ab,bc,ca三相的直流侧电压的调节指令i_px；

3)将u_ave分别与ab,bc,ca三相级联型H桥链的直流侧电容电压平均值u_avex相减，然后进行PI调节，输出I_Zx，I_Zx分别与ab,bc,ca三相的电压同步信号syn_x相乘，得到三相级联型H桥链的直流侧电压调节指令i_Zx；

4)将直流侧电压调节指令i_px与期望的三相无功和负序指令信号i_Zx、I_ref依次叠加之后，得到三相级联型H桥链的电流内环参考指令信号即：其中I_ref表示实现补偿负序电流时级联型H桥链的电压平衡控制在C型串联滤波式级联SVG内叠加的直流环流参考信号；

5)将电流内环参考指令信号与检测到的三相输出电流i_x相减，得到电流跟踪误差信号Δi_x；电流跟踪误差信号经过电流控制器调节，得到ab,bc,ca三相级联型H桥链的调制波信号u_rx；

6)将各相直流侧电压平均值u_avex分别与本相内第y个单元模块直流侧电容电压u_dxy相减，相减后的误差进行P调节，然后与本相的输出电流i_x相乘，得到本相的第y个单元模块的直流侧电压调节指令Δu_xy；

7)将级联型H桥链的第y个单元模块的直流侧电压调节指令Δu_xy叠加到本相的调制波信号u_rx上，得到本相第y个单元模块的实际调制波信号m_xy；

8)将ab,bc,ca各相第y个单元的实际调制波信号m_xy送入移相载波调制单元，可以得到ab,bc,ca三相各个单元模块的PWM信号，驱动功率开关管输出期望的电压电流信号。