CN108539723B - 一种分相分压式级联h桥柔性限流装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分相分压式级联H桥柔性限流装置及其控制方法，所述限流装置包括串联在电网馈线母线端的若干子限流模块，每个子限流模块包括耦合电容、滤波电感和级联H桥多电平变流器；所述耦合电容的一端与滤波电感的一端连接，作为子限流模块的一个端点，所述滤波电感的另一端与级联H桥多电平变流器的输入端连接，所述级联H桥多电平变流器的输出端与所述耦合电容的另一端连接，作为子限流模块的另一个端点。本发明可实现电网短路故障分相柔性限流控制。

Description

一种分相分压式级联H桥柔性限流装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及柔性交流输配电技术领域，尤其涉及一种分相分压式级联H桥柔性限流装置及其控制方法。
背景技术
传统柔性限流器多采用以电力电子器件在故障时刻将限流电感快速投入以达到抑制短路电流的目的，一般存在体积重量过大、产生电网谐波污染等问题，同时对电抗器制作工艺及电力电子器件耐压耐流水平要求高，商业化应用受限。
专利CN102035196A《一种基于可控串补的故障限流装置》，该发明的缺点是限流器进入限流模式时，在电容和开关器件回路会产生极高的高频振荡电流；为了降低上述高频振荡而串入开关器件支路的阻尼电阻，由于要通过全部短路电流而产生极大的功耗，且延长了振荡衰减时间；若开关器件因故拒动，将造成比不加限流电抗器更严重的后果。
专利CN103094890A《柔性限流电路》,该发明缺点在于设备造价高昂，且限流性能受限于限流材料的生产工艺，此外，维持材料超导状态所产生的损耗较大，且维护成本较高，还远未达到实际应用到实际电力系统的程度。
专利CN101609982A《一种具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器》,该方法的缺点是对开关的响应速度要求极高，若在短路电流上升到峰值之前不能控制电力电子器件导通，将有可能导致其因为承受不了过大的短路电流而损坏；由于电感和电容元件的使用，增加了系统阶数，暂态过程变得复杂并产生附加振荡，使得系统的设计和分析难度大大增加。
专利CN201910616U《一种单相单管桥式短路限流器》，该发明的缺点在于存在交流、直流损耗，一般交流损耗仅存在于限流过程中，而直流损耗在装置正常运行时也会存在。流过直流电抗器的电流较大，使得其功率损耗不容忽视。损耗问题不仅降低系统运行效益，还会带来附加的热管理问题。此外，为保证桥式FCL正常运行，直流电感中的电流必须始终高于线路交流电流的峰值，因此为补偿衰减，在实际电路中要对电感充电。然而实际中直流充电技术存在一定的困难，自充电是一种较为简单易行的办法，但其可能引起电压畸变和瞬时跌落。若无法改进电抗器的制作工艺，庞大的体积也会成为制约商业化发展的阻碍因素。
发明内容
针对现有传统柔性限流器技术的不足，本发明提供一种分相分压式级联H桥柔性限流装置及其控制方法，实现电网短路故障分相柔性限流的控制目标。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种分相分压式级联H桥柔性限流装置，所述限流装置包括串联在电网馈线母线端的若干子限流模块，每个子限流模块包括耦合电容、滤波电感和级联H桥多电平变流器；所述耦合电容的一端与滤波电感的一端连接，作为子限流模块的一个端点，所述滤波电感的另一端与级联H桥多电平变流器的输入端连接，所述级联H桥多电平变流器的输出端与所述耦合电容的另一端连接，作为子限流模块的另一个端点。
进一步地，所述子限流模块的个数以及级联H桥多电平变流器的级联数，根据级联H桥多电平变流器中单个开关器件的耐压耐流水平调整。
根据上述的一种分相分压式级联H桥柔性限流装置的控制方法，电网发生短路故障后，在故障相投入限流装置，采集耦合电容电流值和滤波电感电流值，计算预设的故障馈线目标电流值与耦合电容电流值之差，得到限流装置的输出跟踪目标电流值，再与滤波电感电流值作比较后送入PI控制器，生成限流装置的调制信号，通过正弦脉宽调制技术生成级联H桥多电平变流器中各个开关管的驱动信号，实现并网控制。
进一步地，所述正弦波脉宽调制技术为载波移相正弦波脉宽调制技术。
与现有技术相比，本发明具有有益效果：
（1）省去庞大限流电抗器；
（2）不存在高频振荡现象；
（3）无需与固态断路器配合；
（4）可实现对故障电流的无级调节；
（5）可较为方便地扩大容量，提高电压等级；
（6）多电容均压的方式，在降低电力电子器件耐压耐流要求的同时，提高限流方案的安全可靠性；
（7）通过电容与电网耦合，无需变压器便可直接接入电网，降低造价的同时也避免了励磁涌流等问题的出现。
附图说明
图1是本发明一种分相分压式级联H桥柔性限流装置的结构示意图；
图2是本发明一种分相分压式级联H桥柔性限流装置的拓扑等值图；
图3是本发明一种分相分压式级联H桥柔性限流装置的控制结构示意图；
图4是本发明一种分相分压式级联H桥柔性限流装置的控制流程示意图；
图5是本发明一种分相分压式级联H桥柔性限流装置控制系统等效传递函数的波特图；
图6本发明一实施例中级联H桥五电平变流器的结构示意图；
图7是本发明一实施例中级联H桥五电平变流器的工作时序图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种分相分压式级联H桥柔性限流装置，所述限流装置包括串联在电网馈线母线端的若干子限流模块，每个子限流模块包括耦合电容、滤波电感和级联H桥多电平变流器；所述耦合电容的一端与滤波电感的一端连接，作为子限流模块的一个端点，所述滤波电感的另一端与级联H桥多电平变流器的输入端连接，所述级联H桥多电平变流器的输出端与所述耦合电容的另一端连接，作为子限流模块的另一个端点。
所述子限流模块的个数以及级联H桥多电平变流器的级联数，根据级联H桥多电平变流器中单个开关器件的耐压耐流水平调整。
根据上述的一种分相分压式级联H桥柔性限流装置的控制方法，电网发生短路故障后，在故障相投入限流装置，采集耦合电容电流值和滤波电感电流值，计算预设的故障馈线目标电流值与耦合电容电流值之差，得到限流装置的输出跟踪目标电流值，再与滤波电感电流值作比较后送入PI控制器，生成限流装置的调制信号，通过正弦脉宽调制技术生成级联H桥多电平变流器中各个开关管的驱动信号，实现并网控制。
所述正弦波脉宽调制技术为载波移相正弦波脉宽调制技术。
当电网发生故障后，首先对故障相进行判别，之后仅在故障相投入FCL。本发明的主要优点在于无论发生什么类型的短路故障，FCL均能将故障电流限制到设定值水平。故障相投入限流后的拓扑等值图如图2所示，H桥拓扑与滤波电感可以等效为受控电流源。图中f表示故障相，即所需要限到的设定电流值。由于是设定值，是耦合电容电流，可从电网中实时采样，因此对节点D列写KCL方程便可求得需要注入的电流。
分相分压式级联H桥柔性限流装置的控制系统结构示意图如图3所示，选取电流信号作为反馈控制量。限流装置和电网进行能量交换的参考电流为发生短路故障时的补偿电流，该参考电流和实时检测的滤波电感电流相比较，差值输入电流PI控制器得到变流器的调制信号，最后通过CPS-SPWM调制技术生成变流器中各个开关管的驱动信号，实现并网控制，进而达到电网短路故障分相柔性限流的控制目标。
短路电流的实时跟踪补偿控制如图4所示。PWM控制的级联H桥变换器，包括比例环节和较小时间常数的惯性环节，因此级联H桥变换器组传递函数可简化为比例环节。于是，图4系统开环传递函数为
由上式可知，由四个典型的最小相位环节共同组成，分别是变换器组、PI控制器及滤波器作用比例环节，变换器作用微分环节，滤波器产生的惯性环节以及一个积分环节。合理选择PI控制器参数、，上述传递函数可简化为一阶惯性环节
此时，控制系统的闭环传递函数
分析控制系统对扰动的抑制效果。扰动对输出的传递函数为
上式波特图如图5。可见，在高频处出现明显衰减，且具有较好抗干扰能力。
CPS-SPWM将多重化技术和PWM技术相结合，能够改善输出波形特性，若调制波为，三角载波的幅值为，角频率为，相位为，级联数为N，将采用载波移相调制的多电平变换器的输出用双重傅里叶级数展开得
式中，A为基波分量，B为载波谐波，C为边带谐波，它们的表达式如下
式中，
为n阶贝塞尔函数。由此可知，级联H桥变流器输出电压基波有效值提高至单个H桥的N倍，因此其输出容量提高输出N倍；最低次谐波频率为N倍的载波频率，等效开关频率提高了N倍，输出波形特性与单个全桥电路相比也得以改善。
对于N分压M级联的SVHB-FFCL，共有MN个H桥单元，每个H桥单元有两个桥臂四个开关器件，且同一桥臂的驱动应相反，共需要2MN组驱动信号。采用调制效果较好的半周波移相方式。需要2MN个同频同幅的三角载波，载波信号之间依次相差180°/(MN)的相位角，每两个相位相差π的三角载波与调制波对比后控制一个H桥单元开关器件的开断，选择五电平电路作为例子分析CPS-SPWM在级联H桥多电平变流器中工作情况。
五电平变流器由两个全桥电路级联而成，如图6所示，直流侧电压为10V。第一个全桥电路的四个开关器件编号为T11、T12、T13、T14，第二个全桥电路的四个开关器件编号为T21、T22、T23、T24，图7为该五电平变流器的工作时序图，图中TR1、TR2、TR3、TR4为三角载波信号，与调制波比较生成控制信号，分别控制T11、T21、T13、T23的导通。T11、T14、T21、T24控制信号分别与T12、T13、T22、T23控制信号相反。以开关器件T11为例，当调制波大于三角载波TR1，T11开通，当调制波小于三角载波TR1，T11关断，T12开关信号与T11相反。当T11、T14导通，T12、T13关断，第一个全桥电路输出10V，当T12、T13导通，T11、T14关断，第一个全桥电路输出-10V，当T11、T13导通，T12、T14关断或T12、T14导通，T11、T13关断，第一个全桥电路输出0，第二个全桥子单元工作情况类似，整体输出电压为两个子模块当前时刻输出电压之和，能输出的五个电平分别为-20V，-10V，0V，10V，20V。
电网发生短路故障后，由故障检测模块检测故障相并向限流装置发送信号，以预设故障馈线电流目标与实时测量的耦合电容电流做差，得到实时变化的级联H桥变换器组输出跟踪目标电流值，再与实时采样的滤波电感电流作比较后送入PI控制器，生成变流器的调制信号，采用合适的调制策略控制变流器输出响应速度快、效果理想的电流信号，最终将故障馈线电流限制到目标电流值，完成故障抑制。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种分相分压式级联H桥柔性限流装置的控制方法，其特征在于，所述限流装置包括串联在电网馈线母线端的若干子限流模块，每个子限流模块包括耦合电容、滤波电感和级联H桥多电平变流器；所述耦合电容的一端与滤波电感的一端连接，作为子限流模块的一个端点，所述滤波电感的另一端与级联H桥多电平变流器的输入端连接，所述级联H桥多电平变流器的输出端与所述耦合电容的另一端连接，作为子限流模块的另一个端点；电网发生短路故障后，在故障相投入限流装置，采集耦合电容电流值和滤波电感电流值，计算预设的故障馈线目标电流值与耦合电容电流值之差，得到限流装置的输出跟踪目标电流值，再与滤波电感电流值作比较后送入PI控制器，生成限流装置的调制信号，通过正弦脉宽调制技术生成级联H桥多电平变流器中各个开关管的驱动信号，实现并网控制。
2.根据权利要求1所述的一种分相分压式级联H桥柔性限流装置的控制方法，其特征在于，所述子限流模块的个数以及级联H桥多电平变流器的级联数，根据级联H桥多电平变流器中单个开关器件的耐压耐流水平调整。
3.根据权利要求1所述的一种分相分压式级联H桥柔性限流装置的控制方法，其特征在于，所述正弦脉宽调制技术为载波移相正弦波脉宽调制技术。
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