CN111224401A - 一种基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统，包括两个三相半桥模块化多电平换流器、一个储能电容，以及两个双向晶闸管组、两个敏感非线性负荷；两个三相半桥模块化多电平换流器背靠背连接，直流侧均连接储能电容；各三相半桥模块化多电平换流器的交流侧经对应的双向晶闸管组连接变电站母线，交流侧还连接对应的敏感非线性负荷。此种系统可实现在电力系统产生干扰时动态补偿敏感负荷上的电压暂降，并且在电力系统没有发生电压暂降时可以抑制负载的谐波注入，同时可以对配电网中的能量流动进行调节优化，保障电能质量。本发明还公开一种基于前述电能质量调节系统，实现谐波抑制、电压暂降治理和功率调节等控制目的的控制方法。

Description

一种基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统
技术领域
本发明属于多电平电力电子变换器技术领域，特别涉及一种基于背靠背模块和多电平换流器的电能质量调节系统，以及基于该电能质量调节系统而实现谐波抑制、电压暂降治理和功率调节的功能的方法。
背景技术
随着经济技术的不断发展，复杂精密设备的不断普及，用户对配电网电能质量的要求也日益提高，其中以电压暂降为主的电能质量问题则是人们关注的重点。电压暂降是指供电电压在短时间内快速下降又回升的现象，主要是由系统电气短路、大负荷投切、大型电机启动等瞬时大功率变动引起的。电压暂降出现频率低、持续时间短，但往往会导致电压敏感型设备停机甚至烧毁，对工业生产造成极大危害。因此缓解电压暂降，改善系统电能质量就显得尤为重要。
普遍的治理电压暂降问题的措施是在供电系统和敏感负荷间加装补偿设备。常用的设备有：不间断电源、固态切换开关、动态电压恢复器等。不间断电源主要采取电池等化学能来进行储能，当电网断电时能提供几分钟到几小时的电能供应，同时也能抑制电压暂降，但存在能耗过大、维护成本高、占地面积大等缺点。固态切换开关用于有备用电源供电系统，当一路电压有问题时，可快速切换至另一路电源，但建设改造成本过高，电压治理效果受开关切换时间影响较大。动态电压恢复器能快速给负荷侧补偿适当的跌落电压，消除电压暂降影响，但在电网电压跌至50％以下，或完全中断时，就无法进行有效补偿。
此外，其他改善电能质量的传统设备有静止无功发生器和静止无功补偿器等，主要是通过在用户侧并联电容器或无功电源来补偿瞬时无功缺额，以此缓解电压降落及谐波污染问题，但也存在无功补偿容量有限、只能就地补偿、调节不够灵活等问题。
基于以上分析，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统，其可实现在电力系统产生干扰时动态补偿敏感负荷上的电压暂降，并且在电力系统没有发生电压暂降时可以抑制负载的谐波注入，同时可以对配电网中的能量流动进行调节优化，保障电能质量。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统，包括两个三相半桥模块化多电平换流器、一个储能电容，以及两个双向晶闸管组、两个敏感非线性负荷；两个三相半桥模块化多电平换流器背靠背连接，直流侧均连接所述储能电容；各三相半桥模块化多电平换流器的交流侧经对应的双向晶闸管组连接变电站母线，交流侧还连接对应的敏感非线性负荷。
上述三相半桥模块化多电平换流器包括结构相同的三相电路，每一相均包括上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均包括N个子模块、一个电阻和一个电感，N为自然数；上桥臂中，N个子模块同向顺序连接后，其正端作为上桥臂的正向端，而负端经电感连接电阻，电阻的另一端作为上桥臂的负向端；下桥臂中，N个子模块同向顺序连接后，其负端作为下桥臂的负向端，其正端经电感连接电阻，电阻的另一端作为下桥臂的正向端；同一相电路中，上桥臂的负向端和下桥臂的正向端相连接，并作为三相半桥模块化多电平换流器对应相的交流侧引出端；三相电路中，三个上桥臂的正向端相连接，并作为三相半桥模块化多电平换流器的直流侧正极；三相电路中，三个下桥臂的负向端相连接，并作为三相半桥模块化多电平换流器的直流侧负极。
上述子模块包括第一MOS管、第二MOS管和电解电容，其中，电解电容的正极和负极分别连接第一MOS管的漏极和第二MOS管的源极，第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极相连接，且该连接点作为子模块的正端，第二MOS管的源极作为子模块的负端。
基于如前所述的基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统的控制方法，用于抑制任一敏感非线性负荷谐波注入；包括如下步骤：
步骤a1，采样所述任一敏感非线性负荷A、B、C各相的电流I1la、I1lb、I1lc，计算各相电流经过派克变换后的ip、iq，再与其低通滤波所得到的直流量
Figure BDA0002385272090000031
相减即得到所需补偿电流的指令信号；
步骤a2，通过调制方法使与步骤a1敏感非线性负荷相连的三相半桥模块化多电平换流器产生补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的部分相抵消，最终得到期望的电网电流。
基于如前所述的基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统的控制方法，用于处理任一变电站母线电压暂降；包括如下步骤：
步骤b1，若与某一三相半桥模块化多电平换流器对应的变电站母线电压发生暂降，则熄灭该侧双向晶闸管组的触发脉冲；
步骤b2，将该三相半桥模块化多电平换流器从电流控制模式切换到电压控制模式，检测该侧双向晶闸管组各相通过的瞬时电流I1sa、I1sb、I1sc，通过调制方法使该三相半桥模块化多电平换流器的三相端口输出电压极性与当前流经双向晶闸管组的电流极性相反，从而使所述双向晶闸管组快速关断；
步骤b3，在该双向晶闸管组电流下降到0后，由该三相半桥模块化多电平换流器独立为与其连接的敏感非线性负荷供电。
基于如前所述的基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统的控制方法，用于实现任一侧变电站母线的功率调节；包括如下步骤：
步骤c1，对于有功不足的某一侧变电站母线，采样该母线侧A、B、C各相的电流I1lsa、I1lsb、I1lsc，计算该母线中有功缺额；
步骤c2，根据另一侧变电站母线中的有功功率余量和步骤c1所述变电站母线中的有功缺额，取其中的较小值作为两个三相半桥模块化多电平换流器的功率传递指令，内环采用直接电流控制法，所述另一侧的三相半桥模块化多电平换流器的外环有功功率控制器采用交流侧有功功率控制，所述有功不足的变电站母线对应的三相半桥模块化多电平换流器的外环有功功率控制器采用直流侧电压控制，从而将有功功率从所述另一侧变电站母线传递到所述有功不足的变电站母线，以满足所述有功不足的变电站母线侧的敏感非线性负荷的功率需求。
采用上述方案后，相对于现有技术，本发明具有如下优点：
(1)该方案能从源头上解决配电网中的电压暂降问题，灵活性、可靠性强；
通过背靠背模块化多电平换流器将两个配电网系统母线相连，当一根母线出现电压暂降时，可快速断开故障母线由模块化多电平换流器进行供电，可在源头上解决电压暂降问题。同时背靠背模块化多电平换流器可调控传输功率，使传输功率不至于过大影响到第二根母线的正常工作，相比两根母线直接相连要更加灵活且安全可靠。若其中一个配电网系统发生大面积停电事故，背靠背模块化多电平换流器也可及时切断功率传输，避免事故范围扩大。
(2)该方案同时可以对负载的谐波注入进行治理，保障电能质量；
对于会引起电力系统电压或电流正弦波形的畸变的非线性负荷，背靠背模块化多电平换流器可起到滤波器效果，通过补偿电流改善负荷注入电网的电压波形，减小谐波污染。
(3)该方案可以对不同系统间的功率交换进行调节，优化能量流动；
在正常工作情况下，背靠背模块化多电平换流器可根据负荷需求，调节两根母线间的能量流动，实现能量的优化配置。同时由于传输的有功无功功率独立可控，可分别实现电力系统调频和稳压功能，有效提高系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明电能质量调节系统的整体拓扑电路图；
图2是本发明中三相半桥模块化多电平换流器的拓扑电路图；
图3是三相半桥模块化多电平换流器中单个子模块的拓扑电路图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统，其采用两个三相半桥模块化多电平换流器1.1及1.6，二者背靠背连接，直流侧均连接到同一储能电容1.2，交流侧采用对称的连接结构，交流侧两端分别接入配电网中独立的两套交流母线，两套交流母线中串有双向晶闸管组1.3及1.8，两个晶闸管组一端接两个独立的变电站母线1.4及1.7，另一端接两个独立的敏感非线性负荷1.5及1.9，形成整体的电能质量调节系统。
基于前述电能质量调节系统，本发明提供三种控制目的的实现方案，分别是谐波抑制、电压暂降治理和功率调节，下面分别说明。
以敏感非线性负荷1为例，一种抑制负载谐波注入的背靠背模块化多电平换流器的控制方法，包括如下步骤：
1)采样负载侧A、B、C各相的电流I1la、I1lb、I1lc，采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq法，指令运算电路计算出负载侧各相电流经过派克变换后的ip、iq，再与其低通滤波所得到的直流量
Figure BDA0002385272090000051
相减即得到所需补偿电流的指令信号；
2)通过调制方法使模块化多电平换流器1.1产生补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的部分相抵消，最终得到期望的电网电流。
以母线一发生电压暂降为例，一种动态补偿电压暂降的背靠背模块化多电平换流器的控制方法，包括如下步骤：
1)采样母线一电压US1进行电压检测，若检测到系统电压发生暂降，则熄灭晶闸管组1.3的触发脉冲；
2)将模块化多电平换流器从电流控制模式切换到电压控制模式，检测晶闸管组1.3各相通过的瞬时电流I1sa、I1sb、I1sc，通过调制方法使模块化多电平换流器1.1的三相端口输出电压极性与当前流经晶闸管的电流极性相反，从而使晶闸管组1.3快速关断；
3)在晶闸管组1.3电流下降到0即晶闸管强迫关断后，由模块化多电平换流器1.1独立为敏感非线性负荷1供电。
以母线一有功不足为例，配电网能量运行调节优化的背靠背模块化多电平换流器的控制方法包括如下步骤：
1)采样母线侧A、B、C各相的电流I1lsa、I1lsb、I1lsc进行检测，若母线一提供的有功不足，即三相电流无法满足负荷侧的需求，则指令计算电路基于瞬时功率理论计算出母线一中有功缺额；
2)根据母线二1.7中的有功功率余量和母线一中的有功缺额，取其中的较小值作为背靠背模块化多电平换流器的功率传递指令，内环采用直接电流控制法，三相MMC2的外环有功功率控制器选择交流侧有功功率控制，三相MMC1的外环有功功率控制器选择直流侧电压控制，通过背靠背模块化多电平换流器1.1及1.6将有功功率从母线二传递到母线一，以满足负荷一1.5的功率需求。
综合上述，本发明涉及一种基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节复合系统，该系统采用背靠背模块化多电平换流器的结构，具有效率高、高度模块化、能量调节控制方便、功能多样等优点。其中，背靠背换流器交流侧两端分别接入中压配电网不同交流母线上，通过背靠背模块化多电平换流器的功率调节特性，不仅能够在电网发生暂降、暂升、波动等异常时保证敏感负荷的正常供电，并且在电网电压正常时可提供谐波抑制及无功补偿功能，此外还可实现两条交流母线负载有功能量动态分配，综合解决中压配电网电能治理综合治理及有功调节优化问题，全面提升供电可靠性。本发明将动态电压恢复、谐波及无功治理、能量调节优化的功能有机结合在一起，可以实现配电网中功率补偿和传递的高度自由性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统，其特征在于：包括两个三相半桥模块化多电平换流器、一个储能电容，以及两个双向晶闸管组、两个敏感非线性负荷；两个三相半桥模块化多电平换流器背靠背连接，直流侧均连接所述储能电容；各三相半桥模块化多电平换流器的交流侧经对应的双向晶闸管组连接变电站母线，交流侧还连接对应的敏感非线性负荷。
2.如权利要求1所述的基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统，其特征在于：所述三相半桥模块化多电平换流器包括结构相同的三相电路，每一相均包括上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均包括N个子模块、一个电阻和一个电感，N为自然数；上桥臂中，N个子模块同向顺序连接后，其正端作为上桥臂的正向端，而负端经电感连接电阻，电阻的另一端作为上桥臂的负向端；下桥臂中，N个子模块同向顺序连接后，其负端作为下桥臂的负向端，其正端经电感连接电阻，电阻的另一端作为下桥臂的正向端；同一相电路中，上桥臂的负向端和下桥臂的正向端相连接，并作为三相半桥模块化多电平换流器对应相的交流侧引出端；三相电路中，三个上桥臂的正向端相连接，并作为三相半桥模块化多电平换流器的直流侧正极；三相电路中，三个下桥臂的负向端相连接，并作为三相半桥模块化多电平换流器的直流侧负极。
3.如权利要求2所述的基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统，其特征在于：所述子模块包括第一MOS管、第二MOS管和电解电容，其中，电解电容的正极和负极分别连接第一MOS管的漏极和第二MOS管的源极，第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极相连接，且该连接点作为子模块的正端，第二MOS管的源极作为子模块的负端。
4.基于如权利要求1所述的基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统的控制方法，用于抑制任一敏感非线性负荷谐波注入；其特征在于包括如下步骤：
步骤a1，采样所述任一敏感非线性负荷A、B、C各相的电流I1la、I1lb、I1lc，计算各相电流经过派克变换后的ip、iq，再与其低通滤波所得到的直流量
Figure FDA0002385272080000021
相减即得到所需补偿电流的指令信号；
步骤a2，通过调制方法使与步骤a1敏感非线性负荷相连的三相半桥模块化多电平换流器产生补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的部分相抵消，最终得到期望的电网电流。
5.基于如权利要求1所述的基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统的控制方法，用于处理任一变电站母线电压暂降；其特征在于包括如下步骤：
步骤b1，若与某一三相半桥模块化多电平换流器对应的变电站母线电压发生暂降，则熄灭该侧双向晶闸管组的触发脉冲；
步骤b2，将该三相半桥模块化多电平换流器从电流控制模式切换到电压控制模式，检测该侧双向晶闸管组各相通过的瞬时电流I1sa、I1sb、I1sc，通过调制方法使该三相半桥模块化多电平换流器的三相端口输出电压极性与当前流经双向晶闸管组的电流极性相反，从而使所述双向晶闸管组快速关断；
步骤b3，在该双向晶闸管组电流下降到0后，由该三相半桥模块化多电平换流器独立为与其连接的敏感非线性负荷供电。
6.基于如权利要求1所述的基于背靠背模块化多电平换流器的电能质量调节系统的控制方法，用于实现任一侧变电站母线的功率调节；其特征在于包括如下步骤：
步骤c1，对于有功不足的某一侧变电站母线，采样该母线侧A、B、C各相的电流I1lsa、I1lsb、I1lsc，计算该母线中有功缺额；
步骤c2，根据另一侧变电站母线中的有功功率余量和步骤c1所述变电站母线中的有功缺额，取其中的较小值作为两个三相半桥模块化多电平换流器的功率传递指令，内环采用直接电流控制法，所述另一侧的三相半桥模块化多电平换流器的外环有功功率控制器采用交流侧有功功率控制，所述有功不足的变电站母线对应的三相半桥模块化多电平换流器的外环有功功率控制器采用直流侧电压控制，从而将有功功率从所述另一侧变电站母线传递到所述有功不足的变电站母线，以满足所述有功不足的变电站母线侧的敏感非线性负荷的功率需求。
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