CN112865124A - 一种链式静止无功发生器的纹波效应补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电压源换流器技术领域和动态无功补偿技术领域，尤其涉及一种链式静止无功发生器的纹波效应补偿方法。本发明方法根据当前链式静止无功发生器输出的无功电流情况，估算出功率单元的电容电压波动对桥臂输出电压的影响，并利用这个影响估算结果对调制比进行修正，得到纹波效应校正调制比后再进行脉冲宽度调制控制，使链式静止无功发生器桥臂输出电压更为准确，并可以使功率单元电容电压的纹波得到利用，提高了链式静止无功发生器的输出电压范围，减少所需的功率单元数目和功率单元电容电压，降低装置的成本和体积。

Description

一种链式静止无功发生器的纹波效应补偿方法

技术领域

本发明属于电压源换流器技术领域和动态无功补偿技术领域，尤其涉及一种链式静止无功发生器的纹波效应补偿方法。

背景技术

基于电压源换流器的静止无功发生器(STATCOM)能够以很快的响应速度输出动态无功电流，提高系统的动态无功支撑能力，从而提高系统电压稳定性。在用户侧也可以通过STATCOM提高功率因数或者补偿不对称负荷，从而提高电能质量。链式换流器是通过全桥功率单元级联的一种多电平换流器拓扑结构，具有容易实现大电平数目的特点，从而易于实现高压大容量。链式换流器还具有谐波特性好和易于模块化实现等特点。目前链式换流器已经成为中高压STATCOM最为普遍的换流器型式。

在链式静止无功发生器中，每个桥臂是由N个功率单元级联构成，每个功率单元的电容电压直流分量为U_cap，桥臂功率单元电容电压之和U_dc＝N×U_cap。桥臂的交流电压输出能力决定了链式静止无功发生器的功率输出范围。桥臂交流电压有效值U_arm与桥臂功率单元电容电压之和的关系可以利用调制比M描述，即

当无三次谐波注入时，调制比M最大可以达到1.0。因此，在已有设计方式中，通常认为桥臂的交流输出电压最大可以达到

桥臂所需输出的最大交流电压U_arm(max)是根据链式静止无功发生器所连接的交流电网电压、链式静止无功发生器与交流电网之间的连接电感值以及链式静止无功发生器所需输出的最大无功电流计算得到的。在桥臂所需输出的最大交流电压U_arm(max)确定后，就可以通过级联功率单元N和功率电压电容电压U_cap的选择，使链式静止无功发生器桥臂输出电压最大能够达到U_arm(max)。级联功率单元N和功率电压电容电压U_cap的选择也是决定链式静止无功发生器的成本和体积的关键因素。

但是，在已有链式静止无功发生器的设计和计算方式中，只考虑了功率单元电容电压的直流分量，没有考虑到功率单元电容电压波动对链式静止无功发生器桥臂交流输出电压的影响。在链式静止无功发生器中，由于桥臂电流会通过脉冲宽度调制的开关动作耦合到各功率单元的直流电容中，引起直流电容电压的二倍频波动，也就是纹波电压。直流电容电压纹波叠加到功率单元电容电压直流分量上之后，使功率单元电容电压峰值升高，会给开关器件带来额外的电压应力。因此，在已有链式静止无功发生器设计方式中，通常是将功率单元电容电压纹波看作需要被抑制或消除的因素，并通过功率单元直流电容值的选择，将电容电压纹波限制在一定范围以内。但是过大的直流电容值将使换流器的成本和体积都有较大的增加。另一方面，功率单元电容电压纹波也通过脉冲宽度调制耦合到桥臂的交流输出侧，对桥臂交流输出电压产生影响。但是，功率单元电容电压纹波对桥臂交流输出电压的影响并不一定是负面的，也可能会对桥臂交流输出电压能力产生有利的影响。在已有链式静止无功发生器设计和计算方式中，并没有考虑到功率单元电容电压纹波对桥臂基频交流电压分量的影响，这导致功率单元电容电压纹波的有利影响没有得到利用，造成级联功率单元N和功率电压电容电压U_cap的选择偏大，使链式静止无功发生器的成本和体积较大。

发明内容

本发明的目的是提出一种链式静止无功发生器的纹波效应补偿方法，考虑功率单元电容电压波动对桥臂交流输出电压的影响，对链式静止无功发生器调制比进行校正计算，得到纹波效应利用校正调制比，并将校正后的调制比输送到脉冲宽度调制环节产生脉冲控制信号。通过纹波效应利用的校正计算，以使链式静止无功发生器的真实调制比的最大值提高，从而提高链式静止无功发生器的输出电压能力。

本发明提出的链式静止无功发生器的纹波效应补偿方法，包括：

根据当前链式静止无功发生器输出的无功电流，计算功率单元的电容电压波动对桥臂输出电压的影响，对链式静止无功发生器调制比进行校正计算，根据电容电压波动对桥臂输出电压的影响，得到纹波效应校正调制比后再进行脉冲宽度调制控制。

本发明提出的链式静止无功发生器的纹波效应补偿方法，其特点和优点是：

本方法根据当前链式静止无功发生器输出的无功电流情况，估算出功率单元的电容电压波动对桥臂输出电压的影响，并利用这个影响估算结果对调制比进行校正，得到纹波效应校正调制比后再进行脉冲宽度调制控制，使链式静止无功发生器桥臂输出电压更为准确。由于输出容性无功功率使所需要的链式静止无功发生器输出电压更高，但是输出容性无功功率时功率单元电容纹波电压对桥臂输出电压也起到提高的作用。因此，通过本发明的方法可以使功率单元电容电压的纹波得到利用，提高了链式静止无功发生器的输出电压范围，减少所需的功率单元数目或功率电压电容电压直流分量，降低了链式静止无功发生器的成本和体积。

附图说明

图1是本发明方法涉及的星形链式静止无功发生器的结构示意图。

图2是本发明方法涉及的角形链式静止无功发生器的结构示意图。

图3是本发明方法涉及的链式静止无功发生器功率单元的结构示意图。

图4是本发明方法的纹波利用效应校正调制比的计算方法框图。

具体实施方式

本发明提出的链式静止无功发生器的纹波效应补偿方法，包括：

根据当前链式静止无功发生器输出的无功电流，计算功率单元的电容电压波动对桥臂输出电压的影响，对链式静止无功发生器调制比进行校正计算，根据电容电压波动对桥臂输出电压的影响，得到纹波效应校正调制比后再进行脉冲宽度调制控制。

以下是本发明方法的一个实施例：

本发明的链式静止无功发生器的纹波效应补偿方法，其流程框图如图4所示，包括以下步骤：

(1)设定链式静止无功发生器额定无功电流为I_qN，设定与链式静止无功发生器相连的交流电网的三相电压同步角频率为ω₁，设定链式静止无功发生器功率单元电容值为C_d，设定链式静止无功发生器每个桥臂级联的功率单元电容电压直流分量为U_cap，计算功率单元电容电压基准波动率ε，

(2)设定链式静止无功发生器每个桥臂级联的功率单元数目为N，设定链式静止无功发生器输出无功电流为I_q，当无功电流为容性时I_q为正，当无功电流为感性时I_q为负，设定链式静止无功发生器输出无功电流为I_q时的桥臂电压有效值参考值为U_conv，根据上述功率单元电容电压直流分量U_cap，计算真实调制比M₀，

(3)根据上述链式静止无功发生器额定功电流I_qN、链式静止无功发生器输出无功电流I_q、功率单元电容电压基准波动率ε、真实调制比M₀、计算纹波效应校正调制比M₁，

(4)将纹波效应校正调制比M₁输送到脉冲宽度调制控制器，生成链式静止无功发生器的脉冲控制信号。

以下结合附图，详细介绍本发明方法：

链式静止无功发生器的是由三个桥臂组成，每个桥臂由N个全桥功率单元顺序级联构成。三个桥臂可以接为星形连接方式，构成星形链式静止无功发生器；三个桥臂也可以接为三角形连接方式，构成角形链式静止无功发生器。图1是本发明涉及的星形连接链式静止无功发生器结构示意图。图2是本发明方法涉及的角形连接链式静止无功发生器结构示意图。图3是本发明涉及的链式静止无功发生器功率单元结构示意图。

根据链式静止无功发生器脉冲宽度调制的原理，以A相桥臂为例，设U_conv为桥臂电压有效值参考值，δ为桥臂电压相位角参考值，则桥臂参考电压波形可以表示为：

其中ω₁为交流电网的三相电压同步角频率。

定义调制比M为桥臂输出电压峰值与桥臂中所有功率单元电容电压直流分量和的比值。如果链式静止无功发生器每个桥臂级联的功率单元数目N，功率单元电容电压直流分量为U_cap，调制比M可以如下计算：

根据脉冲宽度调制的原理，当等效开关频率较高时，可以忽略开关函数中的高频谐波，桥臂各功率单元开关函数可以表示为：

S_a(t)＝Msin(ω₁t+δ) (3)

忽略桥臂中的环流分量，桥臂的电流可以表示如下：

其中I_q为桥臂无功电流的有效值。所定义的I_q是存在正负号的，表示链式静止无功发生器所输出的是容性无功电流还是感性无功电流，当无功电流为容性时I_q为正，当无功电流为感性时I_q为负。

根据图3所标注的功率单元电容电流正方向和桥臂电流正方向，采用开关函数计算功率单元电容电流，如式(5)所示。其中，i_cap为功率单元电容电流。由于开关动作将桥臂电流耦合到了功率单元电容电流中，形成了二倍频的电容电流如下：

功率单元电容电流的各频率的周期分量乘以相对应频率的电容阻抗即可以得到电容电压波动的周期分量。设功率单元电容值为C_d，将电容2倍频阻抗

乘入2倍频电流分量，可以得到电容电压对应的2倍频波动分量如下：

功率单元电容电压的波动分量会进一步通过开关函数耦合到交流端口，在功率单元的交流端口产生波动电压。功率单元的交流端口电压可以计算如下：

将一相桥臂所有功率单元的交流端口电压相加后，就可以得到此相桥臂的输出电压，桥臂实际输出电压中的基频分量可以表示如下：

根据式(8)，桥臂实际输出基波电压有效值为：

将式(2)带入式(9)，可以得到：

U_arm1＝U_conv+ΔU_arm1 (10)

其中ΔU_arm1为纹波效应偏差电压：

从上述分析过程可以看出，当设定桥臂电压有效值参考值为U_conv时，桥臂实际输出的基波电压有效值如式(10)所示，会出现一个纹波效应偏差电压ΔU_arm1，这是由于功率单元电容的纹波电压所引起的。纹波效应偏差电压ΔU_arm1的具体表达式如式(11)所示：当输出容性无功电流时，ΔU_arm1为正，这表明桥臂实际输出电压高于参考电压，并且容性无功电流越大，正向偏差电压也就越大；当输出感性无功电流时，ΔU_arm1为负，这意味着桥臂实际输出的电压低于参考电压，并且感性无功电流越大，负向偏差电压也就越大。

在现有链式静止无功发生器的分析和控制方法中，并不考虑功率单元电容纹波电压对桥臂实际输出电压的影响。一方面，由于纹波效应偏差电压的存在，使链式静止无功发生器脉冲宽度控制环节存在误差，桥臂实际输出电压与参考电压之间存在偏差。另一方面，现有方式也忽略了功率单元电容纹波电压对桥臂输出电压能力的影响。由于输出容性无功电流时需要链式静止无功发生器的电压高于电网电压，并且容性无功电流越大，桥臂所需输出的电压也就越高。因此桥臂的输出电压能力就决定了链式静止无功发生器的最大无功输出范围，必须根据所需输出的最大容性无功电流，通过参数设计使链式静止无功发生器的桥臂具有足够的输出电压能力。由于脉冲宽度调制环节的线性调制范围决定了调制比M的最大值可以为1，因此根据式(2)，在不计及纹波效应时，链式静止无功发生器的桥臂最大输出电压为：

这意味着，要通过桥臂功率级联单元数目N和电容电压直流分量U_cap的选择，使桥臂具备足够的输出电压能力。桥臂输出电压越高，对于桥臂功率级联单元数目N和电容电压直流分量U_cap的要求也就越高。

但是，根据式(10)，如果考虑到电容电压纹波的影响，链式静止无功发生器桥臂最大输出电压可以达到：

其中I_{q_C}表示当调制比M为1时输出的额定容性无功电流。

将式(12)和式(13)比较，可以看出，如果不考虑纹波效应，对桥臂的最大输出电压能力将是低估的，这导致在参数设计时所选择的桥臂功率单元数目N和电容电压直流分量U_cap偏大，使链式静止无功发生器的成本和体积偏高。

为了能够计及功率单元电容电压纹波效应的影响，使脉冲宽度控制环节准确，并且能够利用电容电压纹波效应提高桥臂最大输出电压能力，减小桥臂功率单元数目N和电容电压直流分量U_cap，使链式静止无功发生器的成本和体积降低，本发明提出了链式静止无功发生器的纹波效应补偿方法。

为了实现功率单元电容电压纹波的利用，首先需要准确估算各种运行工况下的功率单元电容电压纹波。假设在M＝1时，链式静止无功发生器输出额定容性无功电流为I_qN，定义此时功率单元电容电压纹波幅度与电容电压直流分量的比值为基准波动率ε，根据式(6)可以如下计算：

其中C_d为链式静止无功发生器功率单元电容值。

另一方面，设定链式静止无功发生器输出无功电流有效值为I_q时每个桥臂所需输出的电压有效值为U_conv，将所需输出的电压有效值U_conv与链式静止无功发生器等效直流电压的比值定义为真实调制比M₀，并可以如下计算：

根据前面所分析，如果将真实调制比M₀直接作为脉冲宽度调制环节的输入，桥臂所输出的实际电压将存在一个纹波偏差电压。本发明方法提出加入一个纹波效应校正环节，根据运行工况计算纹波效应校正调制比M₁，将纹波效应校正调制比M₁作为脉冲宽度调制环节的输入，使桥臂的输出电压与所需输出的电压有效值U_conv相等。根据式(15)，所需输出的桥臂电压有效值可以表示为：

根据式(9)，当脉冲宽度调制环节输入的调制比M₁时，桥臂的实际输出电压为：

为了使U_conv＝U_arm1，M₀和M₁的关系可以表示为：

将式(14)代入式(18)，并进行适当简化，可以得到如下关系：

式(19)是一个提供了一个求解M₁的一元二次方程。通过对式(19)求解，并考虑到所得到的解的合理区间，可以得到式(19)的解为：

将纹波效应利用校正调制比M₁输送到脉冲宽度调制控制器，生成链式静止无功发生器的脉冲控制信号，就可以使链式静止无功发生器的桥臂准确输出所需要的电压。

从前面的推导过程可看出，通过考虑功率单元电容电压纹波对桥臂输出电压的影响，将真实调制比M₀修正为纹波效应校正调制比M₁，就可以使包含了纹波效应偏差的桥臂输出电压准确等于桥臂参考电压，提高了脉冲宽度控制环节的准确性。

另一方面，由于纹波效应校正调制比M₁是作为脉冲宽度调制环节的输入，因此脉冲宽度调制环节的线性调制范围是由M₁决定的，M₁最大可以达到1.0。根据式(19)，当M₁达到最大调制比1.0时，并假设在M₁最大达到1.0时链式静止无功发生器所输出的无功电流I_q＝I_qN，真实调制比M₀可以达到的最大值可以如下表示：

在采用了本发明的纹波效应利用方法后，桥臂电压可以达到的最大值可以表示为：

从式(22)可以看出，当采用了本发明的纹波效应补偿方法后，链式静止无功发生器的桥臂最大输出电压可以提高的百分比为0.5×ε，功率单元电容电压基准波动率ε设计的越大，桥臂最大输出电压提高的程度越大。例如，当功率单元电容电压基准波动率ε为10％时，桥臂最大输出电压可以提高5％；当功率单元电容电压基准波动率ε为20％时，桥臂最大输出电压可以提高10％。与现有方法相比，通过本发明的纹波效应补偿方法，可以利用功率单元的电容电压纹波，提高链式静止无功发生器的桥臂电压输出能力和输出无功范围。或者在保持桥臂电压输出能力不变的情况下，减小所需要的桥臂功率单元数目N和电容电压直流分量U_cap，降低装置的成本和体积。

Claims (2)

1.一种链式静止无功发生器的纹波效应补偿方法，其特征在于该方法包括：

根据当前链式静止无功发生器输出的无功电流，计算功率单元的电容电压波动对桥臂输出电压的影响，对链式静止无功发生器调制比进行校正计算，根据电容电压波动对桥臂输出电压的影响，得到纹波效应校正调制比后再进行脉冲宽度调制控制。

2.如权利要求1所述的链式静止无功发生器的纹波效应补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)设定链式静止无功发生器额定无功电流为I_qN，设定与链式静止无功发生器相连的交流电网的三相电压同步角频率为ω₁，设定链式静止无功发生器功率单元电容值为C_d，设定链式静止无功发生器每个桥臂级联的功率单元电容电压直流分量为U_cap，计算功率单元电容电压基准波动率ε，

(2)设定链式静止无功发生器每个桥臂级联的功率单元数目为N，设定链式静止无功发生器输出无功电流为I_q，当无功电流为容性时I_q为正，无功电流为感性时I_q为负，设定链式静止无功发生器的输出无功电流为I_q时的桥臂电压有效值参考值为U_conv，根据步骤(1)的功率单元电容电压直流分量U_cap，计算链式静止无功发生器的真实调制比M₀：

(3)根据步骤(1)的链式静止无功发生器的额定功电流I_qN、链式静止无功发生器输出无功电流I_q、功率单元电容电压基准波动率ε、真实调制比M₀、计算链式静止无功发生器的纹波效应校正调制比M₁：

(4)将纹波效应校正调制比M₁输送到脉冲宽度调制控制器，生成链式静止无功发生器的脉冲控制信号，实现链式静止无功发生器的纹波效应补偿。

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