CN207150174U - 一种可平衡中点电位的三电平综合补偿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电能质量检测与治理的技术领域，更具体地，涉及一种可平衡中点电位的三电平综合补偿系统。本实用新型的可平衡中点电位的三电平综合补偿系统，包括三电平主电路、补偿电流检测模块、中点电位检测模块以及SVPWM调制模块，通过补偿电流检测模块计算出给定电流，并将给定电流信号输入到SPVWM调制模块，生成三电平主电路的控制信号，对三电平主电路进行控制，生成所需的补偿电流，实现对无功、谐波进行补偿；中点电位检测模块检测三电平主电路中上侧电容器C2和下侧电容器C3的电压并比较判断，并指导SVPWM调制模块选取正开关状态或负开关状态对上侧电容器C2或下侧电容器C3充电，从而有效避免三电平拓扑所固有的中点电位不平衡的问题。

Description

一种可平衡中点电位的三电平综合补偿系统

技术领域

本实用新型涉及电能质量检测与治理的技术领域，更具体地，涉及一种可平衡中点电位的三电平综合补偿系统。

背景技术

随着电力电子技术的发展，基于全控型电力电子器件的静止无功发生器在电力系统中得到了广泛的研究和发展。静止无功发生器(SVG)并联于电网中，相当于一个可变的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿系统所需无功功率。其基本原理是利用可关断大功率电力电子器件(IGBT)组成自换相桥式电路，经过电抗器或电容器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以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。

配电网中的用电设备大都以单相负荷为主，且工业负荷以感性为主，民用负荷以阻性为主，加之用电设备的不同时性，三相不平衡成为配电网的一大特点。此外，由于配网的非线性特性，谐波也是配电网应该解决的一大问题。无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的。因此，对于配电网应该有进行无功功率、谐波、三相不平衡补偿的装置。由于三电平与两电平相比有:更适应大功率、高电压的场合，输出波形的谐波含量低，开关损耗低等优点，因此其控制手段也成为了一个热门课题。各种脉冲宽度调制(PWM)方法中，由于空间矢量脉宽调制(SVPWM)以瞬时空间矢量为控制量，最适合用于高动态性能的控制，然而在控制中常出现三电平拓扑所固有的中点电位不平衡的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供采用正负开关状态平衡中点电位、能够生成所需的补偿电流对无功、谐波、三相不平衡等进行补偿的三电平电能质量综合补偿系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

提供一种可平衡中点电位的三电平综合补偿系统，包括三电平主电路、补偿电流检测模块、中点电位检测模块以及SVPWM调制模块；所述补偿电流检测模块用于检测三相电路的三相电流，将三相电流计算得到三相补偿电流，并将三相补偿电流信号发送至SVPWM调制模块；所述中点电位检测模块用于检测三电平主电路的直流侧的电压，判断中点电位的偏移方向，并将中点电位偏移信号发送至SVPWM调制模块；所述SVPWM调制模块用于接收三相补偿电流信号和中点电位偏移信号，并向三电平SVG主电路发送控制信号；所述三电平主电路用于接收SVPWM调制模块的控制信号，并生成补偿电流。

本实用新型的可平衡中点电位的三电平综合补偿系统，包括三电平SVG主电路、补偿电流检测模块、中点电位检测模块以及SVPWM调制模块，通过补偿电流检测模块计算出给定电流，并将给定电流信号输入到SPVWM调制模块，生成三电平主电路的控制信号，对三电平主电路进行控制，生成所需的补偿电流；中点电位检测模块检测三电平主电路中上侧电容器C2和下侧电容器C3的电压并比较判断，当上侧电容器C2的电压大于下侧电容器C3的电压时，表示中点电位向下偏移；当上侧电容器C2的电压小于下侧电容器C3的电压时，表示中点电位向上偏移。另外，中点电位检测模块指导SVPWM调制模块的矢量选择：当中点电位向下偏移时，选择负开关状态，对下侧电容器进行充电，使得上侧电容器电压和下侧电容器电压平衡；当中点电位向上偏移时，选择正开关状态，对上侧电容器进行充电，使得上侧电容器电压和下侧电容器电压平衡，从而有效解决三电平拓扑所固有的中点电位不平衡的问题。

优选地，所述SVG主电路包括上侧电容器C2、下侧电容器C3、用于控制可关断大功率电力电子器件开关通断的电压型变换器、用于将电压型变换器接入电力系统的耦合变压器CT、用于接收SVPWM调制模块发送的控制信号的若干晶闸管VT及若干与晶闸管VT反并联的二极管D；所述上侧电容器C2与下侧电容器C3串联连接；所述电压型变换器由可关断大功率电力电子器件组成，所述电压型变换器能够通过SVPWM技术控制可关断大功率电力电子器件开关的通断。由大功率电力电子开关器件组成的电压型变换器VSC，通过空间矢量脉冲调制SVPWM技术控制电力电子开关的通断。

优选地，所述补偿电流检测模块包括锁相环PLL、正余弦发生器、调节器 PI、顺变器C32、逆变器C23、和低通滤波器LPF，所述顺变器C32、低通滤波器LPF、逆变器C23通信连接，所述锁相环PLL与所述正余弦发生器通信连接，所述调节器PI低通滤波器LPF通信连接。电网电流通过顺变器C32由三相电流i_a、i_b、i_c变为两相i_α、i_β，经过低通滤波器LPF获取基波有功分量i_αp、i_βp以及无功分量i_αq、i_βq，经逆变器C23由有功分量i_αp、i_βp转换为三相有功电流i_ap、 i_bp、i_cp。

补偿电流检测模块按如下步骤进行检测：

S1. 首先检测三相电路的电流量i_a、i_b、i_c，并由经由锁相环PLL、正余弦发生器的A相电压e_a将三相坐标系下的电流量经顺变器C₃₂转变到α-β两相正交坐标系下，转换方法如下：

其中，i_a,i_b,i_c分别为三相电力系统中各相电流；i_α、i_β为三相电流瞬时值在α-β两相正交坐标系的变换值；C₃₂为变换系数；

S2.在步骤S1之后，将三相电流瞬时值的α-β两相正交坐标系的变换值i_α、 i_β经低通滤波器LPF获取有功分量i_αp、i_βp和无功分量i_αq、i_βq；有功分量i_αp、i_βp和无功分量i_αq、i_βq的计算方法如下：

其中，矢量i_α、i_β合成电流矢量i，|i|为电压矢量和电流矢量的模，分别为电流矢量的幅角；i_αp为i_α的有功分量，i_αq为i_α的无功分量，i_βp为i_β的有功分量，i_βq为i_β的无功分量，为电流矢量的幅角；

S3.在步骤S2之后，检测直流侧电容电压U_dc，并与直流侧电压参考值U_dref做比较得出误差信号，经调节器PI后分别与i_α的有功分量i_αp、i_β的有功分量i_βp叠加，i_α、i_β的无功分量i_αq、i_βq置零；叠加后的i_αp、i_βp和置零的i_αq、i_βq在经过逆变器C₂₃旋转反变换为三相有功电流i_ap、i_bp、i_cp，三相有功电流i_ap、i_bp、i_cp分别与电网电流做差，即得到所需的给定电流i_ag、i_bg、i_cg；

S4.在步骤S3之后，将给定电流i_ag、i_bg、i_cg信号发送至SVPWM调制模块，给定电流通过SVPWM调制模块生成晶闸管的控制信号，控制三电平主电路，生成所需的补偿电流。

优选地，所述中点电位检测模块用于检测上侧电容器C2、下侧电容器C3的电压，比较判断上侧电容器C2与下侧电容器C3的电压，并将判断结果发送至 SVPWM调制模块。当上侧电容器的电压大于等于下侧电容器的电压时，负开关状态作用，对下侧电容器进行充电，使得上侧电容器的电容与下侧电容器的电容平衡；当上侧电容器的电压小于下侧电容器的电压时，正开关状态作用，对上侧电容器进行充电，使得上侧电容器的电容与下侧电容器的电容平衡。

优选地，所述SVPWM调制模块为用于选取正负开关状态平衡中点电位的五段式的SVPWM调制模块。五段式的SVPWM调制方式在一个开关周期内有一相的开关状态不发生变化，与传统的SVPWM调制相比，单周期内开关切换次数少，开关损耗更少；SVPWM调制策略还考虑了中点电位平衡问题，集中体现在小矢量的正负两种开关状态的选择，当上侧电容器的电压大于等于下侧电容器的电压时，负开关状态作用；当上侧电容器的电压小于下侧电容器的电压时，正开关状态作用。具体调制原理如下：

将逆变器的基本电压矢量组合成空间矢量，基本电压矢量之间的面积划分为不同的扇区，27个矢量将空间分成6个大扇区，每个大扇区还细分为6个小区域；将三电平逆变器的三相交流电压的瞬时值变换为参考电压矢量，对参考电压矢量所在扇区进行判断；根据NTV(Nearest Triangle Vectors)法则找到合成参考电压矢量所需的三个基本矢量；根据参考电压矢量所在扇区的小区域选择基本电压矢量的开关状态；计算参考电压矢量所在扇区的基本矢量在单位开关周期内作用的时间；按照特定的次序排列开关状态，使得进行开关状态变化时，开关动作次数最少，并且开关波形在一个开关周期内为对称波形。

其中，三相三电平逆变换器电路的基本电压矢量的选取按如下方法进行：根据NTV法则找到合成参考电压矢量所需的三个基本矢量，当参考电压矢量位于扇区内的1、2小区域时，选择两个相邻的短矢量及零矢量；当参考电压矢量位于扇区内的3、4小区域时，选择两个相邻的短矢量及中矢量；当参考电压矢量位于扇区内的5、6小区域时，选择临近的同方向的长矢量和短矢量及该扇区内的中矢量。

三相三电平逆变换器电路的基本电压矢量的开关状态的选择按如下方法进行：27个基本开关状态对应19个基本电压矢量，大矢量和中矢量与开关状态一一对应，短矢量对应2组开关状态：开关状态中含有一个o的为正开关状态，含有两个oo的为负开关状态，零矢量有3组开关状态；小矢量的开关状态选择与中点电位有关；零矢量的开关状态的选择根据另外两个基本矢量的开关状态来选择，选择的原则是开关状态变化时，只有一个开关发生变化。

小矢量的开关状态选择按如下方法进行：小矢量的两种开关状态在一个开关周期内只选择一个。当上侧电容器的电压大于等于下侧电容器的电压时，负开关状态作用；当上侧电容器的电压小于下侧电容器的电压时，正开关状态作用。因为中矢量对中点电位也有作用，且中矢量只有一种开关状态，中矢量看作扰动。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的可平衡中点电位的三电平综合补偿系统，包括三电平主电路、补偿电流检测模块、中点电位检测模块及SVPWM调制模块，通过补偿电流检测模块计算出给定电流，并将给定电流信号输入到SPVWM调制模块，生成三电平主电路的控制信号，对三电平主电路进行控制，生成所需的补偿电流，实现对无功、谐波进行补偿；中点电位检测模块检测三电平主电路中上侧电容器C2 和下侧电容器C3的电压并比较判断，并指导SVPWM调制模块选取正开关状态或负开关状态以平衡上侧电容器C2的电压与下侧电容器C3的电压，从而避免三电平拓扑所固有的中点电位不平衡的问题，且系统简单，控制准确，易于实现。

附图说明

图1为实施例一的可平衡中点电位的三电平综合补偿系统的结构框图；

图2为三电平主电路的电路图；

图3补偿电流的检测原理图；

图4为负开关状态作用时的开关波形图；

图5为正开关状态作用时的开关波形图；

图6为上侧电容器电压与下侧电容器电压的波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

如图1至图6所示为本实用新型的可平衡中点电位的三电平综合补偿系统的第一实施例，包括三电平SVG主电路、补偿电流检测模块、中点电位检测模块及SVPWM调制模块，补偿电流检测模块用于检测三相电路的三相电流，将三相电流计算得到三相补偿电流，并将三相补偿电流信号发送至SVPWM调制模块；中点电位检测模块用于检测三电平主电路上侧电容器C2、下侧电容器C3 的电压，判断中点电位的偏移方向，并将中点电位偏移信号发送至SVPWM调制模块；SVPWM调制模块用于接收三相补偿电流信号和中点电位偏移信号，向三电平SVG主电路发送控制信号，以及调节中点电位；三电平主电路用于接收 SVPWM调制模块的控制信号，并生成补偿电流。

如图1所示，通过补偿电流检测模块计算出给定电流，并将给定电流信号输入到SPVWM调制模块，生成三电平主电路的控制信号，对三电平主电路进行控制，生成所需的补偿电流，实现对无功和谐波的补偿；中点电位检测模块检测三电平主电路中上侧电容器和下侧电容器的电压并比较判断，并指导SVPWM调制模块的矢量选择，通过选取正负开关状态对上侧电容器或下侧电容器充电，有效解决三电平拓扑所固有的中点电位不平衡的问题。

具体地，如图2所示，三电平主电路包括上侧电容器C2、下侧电容器C3、用于控制可关断大功率电力电子器件开关通断的电压型变换器、用于将电压型变换器接入电力系统的耦合变压器CT、用于接收SVPWM调制模块发送的控制信号的若干晶闸管VT及若干与晶闸管VT反并联的二极管D；上侧电容器C2与下侧电容器C3串联连接，电压型变换器由可关断大功率电力电子器件组成，并可通过SVPWM技术控制可关断大功率电力电子器件开关的通断。

如图3所示，补偿电流检测模块包括调节器PI、顺变器C32、逆变器C23、和低通滤波器LPF，顺变器C32、低通滤波器LPF、逆变器C23通信连接，调节器PI低通滤波器LPF通信连接。电网电流通过顺变器C32由三相电流i_a、i_b、 i_c变为两相i_α、i_β，经过低通滤波器LPF获取基波有功分量i_αp、i_βp以及无功分量i_αq、i_βq，经逆变器C23由有功分量i_αp、i_βp转换为三相有功电流i_ap、i_bp、i_cp；具体按如下步骤检测：

S1. 首先检测三相电路的电流量i_a、i_b、i_c，并将三相坐标系下的电流量i_a、 i_b、i_c经顺变器C₃₂转变到α-β两相正交坐标系下，转换方法如下：

其中，i_a,i_b,i_c分别为三相电力系统中各相电流；i_α、i_β为三相电流瞬时值在α-β两相正交坐标系的变换值；C₃₂为变换系数；

S2. 在步骤S1之后，将三相电流瞬时值的α-β两相正交坐标系的变换值i_α、 i_β经低通滤波器LPF获取有功分量i_αp、i_βp和无功分量i_αq、i_βq；有功分量i_αp、i_βp和无功分量i_αq、i_βq的计算方法如下：

其中，矢量i_α、i_β合成电流矢量i，|i|为电压矢量和电流矢量的模，分别为电流矢量的幅角；i_αp为i_α的有功分量，i_αq为i_α的无功分量，为电流矢量的幅角；

S3.在步骤S2之后，检测直流侧电容电压U_dc，并与直流侧电压参考值U_dref做比较得出误差信号，经调节器PI后分别与i_α的有功分量i_αp、i_β的有功分量i_βp叠加，i_α、i_β的无功分量i_αq、i_βq置零；叠加后的i_αp、i_βp和置零的i_αq、i_βq在经过逆变器C₂₃旋转反变换为三相有功电流i_ap、i_bp、i_cp，三相有功电流i_ap、i_bp、i_cp分别与电网电流做差，即得到所需的给定电流i_ag、i_bg、i_cg；

S4.在步骤S3之后，将给定电流i_ag、i_bg、i_cg信号发送至SVPWM调制模块，给定电流通过SVPWM调制模块生成晶闸管的控制信号，控制三电平主电路，生成所需的补偿电流。

另外，中点电位检测模块用于检测上侧电容器C2、下侧电容器C3的电压，比较判断上侧电容器C2与下侧电容器C3的电压，并将判断结果发送至SVPWM 调制模块。如图4至图5所示，以含有n的开关状态开头，开关状态变化时，只有一个桥臂上的开关发生变化，开关波形在单位开关周期为对称的，且单周期内仅有2次开关切换，虽较七段式的SVPWM调制方式开关周期相同，但开关切换次数更少，可获得更小的开关损耗，系统谐波含量得到进一步的改善，且五段式调制系统更为简单，易于实现。

本实用新型的中点电位检测模块与SVPWM调制模块的协同作用，通过选取正负开关状态对上侧电容器C2或下侧电容器C3充电，保持上电容器的电压与下电容器的电压平衡，上电容器电压波形图与下电容器电压波形图如图6所示，图中可见上侧电容器电压与下侧电容器电压基本一致，中点电位平衡。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可平衡中点电位的三电平综合补偿系统，其特征在于，包括三电平主电路、补偿电流检测模块、中点电位检测模块以及SVPWM调制模块；所述补偿电流检测模块用于检测三相电路的三相电流，将三相电流计算得到三相补偿电流，并将三相补偿电流信号发送至SVPWM调制模块；所述中点电位检测模块用于检测三电平主电路的直流侧的电压，判断中点电位的偏移方向，并将中点电位偏移信号发送至SVPWM调制模块；所述SVPWM调制模块用于接收三相补偿电流信号和中点电位偏移信号，向三电平主电路发送控制信号，以及调节中点电位至平衡状态；所述三电平主电路用于接收SVPWM调制模块的控制信号，并生成补偿电流。

2.根据权利要求1所述的可平衡中点电位的三电平综合补偿系统，其特征在于，所述三电平主电路采用二极管钳位三电平拓扑结构，包括上侧电容器C2、下侧电容器C3、用于控制可关断大功率电力电子器件开关通断的电压型变换器、用于将电压型变换器接入电力系统的耦合变压器CT、用于接收SVPWM调制模块发送的控制信号的若干晶闸管VT及若干与晶闸管VT反并联的二极管D；所述上侧电容器C2与下侧电容器C3串联连接；所述电压型变换器由可关断大功率电力电子器件组成，所述电压型变换器能够通过SVPWM技术控制可关断大功率电力电子器件开关的通断。

3.根据权利要求1所述的可平衡中点电位的三电平综合补偿系统，其特征在于，所述补偿电流检测模块包括锁相环PLL、正余弦发生器、调节器PI、顺变器C32、逆变器C23、和低通滤波器LPF，所述锁相环PLL与所述正余弦发生器通信连接，所述顺变器C32、低通滤波器LPF、逆变器C23通信连接，所述调节器PI、低通滤波器LPF通信连接。

4.根据权利要求1或2所述的可平衡中点电位的三电平综合补偿系统，其特征在于，所述中点电位检测模块用于检测上侧电容器C2、下侧电容器C3的电压，比较判断上侧电容器C2与下侧电容器C3的电压，并将判断结果发送至SVPWM调制模块。

5.根据权利要求1所述的可平衡中点电位的三电平综合补偿系统，其特征在于，所述SVPWM调制模块为用于选取正负开关状态平衡中点电位的五段式的SVPWM调制模块。