CN209402434U

CN209402434U - 一种基于六开关子模块的mmc型upqc

Info

Publication number: CN209402434U
Application number: CN201821872975.3U
Authority: CN
Inventors: 俞容江; 徐强; 黄腾; 陈攀; 李家栓; 应雪正; 马炯; 许又元; 赵亦岚; 周阮凯; 盛文洋; 朱小燕
Original assignee: HANGZHOU ELECTRIC POWER DESIGN INSTITUTE Co Ltd
Current assignee: HANGZHOU ELECTRIC POWER DESIGN INSTITUTE Co Ltd
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2019-09-17
Anticipated expiration: 2028-11-14

Abstract

本实用新型公开了一种基于六开关子模块的MMC型UPQC；目前统一电能质量调节器由一个串联电力有源滤波器和并联有源电力滤波器组成，并通过一个直流电容耦合在一起的，现有的MMC型UPQC仍然采用背靠背结构，所需开关器件数量多，装置正本高、体积大。本实用新型打破了传统的背靠背换流器的主体结构。通过合适的调制策略，六开关子模块同时服务于串联侧和并联侧，提高了功率开关器件的利用率，有效地减小了装置的成本和体积。

Description

一种基于六开关子模块的MMC型UPQC

技术领域

本实用新型涉及一种统一电能质量调节器(UPQC)，尤其是一种应用于中、高压电网中可同时解决交流电网和负载的电能质量问题的所用开关器件较少的UPQC，属于电力电子技术领域。

背景技术

随着越来越多的电压敏感性的负载装置应用于工业生产中，电网电能质量对其的影响日益加重。电网电能质量问题将引起一系列的经济损失。同时随着更多的电力电子负载接入电网，非线性电力电子器件向电网注入越来越多的谐波，污染着电网。针对此，统一电能质量调节器可同时解决交流电网和负载的电能质量问题，具有十分良好的应用前景。

目前，统一电能质量调节器由一个串联电力有源滤波器和并联有源电力滤波器组成，并通过一个直流电容耦合在一起的。其中，串联有源滤波器靠近电网侧，通过一个变压器串联在电网和负载之间，向电网输出补偿电压，以保证负载端电压质量。并联有源电力滤波器靠近负载侧，是通过一个输出电感并联接入电网，通过向电网注入大小和方向与负载电流完全相反的电流，以灵活补偿谐波，降低非线性负载输出谐波电流对电网的污染。两个滤波器一般采用背靠背换流器的结构，一侧为串联侧换流器，另一侧为并联侧换流器。而在UPQC的主体结构中引入模块化多电平换流器(MMC)，使得UPQC装置朝着高压大功率方向发展。然而现有的MMC型UPQC一般仍然采用背靠背结构，所需开关器件数量多，装置正本高、体积大。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种开关器件较少的统一电能质量调节器。

一种基于六开关子模块的MMC型UPQC，包括：基于六开关子模块的MMC型变换器、并联侧三相滤波电感及电容、串联侧三相滤波电感及电容、串联侧变压器。

所述的基于六开关子模块的MMC型变换器包括A、B、C三相六桥臂、直流侧电容C。每相均有一个上桥臂S_uj和一个下桥臂S_lj，j＝a、b、c，上桥臂和下桥臂均有四个端口I-IV。三个上桥臂的端口I连接在一起，并与直流侧电容C的正极相连；三个上桥臂的端口III连接在一起；三个下桥臂的端口IV连接在一起，并与直流侧电容C的负极相连；三个下桥臂的端口II连接在一起；对应相的上桥臂端口IV和下桥臂端口III之间通过电感连接，电感中间引出线，即为变换器对应相的串联侧的输出端O_sa、O_sb、O_sc；对应相的上桥臂端口II和下桥臂端口I之间通过电感连接，电感中间引出线，即为变换器对应相的并联侧的输出端O_pa、O_pb、O_pc。

所述的MMC型变换器中上、下桥臂结构相同，均有四个端口I-IV，均由n个子模块sm₁-sm_n组成。其中每个子模块具有相同的结构，均具有1-4个端口。每个桥臂的第一个子模块sm₁的端口1即为桥臂的端口I；桥臂的第一个子模块sm₁的2端口与第二个子模块sm₂的1端口相连；第二个子模块sm₂的2端口与第三个子模块sm₃的1端口相连…以此类推，直到桥臂中最后一个子模块sm_n的2端即为桥臂的端口II。每个桥臂的第一个子模块sm₁的端口3即为桥臂的端口III；桥臂的第一个子模块sm₁的4端口与第二个子模块sm₂的3端口相连；第二个子模块sm₂的4端口与第三个子模块sm₃的3端口相连…以此类推，直到桥臂中最后一个子模块sm_n的端口4即为桥臂的端口IV。

所述的串联侧三相滤波电感及电容，可滤除变换器串联侧输出电流的高频谐波。其中三相滤波电感l_sa、l_sb、l_sc的一端分别与串联侧的输出端O_sa、O_sb、O_sc相连；另一端分别与三相滤波电容c_sa、c_sb、c_sc的一端相连，同时分别接入串联变压器三相高压绕组的一端。三相滤波电容c_sa、c_sb、c_sc的另一端相互连接。

所述的并联侧三相滤波电感及电容，可滤除变换器并联侧输出电流的高频谐波。其中三相滤波电感l_pa、l_pb、l_pc的一端分别与并联侧的输出端O_pa、O_pb、O_pc相连；另一端分别与三相滤波电容c_pa、c_pb、c_pc的一端相连，同时接入三相交流电网。三相滤波电容c_pa、c_pb、c_pc的另一端相互连接。

所述的串联侧变压器为三相双绕组变压器。其中三个低压绕组ax、bx、cx分别串接入电网三相线路中。高压侧三相绕组的另一端连接在一起；

所述的六开关子模块sm_i结构均相同，均有四个端口1-4。每个子模块均包括六个逆导型IGBT功率开关S₁-S₆和一个子模块直流侧电容C_sm。其中，功率开关S₁的发射极和功率开关S₂的发射极与子模块直流侧电容C_sm正极连接，功率开关S₁的集电极与功率开关S₃的发射极连接引出子模块端口1，功率开关S₂的集电极与功率开关S₄的发射极连接引出子模块端口2，功率开关S₃的集电极与功率开关S₅的发射极连接引出子模块端口3，功率开关S₄的集电极与功率开关S₆的发射极连接引出子模块端口4，功率开关S₅的集电极与功率开关S₆的集电极连接与子模块直流侧电容C_sm负极连接，通过适当的调制策略，六开关子模块同时服务于串联侧和并联侧，提高了开关的利用率，相比于传统基于全桥子模块的MMC型UPQC，减少了25％的开关器件数量。

本实用新型的有益效果：本实用新型可以安装于城市配电网中，可以同时有效地解决交流电网和负载的电能质量问题，具有开关器件少的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明；

图1是为本实用新型结构图；

图2是本实用新型中桥臂结构图；

图3是本实用新型中六开关子模块结构图；

具体实施方式

如图1所示，一种基于六开关子模块的MMC型统一电能质量调节器(UPQC)，包括：基于六开关子模块的MMC型变换器、并联侧三相滤波电感及电容、串联侧三相滤波电感及电容、串联侧变压器。

所述的基于六开关子模块的MMC型变换器包括A、B、C三相六桥臂，每相均有一个上桥臂和一个下桥臂。上桥臂和下桥臂均有四个端口I-IV。三个上桥臂的端口I连接在一起，并与直流侧电容C的正极相连；三个上桥臂的端口III连接在一起；三个下桥臂的端口IV连接在一起，并与直流侧电容C的负极相连；三个下桥臂的端口II连接在一起；对应相的上桥臂端口IV和下桥臂端口III之间通过电感连接，电感中间引出线，即为变换器对应相的串联侧的输出端O_sa、O_sb、O_sc；对应相的上桥臂端口II和下桥臂端口I之间通过电感连接，电感中间引出线，即为变换器对应相的并联侧的输出端O_pa、O_pb、O_pc。

如图2所示，所述的MMC型变换器中上、下桥臂结构相同，均有四个端口I-IV，均由n个子模块sm₁-sm_n组成。其中每个子模块具有相同的结构，均具有1-4个端口。每个桥臂的第一个子模块sm₁的端口1即为桥臂的端口I；桥臂的第一个子模块sm₁的2端口与第二个子模块sm₂的1端口相连；第二个子模块sm₂的2端口与第三个子模块sm₃的1端口相连…以此类推，直到桥臂中最后一个子模块sm_n的2端即为桥臂的端口II。每个桥臂的第一个子模块sm₁的端口3即为桥臂的端口III；桥臂的第一个子模块sm₁的4端口与第二个子模块sm₂的3端口相连；第二个子模块sm₂的4端口与第三个子模块sm₃的3端口相连…以此类推，直到桥臂中最后一个子模块sm_n的端口4即为桥臂的端口IV。

所述的串联侧三相滤波电感及电容，可滤除变换器串联侧输出电流的高频谐波。其中三相滤波电感l_sa、l_sb、l_sc的一端分别与串联侧的输出端O_sa、O_sb、O_sc相连；另一端分别与三相滤波电容c_sa、c_sb、c_sc的一端相连，同时接入串联变压器三相高压绕组A、B、C端。三相滤波电容c_sa、c_sb、c_sc的另一端相互连接。

所述的串联侧变压器为三相双绕组变压器。其中三个低压绕组ax、bx、cx分别串接入电网三相线路中。高压侧三相绕组AX、BX、CX的X端连接在一起，另一端A、B、C分别与MMC型变换器的串联侧滤波电感相连。

所述的六开关子模块sm_i(i＝1–n)结构均相同，如图3所示，均有四个端口1-4。每个子模块均包括六个逆导型IGBT功率开关S₁-S₆和一个子模块直流侧电容C_sm。其中，开关S₁、S₃、S₅串联，开关S₂、S₄、S₆串联；开关S₁、S₂共阳极连接，且与子模块直流侧电容正极连接；开关S₅、S₆共阴极连接，且与子模块直流侧电容负极连接。开关S₂、S₄之间引出子模块端口2，开关S₄、S₆之间引出子模块端口1，开关S₄、S₆之间引出子模块端口4，开关S₃、S₅之间引出子模块端口3。通过适当的调制策略，六开关子模块同时服务于串联侧和并联侧，提高了开关的利用率，相比于传统基于全桥子模块的MMC型UPQC，减少了25％的开关器件数量。

该新型UPQC的串联侧和并联侧控制策略与传统拓扑下的控制策略相同，这里均采用基于PI控制器的闭环控制策略。

2.1并联侧控制策略

并联侧的目的在于对负载电流中的基波无功分量以及谐波电流分量进行补偿，并维持直流母线电压的稳定控制。利用电压霍尔传感器采集三相负载电压U_La～U_Lc和直流母线电压U_dc，利用电流霍尔传感器采集三相负载电流I_La～I_La和并联侧三相进线电流I_pa～I_pa；通过锁相环模块，估算出a相电压相角度θ；根据θ和Park变换模块对三相负载电压U_La～U_Lc、三相负载电流I_La～I_La和并联侧三相进线电流I_pa～I_pa进行Park变换，得到三相负载电压U_La～U_Lc、三相负载电流I_La～I_La和并联侧三相进线电流I_pa～I_pa在同步速旋转d-q坐标系中的d、q轴分量U_Ld、U_Lq、I_Ld、I_Lq、I_pd、I_pq；将I_Ld、I_Lq分别通过低通滤波器分离出基波分量I_Ld1、I_Lq1和谐波分量I_Ldh、I_Lqh。根据下式计算并联侧变流器输出电流给定值的d、q轴分量

其中，U_dcref为给定的参考直流母线电压，K_p和K_i分别为直流电压闭环中PI调节器给定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

根据以下算式计算并联侧的电压指令在同步速旋转d-q坐标系中的d、q轴分量U_pdref和U_pqref：

其中：k_pp、k_pi为并联侧中电流内环中PI调节器的给定的比例系数和积分系数；ω为三相负载电压角频率，ω＝314rad/s；L_p为并流侧滤波电感。

最后将电压指令U_pdref和U_pqref变换到三相静止abc坐标系中，得到相应的a、b、c轴中的分量U_paref～U_pcref，通过下文的新型调制策略对各个桥臂中的子模块开关进行控制。

2.2串联侧控制策略

串联侧的目的在于对系统电压暂升/暂降的补偿。利用电压霍尔传感器采集三相电网电压U_ga～U_gc、变压器二次侧三相电压U_2a～U_2c，利用电流霍尔传感器采集三相电网电流I_ga～I_gc和串联侧三相进线电流I_sa～I_sc；通过锁相环模块，估算出a相电网电压相角度θ；根据θ和Park变换模块对三相电网电压U_ga～U_gc、三相电网电流I_ga～I_gc和串联侧三相进线电流I_sa～I_sc进行Park变换，得到三相电网电压U_ga～U_gc、三相电网电流I_ga～I_ga和串联侧三相进线电流I_sa～I_sc在同步速旋转d-q坐标系中的d、q轴分量U_gd、U_gq、I_gd、I_gq、I_sd、I_sq。期望经过UPQC补偿之后，负载电流与系统电压的基波正序同相。因此，串联侧输出电流的给定值的d、q轴分量为

I_sdref＝I_Ld1 I_sqref＝0 (3)

串联侧的补偿电压参考值的d、q轴分量为

U_sdcom＝U_Ldref-U_sd U_sqcom＝U_Lqref-U_sq (4)

其中，U_Ldref、U_Lqref分别为设定的负载电压d、q轴分量。

根据以下算式计算串联侧的电压指令在同步速旋转d-q坐标系中的d、q轴分量U_sdref和U_sqref。

其中：k_sup、k_sui为串联侧中电压补偿中PI调节器的给定的比例系数和积分系数；k_sp、k_si为串联侧中电流环中PI调节器的给定的比例系数和积分系数；L_s为串联侧滤波电感值；k变压器的变比。

最后将电压指令U_sdref和U_sqref变换到三相静止abc坐标系中，得到相应的a、b、c轴中的分量U_saref～U_scref，并通过下文的新型调制策略对各个桥臂中的子模块开关进行控制。

3、调制策略

该新型UPQC的串联侧、并联侧采用以下新型调制策略，使交流侧输出电压跟踪参考值。如表1所示，每个六开关子模块共有四种开关状态。表中1表示开关闭合，0表示开关断开；U₁₂为子模块端口1和2之间的电压，U₃₄为子模块端口3和4之间的电压。每个桥臂均有N个子模块构成，桥臂端口I、II之间的电压U_I-II由桥臂中每个子模块1、2端口电压U₁₂串联而成，桥臂端口III、IV之间的电压U_III-IV由桥臂中每个子模块3、4端口电压U₃₄串联而成。

表1六开关子模块开关状态及端口输出电压

并联变流器交流侧的参考电压为U_pref(U_pref≤U_dc)，通过下式分别计算上、下桥臂中，1、2端口电压为电平U_sm的子模块数量n_pup+、n_plow+为

其中，round(x)为四舍五入取整函数。由于U_pref≤U_dc，n_pup、n_plow均小于等于N。上、下桥臂中，1、2端口电压为电平U_sm为零的子模块数量n_pup0、n_plow0为

n_pup0＝N－n_pup+n_plow0＝N－n_plow+ (7)

串联变流器交流侧的参考电压为U_sref(U_sref≤U_dc)，通过下式分别计算上、下桥臂中，3、4端口电压为电平U_sm的子模块数量n_sup+、n_slow+为

由于U_sref≤U_dc，n_sup、n_slow均小于等于N。上、下桥臂中，3、4端口电压为电平U_sm为零的子模块数量n_sup0、n_slow0为

n_sup0＝N－n_sup+n_slow0＝N－n_slow+ (9)

上桥臂中对应开关状态为①、②、③、④的子模块数量n_up①、n_up②、n_up③、n_up④分别为

下桥臂中对应开关状态为①、②、③、④的子模块数量n_low①、n_low②、n_low③、n_low④分别为

对桥臂中的子模块按电容电压值进行高低排序，根据当前电流方向判断开关状态①、②、③、④时的电容充放电情况；选择电容电压高的子模块，让其处于放电的开关状态，电容电压值越高优先级越高；选择电容电压低的子模块，让其处于充电的开关状态，电容电压值越低优先级越高。以此确定每个子模块开关状态。

Claims

1.一种基于六开关子模块的MMC型UPQC，包括：基于六开关子模块的MMC型变换器、并联侧三相滤波电感及电容、串联侧三相滤波电感及电容、串联侧变压器；

所述的基于六开关子模块的MMC型变换器包括A、B、C三相六桥臂、直流侧电容C；每相均有一个上桥臂S_uj和一个下桥臂S_lj，j＝a、b、c，上桥臂和下桥臂均有四个端口I-IV；三个上桥臂的端口I连接在一起，并与直流侧电容C的正极相连；三个上桥臂的端口III连接在一起；三个下桥臂的端口IV连接在一起，并与直流侧电容C的负极相连；三个下桥臂的端口II连接在一起；对应相的上桥臂端口IV和下桥臂端口III之间通过电感连接，电感中间引出线，即为变换器对应相的串联侧的输出端O_sa、O_sb、O_sc；对应相的上桥臂端口II和下桥臂端口I之间通过电感连接，电感中间引出线，即为变换器对应相的并联侧的输出端O_pa、O_pb、O_pc；

所述的MMC型变换器中上、下桥臂结构相同，均有四个端口I-IV，均由n个子模块sm₁-sm_n组成；其中每个子模块具有相同的结构，均具有1-4个端口；每个桥臂的第一个子模块sm₁的端口1即为桥臂的端口I；桥臂的第一个子模块sm₁的2端口与第二个子模块sm₂的1端口相连；第二个子模块sm₂的2端口与第三个子模块sm₃的1端口相连…以此类推，直到桥臂中最后一个子模块sm_n的2端即为桥臂的端口II；每个桥臂的第一个子模块sm₁的端口3即为桥臂的端口III；桥臂的第一个子模块sm₁的4端口与第二个子模块sm₂的3端口相连；第二个子模块sm₂的4端口与第三个子模块sm₃的3端口相连…以此类推，直到桥臂中最后一个子模块sm_n的端口4即为桥臂的端口IV；

其中三相滤波电感l_sa、l_sb、l_sc的一端分别与串联侧的输出端O_sa、O_sb、O_sc相连；另一端分别与三相滤波电容c_sa、c_sb、c_sc的一端相连，同时分别接入串联变压器三相高压绕组的一端；三相滤波电容c_sa、c_sb、c_sc的另一端相互连接；

其中三相滤波电感l_pa、l_pb、l_pc的一端分别与并联侧的输出端O_pa、O_pb、O_pc相连；另一端分别与三相滤波电容c_pa、c_pb、c_pc的一端相连，同时接入三相交流电网；三相滤波电容c_pa、c_pb、c_pc的另一端相互连接；

所述的串联侧变压器为三相双绕组变压器；其中三个低压绕组ax、bx、cx分别串接入电网三相线路中；高压侧三相绕组的另一端连接在一起；

子模块sm_i结构均相同，均有四个端口1-4；每个子模块均包括六个逆导型IGBT功率开关S₁-S₆和一个子模块直流侧电容C_sm；其中，功率开关S₁的发射极和功率开关S₂的发射极与子模块直流侧电容C_sm正极连接，功率开关S₁的集电极与功率开关S₃的发射极连接引出子模块端口1，功率开关S₂的集电极与功率开关S₄的发射极连接引出子模块端口2，功率开关S₃的集电极与功率开关S₅的发射极连接引出子模块端口3，功率开关S₄的集电极与功率开关S₆的发射极连接引出子模块端口4，功率开关S₅的集电极与功率开关S₆的集电极连接与子模块直流侧电容C_sm负极连接。