[发明专利]具有能量变换单元的级联静止同步无功补偿器拓扑及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及级联型无功补偿装置的功率单元电容电压平衡控制技术。

背景技术

基于功率单元级联的无功补偿装置由于无需升压变压器，能减小装置体积及功耗，在中压(常见6kV，10kV)电能质量治理中占据越来越重要的位置。实际应用中，级联无功补偿装置经常选择星形接法，如图1所示。同三角形接法相比，相同额定电压下装置所需要的子模块数目更少，变换器输出电流谐波更小。

星形接法级联变换器存在的主要问题是三相间电容电压平衡问题较难解决。当级联STATCOM各功率模块处于悬浮状态，进行无功补偿时，一个工频周期内功率模块充放电能量相同，模块电容电压能够保持稳定。但在非理想情况下，例如电流突变，模块器件参数不一致时，模块电容电压将不平衡，如果不采取可靠措施，这种不平衡将进一步扩大导致变换器控制失败。

模块电容电压不平衡包括两部分：单相内部模块之间的电容电压不平衡，和相与相之间的电容电压不平衡。对于前者，目前有比较多的解决方法，其中最流行的解决方案包括排序、电压调制波补偿及模块导通占空比直接调整方法，其总体思想均为对每个模块的充放电过程进行细微调整，保持电容电压平衡，同时不会改变变换器输出电压，通过这些方法已经基本解决了该问题。

但对于相与相之间的电容电压不平衡，目前的解决方案并不多。从已有文献看，主要的解决方案是由日本学者Akagi提出方法，即调整每相总的输出电压，通过叠加与变换器输出电流相位一致的电压，在三相间生成不同的有功分量，以改变三相之间的能量存储，平衡三相之间的电容电压。但该方法叠加的电压会引起变换器输出电流的变化，同时变换器三相输出电压也不再平衡，其中心点电位不一定为零，这破坏了控制的可靠性。国内有学者通过正负序分离的方法对不平衡电流电压进行控制，但正负序分量的提取存在低通滤波环节，会严重影响级联STATCOM的动态性能。

发明内容

本发明目的是为了解决现有星形接法级联变换器对于相与相间电容电压不平衡采用的方法存在变换器输出电流改变、破坏控制可靠性，正负序分量的提取存在低通滤波、影响级联静止同步补偿器动态性能的问题，提供了一种具有能量变换单元的级联静止同步无 功补偿器拓扑及其控制方法。

本发明所述具有能量变换单元的级联静止同步无功补偿器拓扑，该级联静止同步无功补偿器拓扑包括N-1个功率模块，N为正整数，N-1个功率模块采用星形连接；该级联静止同步无功补偿器拓扑的第N个功率模块采用能量交换单元EEU，能量交换单元EEU和星形点连接，能量交换单元EEU包括一个三相桥和两个共用电容C_N1、C_N2，三相桥和两个共用电容C_N1、C_N2采用星形连接，能量交换单元EEU的星形连接点O是零电位点。

本发明所述具有能量变换单元的级联静止同步无功补偿器拓扑的控制方法，该控制方法的具体过程为：

步骤1、检测能量交换单元EEU直流侧电压U_DCN，将U_DCN和直流侧参考电压U_DCref^*相减，差值经过PI调节得到能量交换单元EEU的输出电压调整角度θ₀；

步骤2、检测A、B、C三相电容电压，获得三相电容电压平均值U_avgx，将U_avgx和三相电容电压参考值相减，差值经过PI调节得到各相输出电压调整角度θ_x；

步骤3、检测三相电流i_a、i_b、i_c，经过3/2变换得到i_d和i_q，进而获得输出电流的电角度θ_i；

步骤4、根据能量交换单元EEU的输出电压调整角度θ₀和各相输出电压调整角度θ_x的差叠加上输出电流的电角度θ_i，再减去π/2，得到能量交换单元EEU输出电压角度θ^*；

步骤5、根据得到能量交换单元EEU输出电压角度θ^*对能量交换单元EEU采用方波控制；

步骤6、对每相前N-1个功率模块的电容电压采用PSPWM进行调制，完成具有能量变换单元的级联静止同步无功补偿器拓扑的平衡控制。