[发明专利]基于模块化多电平逆变器的动态电压调节装置及调节方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种动态电压补偿器，尤其是涉及一种基于模块化多电平逆变器的动态电压调节装置及调节方法。

背景技术

由于电网用电容量随时变化，以及大量的非线性负载在生产中的应用，这些设备会向电力系统注入大量的高次谐波，还会引起电压波动、电压跌落和中断等电能质量问题，配电变压器的一次侧电压波动导致配电变压器二次侧电压不稳定，从而影响用户的用电质量。研究表明，电压波动已成为影响许多用电设备正常、安全运行的电能质量问题之一。此外，人们越来越多的使用计算机、通信设备、PLC等精密电子设备处理工作事物，这些负荷对系统的干扰非常敏感，任何电能质量都可能影响这些负荷的正常运行，造成重大的经济损失。因此，如何抑制电压波动对电力用户的干扰、提高配电系统的动态电能质量，已成为摆在电力研究人员面前十分迫切的问题。

目前，动态电压补偿器(Dynamic Voltage Compensator,DVC)是解决电压跌落最有效的补偿手段之一，而动态电压补偿器逆变单元的选择直接影响DVC的补偿效果。市场上的动态电压补偿器的逆变单元主要有如下几种：

(1)两电平变换器：拓扑结构简单但其容量较小，电压谐波特性差。

(2)多电平箝位式变换器：随着电平数的增加，变换器所需的箝位元器件数量增加，直流侧电压中点电位易波动，控制算法也更复杂，在实际应用中受到限制。

(3)H桥级联多电平变换器：避免了电容均压问题，但随着电压等级升高，所需移相变压器的副边绕组增多，制造成本和难度增大，在功率变换场合需独立直流电源，限制了其在某些领域的应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于模块化多电平逆变器(Modular Multilevel Converter，MMC)的动态电压调节装置及调节方法，在补偿过程中，DVC的控制系统计算出所需补偿的电压幅值和相位，然后通过模块化多电平逆变器将储能装置的直流电能变换成交流电能，输出相应大小和相位的电压，以补偿配电系统的电压扰动对负荷的影响。MMC模块化程度高，易拓展，开关损耗小且模块数越多，输出电压波形的正弦程度越高。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于模块化多电平逆变器的动态电压调节装置，包括相连接的主电路和DSP控制电路，所述的主电路串联在电网与敏感负荷之间，包括相互并联连接的储能单元、MMC逆变单元和电容耦合单元，所述DSP控制电路包括DSP控制芯片以及分别与DSP控制芯片连接的电压电流采样电路、显示输入电路和保护电路。

所述的MMC逆变单元的单相拓扑结构中包含上下两个桥臂，每个桥臂包含串联的多个结构相同的子模块和一个桥臂电抗器。

所述的子模块由两个带有反并联二极管的全控型器件构成的半桥再并联一个电容组成。

所述的全控型器件包括IGBT。

所述的电容耦合单元包括一个电容和一个电感。

一种如所述的基于模块化多电平逆变器的动态电压调节装置的调节方法，包括：

(1)DSP控制电路实时采样电网电压，根据其与电网额定参考电压的差额按照补偿策略生成补偿指令；

(2)对所述补偿指令进行调制，输出相应的补偿电压；

(3)对所述补偿电压依据跟踪策略构成闭环反馈，跟踪所述补偿指令。

所述步骤(1)中，补偿策略采用同相补偿策略计算电压补偿量，生成补偿指令。

所述步骤(2)中，MMC逆变单元根据补偿指令，采用最近电平逼近的调制方式控制各子模块的投入和切出。

所述步骤(3)中，跟踪策略采用比例谐振控制方法，其传递函数为：

其中，ω_c为截止频率，K_P为比例系数，K_in为谐振系数，ω_o为基波角频率，n为需要调节的谐波次数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、拓扑优势：采用MMC型逆变拓扑，其模块化程度高，易拓展，便于集成，冗余设计简单，子模块的开关频率与开关损耗小，且模块数越多，输出电压波的正弦程度越高，子模块在每相中的地位相同，开关器件选择方便；具有公共的直流母线，能够实现四象限运行，开关器件选用全控型器件，以便实现能量的双向流动。

二、使用功率小：动态电压补偿器只补偿了系统电压升高或跌落的部分，而不是全部输入电压，因此其承担的最大功率仅为系统功率的20％左右。