本發(fā)明涉及電力電子柔性輸電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動(dòng)的STATCOM裝置。

背景技術(shù)：

工業(yè)交流電弧爐、電氣化鐵路等大量不平衡工業(yè)負(fù)荷與單相大容量負(fù)荷的存在，以及電力電子裝置的廣泛使用，給電力系統(tǒng)帶來了大量的無功電流和負(fù)序電流，不僅增加了損耗，而且危害電力設(shè)備。在此背景下，由于電力電子技術(shù)能夠參與維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及潮流分布，日益成為電力系統(tǒng)補(bǔ)償和調(diào)節(jié)的重要技術(shù)手段。

靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator:STATCOM)是電力電子裝置參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的主要應(yīng)用之一。STATCOM可被看作一個(gè)可控獨(dú)立電壓源，視應(yīng)用場(chǎng)合可以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償、接入點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)、諧波抑制等，以提高公共接入點(diǎn)(PCC)的電能質(zhì)量，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的逐步提高，STATCOM開始受到越來越多的關(guān)注和研究。

基于傳統(tǒng)兩電平PWM工作方式的STATCOM系統(tǒng)，受單個(gè)功率器件耐壓的限制無法應(yīng)用到中高壓領(lǐng)域，受單個(gè)器件開關(guān)頻率的限制，其輸出端一般需要笨重的無源濾波器才能接入電網(wǎng)。而模塊化多電平是用低壓功率器件實(shí)現(xiàn)高壓大功率變換的技術(shù)，它的模塊化設(shè)計(jì)、使用低壓開關(guān)器件、輸出波形質(zhì)量好等眾多優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為非常適合應(yīng)用在中、高壓大功率的電能質(zhì)量調(diào)控的場(chǎng)合。其基本原理是使用多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的基本變換器單元串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)等數(shù)目電平的階梯輸出電壓來逼近正弦電壓波形，并已在工業(yè)領(lǐng)域成功應(yīng)用。

基于模塊化多電平(簡(jiǎn)稱“MMC”)的STATCOM在學(xué)術(shù)界已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注和研究，且授權(quán)公告號(hào)CN201774259U一種基于MMC的無變壓器STATCOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及基于模塊化多電平變流器的無功補(bǔ)償(MMC-STATCOM)方法，在申請(qǐng)公告號(hào)為CN 105226687 A中提供一種適用于大規(guī)模光伏發(fā)電的儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括相連的補(bǔ)償裝置和A、B、C三相電網(wǎng)電路；所述補(bǔ)償裝置為將STATCOM功能與儲(chǔ)能系統(tǒng)功能相結(jié)合的裝置。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易于向高壓大功率領(lǐng)域擴(kuò)展，同時(shí)由于其開關(guān)頻率低、損耗小，與儲(chǔ)能裝置結(jié)合可以減小儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，從而減小裝置的成本和體積。但是，基于模塊化多電平的STATCOM仍存在一些固有問題需要界關(guān)注和給予解決，首先，基于MMC的STATCOM中公共直流母線存在電網(wǎng)等級(jí)的高電壓，一旦直流側(cè)短路，將引起巨大的短路電流，燒毀器件；其次，工程經(jīng)驗(yàn)表明，MMC中大量的子模塊電容占據(jù)了裝置的大量空間，從而增加了裝置的體積，同時(shí)也增加了系統(tǒng)成本，減少子模塊電容器的電容值能大大縮減電容器的電容，從而顯著減少裝置的體積，減低裝置成本；另外，當(dāng)STATCOM用于有中性點(diǎn)系統(tǒng)的不平衡系統(tǒng)，并且需要償不平衡電流時(shí)，額外的零序通道使MMC的增加一個(gè)橋臂，裝置的成本和體積也成比例的增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明針對(duì)基于MMC的STATCOMM系統(tǒng)，為減少M(fèi)MC子模塊電容體積、消除高壓直流側(cè)電壓、減少補(bǔ)償不平衡電流時(shí)多增加的器件數(shù)量，本發(fā)明提供了一種新的無功補(bǔ)償裝置，本發(fā)明采用新的橋臂相來消除直流母線電壓，通過在上下橋臂間增加連接電容來形成能量通道以抑制子模塊電容電壓的低頻脈動(dòng)，采用兩個(gè)低電壓等級(jí)的緩沖電感及一個(gè)無源諧振電路來構(gòu)成零序電流通道。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動(dòng)的STATCOM裝置，包括直接通過連接電感并聯(lián)在公共節(jié)點(diǎn)的STATCOM系統(tǒng)，所述STATCOM系統(tǒng)包括橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C和橋臂相D；

所述橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C由開關(guān)器件構(gòu)成，分別與電網(wǎng)的A、B、C相連接，形成無功電流和負(fù)序電流的補(bǔ)償通道，

所述橋臂相D由兩個(gè)電感組成，與電網(wǎng)的中性點(diǎn)連接，形成零序電流補(bǔ)償通道，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)或負(fù)載不平衡下的全電流補(bǔ)償。

所述STATCOM系統(tǒng)，根據(jù)ip-iq方法計(jì)算所需補(bǔ)償?shù)臒o功電流、負(fù)序電流和零序電流的指令值，再計(jì)算MMC按指令電流輸出補(bǔ)償電流所對(duì)應(yīng)的變換器端口電壓，采用載波移相調(diào)制策略合成所要求的端口輸出電壓。

所述STATCOM系統(tǒng)的直流側(cè)不包含儲(chǔ)能支撐電容。

所述STATCOM系統(tǒng)中的所述橋臂相A、所述橋臂相B和所述橋臂相C的結(jié)構(gòu)相同，且橋臂相A、橋臂相B和橋臂相C均由上橋臂和下橋臂串聯(lián)組成；

所述上橋臂由多個(gè)半橋子模塊依次首尾串聯(lián)形成上、下兩端口電路，所述下橋臂和所述上橋臂的結(jié)構(gòu)相同，且所述下橋臂的下端口連接所述上橋臂的下端口共同組成一個(gè)橋臂相，即，所述上橋臂的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180度作為下橋臂與上橋臂順接。

所述上橋臂和下橋臂分別包含2N個(gè)子模塊。

所述上橋臂和下橋臂的連接點(diǎn)兩邊各串聯(lián)一個(gè)相同的緩沖電感。

所述半橋子模塊由兩個(gè)全控開關(guān)器件串聯(lián)，串聯(lián)后形成的兩端電路與電容并聯(lián)，兩個(gè)全控器件分別反并聯(lián)一個(gè)二極管。

所述橋臂相D由兩個(gè)緩沖電感串聯(lián)形成兩端口電路，緩沖電感與橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C中的緩沖電感相同。

所述橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C、橋臂相D一端通過正的公共直流母線P連接，其另一端通過負(fù)的公共直流母線N連接。

所述橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C的中點(diǎn)引出端與電網(wǎng)連接，作為補(bǔ)償電流的通道，橋臂相D的中點(diǎn)通過一個(gè)交流通道與電網(wǎng)中性點(diǎn)連接。

所述交流通道由無源元件組成。

所述STATCOM系統(tǒng)的公共直流母線P和公共直流母線N間的電勢(shì)差為零，所述STATCOM系統(tǒng)中公共直流母線P和公共直流母線N間的電勢(shì)差為零的原理如下：

每個(gè)橋臂相的上橋臂和下橋臂合成電壓表示為：

其中，V_C為一個(gè)橋臂的所有子模塊電容電壓之和，ω₀是工頻角頻率，

則公共直流母線P和N的電壓為uPN：

u_PN＝u_U+u_L＝0 (3)

其中，uU、uL分別為上橋臂和下橋臂的合成電壓。

所述橋臂被等分為上、下兩個(gè)子橋臂，每個(gè)子橋臂包含N個(gè)子模塊，橋臂相的上橋臂中上、下子橋臂中點(diǎn)與下橋臂的上、下子橋臂中點(diǎn)通過連接電容連接，形成能量通道。

所述連接電容僅承受高頻電壓，不承受電網(wǎng)等級(jí)的直流電壓和工頻電壓，即，電壓等級(jí)及容量較小。

所述連接電容的橋臂相能實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓的脈動(dòng)抑制，其抑制原理如下：

一個(gè)橋臂相的等效電路如圖2所示，省略工頻成分和直流成分，一個(gè)橋臂相的等效電路等效為圖3，在圖3中，僅僅保留能夠生成有功功率的量，則圖3進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖4，圖4中高頻分量的電壓、電流表示成

u_U1＝u_e+U_hcos(ωt)

u_U2＝-u_e-U_hcos(ωt)

u_L1＝-u_e+U_hcos(ωt)

u_L2＝+u_e-U_hcos(ωt) (4)

其中，uU1是上橋臂的上子橋臂合成電壓，uU2是上橋臂的下子橋臂合成電壓；

uL₁是下橋臂的上子橋臂合成電壓，uL₂是下橋臂的下子橋臂合成電壓；ue是ih的激勵(lì)，ue為高頻量，其角頻率為ω。

每個(gè)橋臂相的4個(gè)子橋臂電流為

i_U1＝I_h cos(ωt)

i_U2＝-I_h cos(ωt)

i_L1＝-I_h cos(ωt)

i_L2＝I_h cos(ωt) (5)

其中，iU₁是上橋臂的上子橋臂的電流，iU₂是上橋臂的下子橋臂的電流；

iL₁是下橋臂的上子橋臂的電流，iL₂是下橋臂的下子橋臂的電流；

則各個(gè)子橋臂的功率為：

每式中的前三項(xiàng)為交流量，不產(chǎn)生有功，每式的最后一項(xiàng)為有功項(xiàng)，并且，上橋臂的有功與下橋臂的有功方向相反，用以抑制上下橋臂電容中方向相反的低頻脈動(dòng)功率。

所述的ih是一個(gè)被控自由度，控制ih的幅值和相位從而控制上下橋臂功率交換的方向和大小。

本發(fā)明達(dá)到的有益效果是：

1.本發(fā)明基于MMC拓?fù)?，但消除了MMC的直流母線電壓，消除了直流側(cè)公共母線短路的隱患，提高了裝置的安全性，并且保留了MMC的模塊化特點(diǎn)。

2.工程實(shí)際證明，MMC裝置中大量的浮動(dòng)電容占據(jù)了裝置的巨大空間，其成本也甚至高于其對(duì)應(yīng)的半橋模塊，本發(fā)明通過對(duì)占主導(dǎo)的一次脈動(dòng)電壓成分的抑制，直接降低了浮動(dòng)電容所承受的電壓等級(jí)，便于選擇較小的浮動(dòng)電容，降低了系統(tǒng)成本，減小了裝置體積；

3.本發(fā)明新的橋臂相結(jié)構(gòu)消除了兩端的電網(wǎng)級(jí)電壓，因此，能夠使用由開關(guān)器件構(gòu)成的橋臂相替代常規(guī)由開關(guān)器件組成的橋臂相，電容和開關(guān)器件數(shù)目降為常規(guī)結(jié)構(gòu)的3/4，從而顯著降低裝置成本和體積，此外，裝置的驅(qū)動(dòng)電路也相應(yīng)較少為常規(guī)的3/4，提高了系統(tǒng)的可靠性，也減少了系統(tǒng)損耗；

4.電容電壓低頻脈動(dòng)的抑制方法中，增加的硬件成分幾乎極小，抑制方法對(duì)補(bǔ)償電流無影響；

5.本發(fā)明的相橋臂的應(yīng)用不僅僅局限于無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用場(chǎng)合，能夠替代現(xiàn)有采用級(jí)聯(lián)H橋多電平拓?fù)溲b置的相橋臂，如級(jí)聯(lián)H橋星型拓?fù)?、?jí)聯(lián)H橋星型拓?fù)洹⑶爸谜麟娐返取?/p>

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明提出的STATCOM系統(tǒng)；

圖2是本發(fā)明的單相完全等效電路圖；

圖3是本發(fā)明的省略工頻和直流成分的單相高頻分量等效電路圖；

圖4是在圖3的基礎(chǔ)上進(jìn)一步省略與有功無關(guān)的成分后所形成的單相有功高頻分量等效電路圖；

圖中：

1代表每個(gè)橋臂相的上橋臂；2代表每個(gè)橋臂相的下橋臂；

代表每個(gè)橋臂的子上橋臂；4代表每個(gè)橋臂的子下橋臂；

5橋臂緩沖電感；

6上、下橋臂的連接電容；

7變換器與電網(wǎng)間的連接電感。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的附圖1-4，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；谒枋龅谋景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例

一種基于模塊化多電平的抑制電容電壓脈動(dòng)的STATCOM系統(tǒng)，所述STATCOM系統(tǒng)直接通過連接電感并聯(lián)在公共節(jié)點(diǎn)，無需變壓器，該STATCOM系統(tǒng)包含4個(gè)橋臂相，其中，橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C由開關(guān)器件構(gòu)成，橋臂相D由兩個(gè)電感組成。

所述橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C的結(jié)構(gòu)相同，每個(gè)橋臂相由上橋臂1、下橋臂2兩個(gè)橋臂串聯(lián)組成，上橋臂由多個(gè)半橋子模塊依次首尾串聯(lián)，形成上、下兩端口電路，下橋臂和上橋臂的結(jié)構(gòu)相同，上橋臂兩端口電路旋轉(zhuǎn)180度后作為下橋臂，然后與上橋臂順接，組成本發(fā)明新的橋臂相，這與常規(guī)MMC結(jié)構(gòu)不同；上、下橋臂連接點(diǎn)的兩邊各串聯(lián)一個(gè)相同的緩沖電感5。每個(gè)橋臂包含2N個(gè)子模塊，每個(gè)半橋子模塊由兩個(gè)全控開關(guān)器件串聯(lián)，串聯(lián)后形成的兩端電路與電容并聯(lián)，兩個(gè)全控器件分別反并聯(lián)一個(gè)二極管。

橋臂相D由兩個(gè)緩沖電感5串聯(lián)形成兩端口電路。

所述橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C和橋臂相D一端通過正的公共直流母線P連接，它們的另一端通過負(fù)的公共直流母線N連接；橋臂相A，橋臂相B、橋臂相C的中點(diǎn)，作為引出端，分別串聯(lián)一個(gè)連接電感7后并入電網(wǎng)的A、B、C相，用于補(bǔ)償電網(wǎng)的無功電流、負(fù)序電流；橋臂D中點(diǎn)的引出端通過串聯(lián)一個(gè)無源的通交流阻直流電路(優(yōu)選LC工頻諧振電路)，并入電網(wǎng)的中性點(diǎn)，用以形成零序電流補(bǔ)償通道。

上、下橋臂通過連接電容6形成能量通道，以抑制上、下橋臂子模塊電容中低頻脈動(dòng)，具體連接方法是：橋臂被等分為上、下兩個(gè)子橋臂，每個(gè)子橋臂包含N個(gè)子模塊，橋臂相上橋臂的上、下子橋臂中點(diǎn)與下橋臂上、下子橋臂中點(diǎn)通過連接電容連接。該連接電容容量及電壓等級(jí)較小，根據(jù)工程需要，可以用單個(gè)電容，也可以使用多個(gè)電容組成的級(jí)聯(lián)串。

所述STATCOM系統(tǒng)補(bǔ)償指令的計(jì)算方法與現(xiàn)有技術(shù)無實(shí)質(zhì)差異。

此外，本發(fā)明的橋臂相可以替代現(xiàn)有級(jí)聯(lián)H橋多電平的橋臂相，從而達(dá)到只采用半橋子模塊僅僅合成輸出交流電壓的目的。

作為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，所述STATCOM系統(tǒng)的公共直流母線P和公共直流母線N間的電勢(shì)差為零，所述STATCOM系統(tǒng)中公共直流母線P和公共直流母線N間的電勢(shì)差為零的原理如下：

每個(gè)橋臂相的上橋臂和下橋臂合成電壓表示為：

其中，V_C為一個(gè)橋臂的所有子模塊電容電壓之和，ω₀是工頻角頻率，

則公共直流母線P和N的電壓為uPN：

u_PN＝u_U+u_L＝0 (3)

其中，uU、uL分別為上橋臂和下橋臂的合成電壓。

所述橋臂被等分為上、下兩個(gè)子橋臂，每個(gè)子橋臂包含N個(gè)子模塊，橋臂相的上橋臂中上、下子橋臂中點(diǎn)與下橋臂的上、下子橋臂中點(diǎn)通過連接電容連接，形成能量通道。

所述連接電容僅承受高頻電壓，不承受電網(wǎng)等級(jí)的直流電壓和工頻電壓，即，電壓等級(jí)及容量較小。

所述連接電容的橋臂相能實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓的脈動(dòng)抑制，其抑制原理如下：

一個(gè)橋臂相的等效電路如圖2所示，省略工頻成分和直流成分，一個(gè)橋臂相的等效電路等效為圖3，在圖3中，僅僅保留能夠生成有功功率的量，則圖3進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖4，圖4中高頻分量的電壓、電流表示成

u_U1＝u_e+U_hcos(ωt)

u_U2＝-u_e-U_hcos(ωt)

u_L1＝-u_e+U_hcos(ωt)

u_L2＝+u_e-U_hcos(ωt) (4)

其中，uU1是上橋臂的上子橋臂合成電壓，uU2是上橋臂的下子橋臂合成電壓；

uL1是下橋臂的上子橋臂合成電壓，uL2是下橋臂的下子橋臂合成電壓；ue是ih的激勵(lì)，ue為高頻量，其角頻率為ω。

每個(gè)橋臂相的4個(gè)子橋臂電流為

i_U1＝I_hcos(ωt)

i_U2＝-I_hcos(ωt)

i_L1＝-I_hcos(ωt)

i_L2＝I_hcos(ωt) (5)

其中，iU1是上橋臂的上子橋臂的電流，iU2是上橋臂的下子橋臂的電流；

iL1是下橋臂的上子橋臂的電流，iL2是下橋臂的下子橋臂的電流；

則各個(gè)子橋臂的功率為：

每式中的前三項(xiàng)為交流量，不產(chǎn)生有功，每式的最后一項(xiàng)為有功項(xiàng)，并且，上橋臂的有功與下橋臂的有功方向相反，用以抑制上下橋臂電容中方向相反的低頻脈動(dòng)功率。

所述的ih是一個(gè)被控自由度，控制ih的幅值和相位從而控制上下橋臂功率交換的方向和大小。

本發(fā)明達(dá)到的有益效果是：

1.本發(fā)明基于MMC拓?fù)洌薓MC的直流母線電壓，消除了直流側(cè)公共母線短路的隱患，提高了裝置的安全性，并且保留了MMC的模塊化特點(diǎn)。

2.工程實(shí)際證明，MMC裝置中大量的浮動(dòng)電容占據(jù)了裝置的巨大空間，其成本也甚至高于其對(duì)應(yīng)的半橋模塊，本發(fā)明通過對(duì)占主導(dǎo)的一次脈動(dòng)電壓成分的抑制，直接降低了浮動(dòng)電容所承受的電壓等級(jí)，便于選擇較小的浮動(dòng)電容，降低了系統(tǒng)成本，減小了裝置體積；

3.本發(fā)明新的橋臂相結(jié)構(gòu)消除了兩端的電網(wǎng)級(jí)電壓，因此，能夠使用由開關(guān)器件構(gòu)成的橋臂相替代常規(guī)由開關(guān)器件組成的橋臂相，電容和開關(guān)器件數(shù)目降為常規(guī)結(jié)構(gòu)的3/4，從而顯著降低裝置成本和體積，此外，裝置的驅(qū)動(dòng)電路也相應(yīng)較少為常規(guī)的3/4，提高了系統(tǒng)的可靠性，也減少了系統(tǒng)損耗；

4.電容電壓低頻脈動(dòng)的抑制方法中，增加的硬件成分幾乎極小，抑制方法對(duì)補(bǔ)償電流無影響；

5.本發(fā)明的相橋臂的應(yīng)用不僅僅局限于無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用場(chǎng)合，能夠替代現(xiàn)有采用級(jí)聯(lián)H橋多電平拓?fù)溲b置的相橋臂，如級(jí)聯(lián)H橋星型拓?fù)?、?jí)聯(lián)H橋星型拓?fù)?、前置整流電路等?/p>

以上所述實(shí)施例，僅為本發(fā)明應(yīng)用于STATCOM的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能理解，本發(fā)明所述半橋子模塊屬于本發(fā)明的優(yōu)選結(jié)構(gòu)，本發(fā)明不局限于由半橋電路組成的橋臂，也包括其它多電平或不同形式的單電平單極型結(jié)構(gòu)模塊，涉及該類相橋臂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都應(yīng)該涵蓋在本發(fā)明。