专利名称：级联多电平逆变器无功补偿系统及控制方法
技术领域：
本发明属于电力电子技术在电力系统中的应用，涉及级联多电平逆变器无功补偿系统及控制方法。
背景技术：
随着经济的飞速发展，现代电力系统的规模不断扩大，电力系统的安全、稳定和经济运行问题日益突出.作为在电能传输和转换过程中建立电磁场的必要功率，无功功率的补偿和平衡问题，得到越来越多的重视和研究。对电力系统进行适当的无功补偿，可以稳定电网电压，提高功率因数，提高设备利用率，减小网络有功功率损耗，提高输电能力，平衡三相功率，为系统提供电压支撑，提高系统运行安全性。世界上已投运的大容量无功补偿装置多采用变压器多重化主电路结构，但是多重化变压器也带来了很多问题，如价格昂贵、损耗大、占地面积大、非线性特性导致控制困难等等。链式无功补偿系统采用多个单相逆变桥直接串联的结构形式，与基于变压器多重化逆变器的无功补偿系统相比，基于链式多电平逆变器的无功补偿系统有以下优点(I)采用普通变压器接入系统，避免了多重化变压器，减小了占地面积，降低了装置成本；(2)在系统受到扰动时，可以分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用；(3)采用模块化结构，便于扩展装置容量； (4)采用冗余功率模块，提高了装置可靠性；(5)避免了多重化逆变变压器激磁回路中剩磁和饱和非线性导致的装置过电压和过电流。
发明内容
本发明的目的是提出一种级联多电平逆变器无功补偿系统及控制方法，可以实现系统输出总的有功和无功电流的控制，还可以分别控制各个功率单元吸收的有功功率来控制每个级联功率单元直流母线电压的平衡。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案；本发明提供一种级联多电平逆变器无功补偿系统，其特征在于包括主回路、检测回路和控制回路，主回路由级联H桥功率单元、滤波电抗器、充电电阻和控制开关组成；检测回路由第一至第二电流传感器、第一至第二电压传感器、各级联功率单元直流侧电压传感器和外部A/D采样电路组成；控制回路由数字信号处理器、实现脉冲分配的现场可编程门阵列和实现主控与模块之间通讯的光通讯电路组成；其中级联H桥功率单元为单相H桥逆变器结构，级联多电平逆变器的每相由N个功率单元串联组成，三相组成星形连接，输出三相经滤波电感串联后与充电电阻的左端相连，充电电阻右端与三相电网相连，控制开关与充电电阻两端并联。第一电流传感器和第二电流传感器分别设置于级联多电平逆变器输出A、C两相上，第一至第二电流传感器的输出端分别接外部A/D采样电路的输入端，第一电压传感器和第二电压传感器分别设置于三相电网电压的AB和BC相，第一至第二电压传感器的输出端分别接外部A/D采样电路的输入端，各级联功率单元直流侧电压传感器分别设置于各个功率单元的直流输入端上，各级联功率单元直流侧电压传感器的输出端分别接外部A/D采样电路的输入端，外部A/D采样电路的输出端接数字信号处理器的输入端，数字信号处理器的输出端分别接控制开关的控制端和实现脉冲分配的现场可编程门阵列的输入端，现场可编程门阵列的输出端接光通讯电路的输入端，光通讯电路的输出端接各级联H桥功率单元的控制端。 本发明级联多电平逆变器无功补偿系统控制方法，其特征在于，包括如下步骤I)根据所测量的电网电压，利用锁相环计算得到电网电压综合矢量角度；
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2)利用矩阵变换，将采样得到的系统输出相电流变换到两相旋转坐标系下有功电流d轴分量和无功电流q轴分量(d轴按电网电压综合矢量定向)，并将采样得到的电网相电压变换到两相旋转坐标系下的d轴电压分量和q轴电压分量；3)利用交流电流前馈解耦控制策略得到系统输出d轴电压分量和q轴电压分量，并结合锁相角度，计算出三相调制波并利用移相SPWM控制策略控制各级联功率单元的驱动脉冲，从而实现系统输出总的有功和无功电流的控制；4)根据两相旋转坐标系下有功电流d轴分量和无功电流q轴分量计算出电流综合矢量与电网电压综合矢量的夹角，并结合锁相角计算出与电流矢量同相的单位正弦信号；5)将每相各功率单元直流电压求和取平均值作为直流电压参考信号，并与本相各功率单元实际电压信号做差并进行PI调节，将PI输出的信号与步骤4)中的单位正弦信号相乘得到仅控制各功率单元输出电压有功电压矢量的调制波叠加信号；6)将步骤5)中所得到的三相各功率单元调制波叠加信号与步骤3)中的三相调制波信号叠加得到每个功率单元新的调制波信号，控制每个功率单元吸收的有功功率，从而实现每个功率单元直流母线电压的平衡控制。本发明所达到的有益效果本发明的级联多电平逆变器无功补偿系统及控制方法，无需增加额外的功率电路，不仅可以实现系统输出总的有功和无功电流的控制，还可以分别控制各个功率单元吸收的有功功率来控制每个级联功率单元直流母线电压的平衡，不仅降低了系统硬件成本，而且大大减少了系统输出电压电流的谐波含量，提高了系统的可靠性。
图I级联多电平逆变器无功补偿系统结构图；图2坐标系(d, q)、坐标系(a, b, c)及矢量分解图；图3级联多电平逆变器无功补偿系统控制系统结构图；图4A相各功率单元直流母线电压平衡控制结构图。
具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细的说明本发明的级联多电平逆变器无功补偿系统如图I所示，包括主回路、检测回路和控制回路，主回路由级联H桥逆变单元、滤波电抗器、充电电阻和控制开关组成；检测回路由第一至第二电流传感器、第一至第二电压传感器、各级联功率单元直流侧电压传感器和外部A/D采样电路组成；控制回路由数字信号处理器、实现脉冲分配的现场可编程门阵列和实现主控与功率单元之间通讯的光通讯电路组成。本发明的一种级联多电平逆变器无功补偿系统，其特征在于包括主回路、检测回路和控制回路，主回路由级联H桥功率单元Mai……Man，Mbi……Mbn，Mx……Mcn、滤波电抗器I、充电电阻2和控制开关3组成；检测回路由第一至第二电流传感器10、11、第一至第二电压传感器8、9、各级联功率单元直流侧电压传感器DCai……DCan，DCbi……DCBN，DCci……DCcn和外部A/D采样电路7组成；控制回路由数字信号处理器4、实现脉冲分配的现场可编程门阵列5和实现主控与功率单元之间通讯的光通讯电路6组成；其中级联H桥功率单元Mai……Man, Mbi……Mbn，Mci……Mcn为单相H桥逆变器结构，级联多电平逆变器的每相由N个功率单元串联组成，三相组成星形连接，输出三相经滤波电感I串联后与充电电阻2的左端相连，充电电阻2的右端与三相电网相连，控制开关3与充电电阻2的两端并联；第一电流传感器9和第二电流传感器10分别设置于级联多电平逆变器输出A、C两相上，第一至第二电流传感器9、10的输出端分别接外部A/D米样电路7的输入端,第一电压传感器8和第二电压传感器9分别设置于三相电网电压的AB和BC相，第一至第二电压传感器8、9的输出端分别·接外部A/D采样电路7的输入端，各级联功率单元直流侧电压传感器DCai……DCan, DCbi……DCbn, DCci……DCcm分别设置于各个功率单元的直流输入端上，各级联功率单元直流侧电压传感器DCai……DCan, DCbi……DCbn，DCci……DCcn的输出端分别接外部A/D采样电路7的输入端，外部A/D采样电路7的输出端接数字信号处理器4的输入端，数字信号处理器4的输出端分别接控制开关的控制端和实现脉冲分配的现场可编程门阵列5的输入端，现场可编程门阵列5的输出端接实现主控与功率单元之间通讯的光通讯电路6的输入端，光通讯电路6的输出端接各级联H桥功率单元Mai……Man, Mbi……Mbn，Mci……Mcn的控制端。本发明的级联多电平逆变器无功补偿系统的控制目的主要包括两个部分，第一部分是实现系统输出总的有功与无功电流的控制，第二部分是实现各个级联功率单元直流母线电压的平衡控制。以A相为例，级联的功率单元数为N，其控制方法的具体实现步骤如下I)根据所测量的电网电压，利用锁相环计算出电网电压综合矢量角度Θ ；2)根据图2所示的坐标系(d，q)、坐标系(a，b，c)及矢量分解图，利用矩阵变换，将采样得到的系统输出相电流ia、ib、i。变换到两相旋转坐标系下的有功电流d轴分量Id和无功电流q轴分量Iq (d轴按电网电压综合矢量定向)，并将采样得到的电网相电压ea、eb、e。变换到两相旋转坐标系下的d轴电压分量Ed和q轴电压分量Etl ；3)根据系统在两相旋转坐标系d_q下的数学模型，控制系统结构图如图3所示，交流电流控制采用前馈解耦控制方法并利用PI调节器实现无静差调节，得到系统输出d轴电压分量Uri和q轴电压分量u ，结合锁相角度，计算得到三相调制波UfU1^Uf并利用移相SPWM控制策略控制各级联功率单元的驱动脉冲，从而对输出交流电流完成解耦控制，实现系统输出总的有功与无功电流的控制；4)根据两相旋转坐标系下有功电流d轴分量Id和无功电流q轴分量Iq，计算出系统输出相电流综合矢量与电网电压综合矢量的夹角α，ff = i7ttarHf)，并且结合锁相角θ计算出与输出相电流矢量同相的A相、B相、C相的单位正弦信号分别为cos ( α + Θ )、cos(a + 0-12O。)、cos(a + θ+120。);5)将A相各功率单元直流电压求和取平均值作为直流电压参考信号，
UdcANref ^dcAl^" ^dcAN^ /N ^dcBNref UfJcBl+ ^dcBN^ ^dcCNref UfJcCl+ ^dcCN )/N),并与本相
各功率单元实际直流电压信号做差进行PI调节得到输出信号U(kANPI()Ut，将PI输出的信号udcANPl0Ut与步骤4)中的单位正弦信号相乘得到仅控制各功率单元输出电压有功电压矢量的调制波置加 η 可 八 urAN-udcANPl0Ut X cos ( a + Θ ) ( Δ urBN-udcfflPl0Ut X cos ( a + θ -120 )，Δ urCN=udcCNPIoutXcos(a + θ+120° ));6)将步骤5)中所得到的A相各功率单元调制波叠加信号与步骤3)中的三相调制波信号叠加得到每个功率单元新的调制波，urA/ ΔurAN+urA Curm' =AurBN+urB,Urc/ =AurCN+urC),控制每个功率单元吸收的有功功率，从而实现了每个功率单元直流母线电压的平衡控制。·
权利要求
1.一种级联多电平逆变器无功补偿系统，其特征在于包括主回路、检测回路和控制回路，主回路由级联H桥功率单元、滤波电抗器(I)、充电电阻(2)和控制开关(3)组成；检测回路由第一电流传感器(10)、第二电流传感器(11)、第一电压传感器(8)、第二电压传感器(9)、各级联功率单元直流侧电压传感器和外部A/D采样电路(7)组成；控制回路由数字信号处理器(4)、实现脉冲分配的现场可编程门阵列(5)和实现主控与功率单元之间通讯的光通讯电路(6)组成；其中级联H桥功率单元为单相H桥逆变器结构，级联多电平逆变器的每相由N个功率单元串联组成，三相组成星形连接，输出三相经滤波电感(I)串联后与充电电阻(2)的左端相连，充电电阻(2)的右端与三相电网相连，控制开关(3)与充电电阻(2)的两端并联；第一电流传感器(9)和第二电流传感器(10)分别设置于级联多电平逆变器输出A、C两相上，第一至第二电流传感器(9、10)的输出端分别接外部A/D采样电路(7)的输入端，第一电压传感器(8)和第二电压传感器(9)分别设置于三相电网电压的AB和BC相，第一电压传感器和第二电压传感器的输出端分别接外部A/D采样电路(7)的输入端，各级联功率单元直流侧电压传感器分别设置于各个功率单元的直流输入端上，各级联功率单元直流侧电压传感器的输出端分别接外部A/D采样电路(7)的输入端，外部A/D采样电路(7) 的输出端接数字信号处理器(4)的输入端，数字信号处理器(4)的输出端分别接控制开关的控制端和实现脉冲分配的现场可编程门阵列(5)的输入端，现场可编程门阵列(5)的输出端接实现主控与功率单元之间通讯的光通讯电路(6)的输入端，光通讯电路(6)的输出端接各级联H桥功率单元的控制端。
2.根据权利要求I所述的级联多电平逆变器无功补偿系统的控制方法，包括两个部分，第一部分是对系统输出总的有功与无功电流的控制，第二部分是对各个级联功率单元直流母线电压的平衡控制，其特征在于，包括如下步骤 1)根据所测量的电网电压，利用锁相环计算得到电网电压综合矢量角度； 2)利用矩阵变换，将采样得到的系统输出相电流变换到两相旋转坐标系下有功电流d轴分量和无功电流q轴分量，并将采样得到的电网相电压变换到两相旋转坐标系下的d轴电压分量和q轴电压分量； 3)利用交流电流前馈解耦控制策略得到系统输出d轴电压分量和q轴电压分量，并结合锁相角度，计算出三相调制波并利用移相SPWM控制策略控制各级联功率单元的驱动脉冲，从而实现系统输出总的有功与无功电流的控制； 4)根据两相旋转坐标系下有功电流d轴分量和无功电流q轴分量计算出电流综合矢量与电网电压综合矢量的夹角，并结合锁相角计算出与电流矢量同相的单位正弦信号； 5)将每相各功率单元直流电压求和取平均值作为直流电压参考信号，并与本相各功率单元实际直流电压信号做差并进行PI调节，将PI输出的信号与步骤4)中的单位正弦信号相乘得到仅控制各功率单元输出电压有功电压矢量的调制波叠加信号； 6)将步骤5)中所得到的三相各功率单元调制波叠加信号与步骤3)中的三相调制波信号叠加得到每个功率单元新的调制波信号，控制每个功率单元吸收的有功功率，从而实现每个功率单元直流母线电压的平衡控制。
全文摘要
本发明公开了一种级联多电平逆变器无功补偿系统及控制方法，系统包括主回路、检测回路和控制回路，主回路由级联H桥逆变单元、滤波电抗器、充电电阻和控制开关组成；检测回路由第一至第二电流传感器、第一至第二电压传感器、各级联功率单元直流侧电压传感器和外部A/D采样电路组成；控制回路由数字信号处理器、实现脉冲分配的现场可编程门阵列和实现主控与功率单元之间通讯的光通讯电路组成。本发明系统无需增加额外的功率电路不仅可以实现系统输出总的有功和无功电流的控制，还可以分别控制每个模块吸收的有功功率从而实现每个级联功率单元直流母线电压的平衡控制，不仅降低了系统硬件成本，提高了系统的可靠性。
文档编号H02J3/18GK102946105SQ20121040839
公开日2013年2月27日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者杨奇, 钱诗宝, 张裕峰, 霍利杰, 李冰, 胡炫 申请人:国电南京自动化股份有限公司