专利名称：一种基于电流分离补偿的级联型h桥型dstatcom装置及分离补偿的方法
技术领域：
本发明涉及一种基于电流分离补偿的级联型H桥型DSTATC0M装置，特别是用于配电网电能质量治理装置一配电静止无功补偿器(distribution static synchronous compensator, DSTATCOM)的拓扑结构和电流补偿控制方法。
背景技术：
级联H桥型多电平变流器由于结构简单、易于模块化设计、开关负荷平衡及输出电压谐波小等优点而被广泛应用于DSTATCOM等大功率变流装置。但该结构存在由各功率单元电容能量变化差异及功率单元自身损耗所造成的直流侧电容电压的不平衡问题，严重影响了装置输出波形质量。为此，人们发展了许多直流侧电容电压均衡控制方案，其中外部能量交换法由于具有算法简单独立、响应速度快以及实时性强等优点在实际工程中被广泛使用。典型的外部能量交换法采用四象限整流器结合直流电容为各功率单元H桥逆变器提供了独立的直流电源，主要优点在于当H桥逆变器需要与电网交换有功功率时，如 DSTATCOM输出三相不平衡补偿电流，装置三相Y型接线方式或三角形接法时采用最大相电流最小化设计等方法时，该方案中独立电源为能够为逆变器提供有功能量传输通道；主要缺点是额外的电源设备增加了装置整体成本和体积。DSTATCOM为了抑制冲击型、不对称、非线性负荷对配电网造成的电压波动与闪变、 谐波以及三相不平衡等电能质量问题，补偿电流中需要包含无功、负序和谐波分量。传统的电流控制方案是补偿电流全部由H桥逆变器承担，而整流器仅承担由负序补偿电流引起的有功功率部分。因此，逆变器的容量将远远超过整流器容量。这样，一方面，由于容量差异会增加器件选型的复杂性；另一方面，开关器件的价格通常随着容量的增加成倍的增长。此外，对于基波正序无功补偿电流来说，当该电流流经H桥逆变器时，会造成直流侧能量2次脉动。为抑制该能量脉动造成的直流电压波动，会进一步增加直流电容的容量。
发明内容
本发明提供了一种基于电流分离补偿的级联型H桥型DSTATCOM装置，它的电容容量将随着逆变器补偿容量的下降而下降，不但进一步降低装置的造价，减小功率单元的体积。本发明采用了以下技术方案一种基于电流分离补偿的级联型H桥型DSTATCOM装置，其特征是它包括三相功率单元的级联结构；三相功率单元的级联结构采用Y型结构连接，以便实现三相电流的分相解耦控制；各功率单元采用AC-DC-AC的变流器结构，每个功率单元包括四象限整流器、直流电容C以及H桥逆变器，直流电容C左侧为四象限整流器， 通过多绕组变压器隔离连接交流电网，四象限整流器结合直流电容C充当直流稳压电源， 起到对各功率单元直流电压均衡控制的目的，四象限整流器提供输出补偿电流中的部分或全部基波正序无功补偿电流；直流电容C右侧为H桥逆变器，各单元H桥逆变器级联后通过电抗Zs连接电网，H桥逆变器只承担负序、谐波或部分无功补偿任务；当装置补偿负序电流时，四象限整流器为H桥逆变器提供双向有功能量流动通道。本发明还公开了一种应用级联型H桥型DSTATC0M装置进行电流分离补偿的方法，四象限整流器结合直流电容C充当直流稳压电源，对各功率单元直流电压均衡控制；当 DSTATC0M装置补偿负序电流时，四象限整流器为H桥逆变器提供双向有功能量流动通道； 四象限整流器提供输出补偿电流中的部分或全部基波正序无功补偿电流；H桥逆变器只承担负序、谐波或部分无功补偿任务。本发明具有以下有益效果本发明各单元整流器能够及时响应直流有功负载的变化，并为其提供快速能量传输通道，稳定直流电压；本发明优化配置装置功率单元整流模块和逆变模块的容量，降低装置的整体体积和造价；减小或消除装置功率单元直流电容电压脉动量，从而可以降低直流电容容量，进一步降低装置的造价；较小的直流电压脉动，使得折射到装置输出电压中的谐波含量降低，能够有效提高装置尤其是谐波电流的补偿效果； 当装置发生冗余度以内的功率单元H桥逆变器故障时，将该单元逆变器旁路退出运行后， 整流器依然可以作为无功发生器对系统进行无功补偿，从而提高了装置利用效率。
图1是Y型接线方式的三相级联H桥型DSTATC0M单相主电路结构。图2是装置各功率单元模块的等效电路模型。图3是装置功率单元整流器交流侧稳态相量图。图4是装置功率单元H桥逆变器交流侧基波稳态相量图。图5是装置输出三相负序电流稳态相量图。
具体实施例方式本发明包括三相功率单元的级联结构，本实施例以单相为例分析问题，其主电路结构参照图1，一种基于电流分离补偿的级联型H桥型DSTATC0M装置，其特征是它包括三相功率单元的级联结构；三相功率单元的级联结构采用Y型结构连接，以便实现三相电流的分相解耦控制；各功率单元采用AC-DC-AC的变流器结构，每个功率单元包括四象限整流器、直流电容C以及H桥逆变器，直流电容C左侧为四象限整流器，通过多绕组变压器隔离连接交流电网，四象限整流器结合直流电容C充当直流稳压电源，起到对各功率单元直流电压均衡控制的目的，四象限整流器提供输出补偿电流中的部分或全部基波正序无功补偿电流；直流电容C右侧为H桥逆变器，各单元H桥逆变器级联后通过电抗Zs连接电网，H桥逆变器只承担负序、谐波或部分无功补偿任务；当装置补偿负序电流时，四象限整流器为H 桥逆变器提供双向有功能量流动通道。图1中，功率单元采用AC-DC-AC的结构形式，直流电容右侧为H桥主逆变器，各单元级联后通过电抗Zs连接电网；电容左侧为四象限整流器，通过多绕组变压器隔离连接交流电网，一方面，作为稳定直流电压的辅助电路，起到对各功率单元直流电压均衡控制的目的；另一方面，当DSTATC0M补偿三相不平衡电流时，为H桥逆变器提供双向有功能量流动通道。
实际工程应用中，DSTATC0M为了抑制冲击型、不对称、非线性负荷对配电网造成的电压波动与闪变、谐波以及三相不平衡等电能质量问题，补偿电流中需要包含无功、负序和谐波分量。传统的解决方案是补偿电流全部由H桥逆变器承担，而整流器仅承担由负序补偿电流引起的有功功率部分。本发明提供了一种应用级联型H桥型DSTATC0M装置进行电流分离补偿的方法，四象限整流器结合直流电容C充当直流稳压电源，对各功率单元直流电压均衡控制，在控制的同时当DSTATC0M装置补偿负序电流时，四象限整流器为H桥逆变器提供双向有功能量流动通道；这样四象限整流器提供输出补偿电流中的部分或全部基波正序无功补偿电流； H桥逆变器只承担负序、谐波或部分无功补偿任务。本发明中涉及一种电流分离补偿的控制方案，将部分或全部基波正序无功补偿电流由四象限整流器提供，而H桥逆变器只承担负序、谐波或部分无功补偿任务，这种方案主要基于以下三个方面考虑
第一，传统方案中，全部补偿电流由H桥逆变器提供，而整流器仅提供全部补偿电流中的负序有功部分。因此，逆变器的容量将远远超过整流器容量。这样，一方面，由于容量差异会增加器件选型的复杂性；另一方面，开关器件的价格通常随着容量的增加成倍的增长。 而本方案中，部分基波正序无功由整流器提供，可使整流器和逆变器容量相当，从而开关器件选型一致，且由于逆变器容量的降低，使得装置整体造价降低；
第二，对于基波正序无功补偿电流来说，当该电流流经H桥逆变器时，会造成直流侧能量2次脉动；但对于三相整流器来说，由于三相对称，与直流侧没有能量交换，因此对直流侧没有影响。此时，按照本方案设计直流电容，电容容量将随着逆变器补偿容量的下降而下降，这样会进一步降低装置的造价，减小功率单元的体积；
第三，当装置发生冗余度以内的功率单元H桥逆变器故障时，将该单元逆变器旁路退出运行后，整流器依然可以作为无功发生器对系统进行无功补偿。现将以上述考虑证明如下
装置单个功率单元模块的等效电路模型参照图2。图中，标有r下标的参数代表四象限整流器电路，标有s下标的代表装置主电路参数，《abl、《ab2、…、《_分别代表各单元输出电压，"代表装置输出级联电压。为简化分析，设三相系统对称无畸变，且A相电动势为
β, - (1)
式中为电网基波角频率。此外，由于整流器和H桥逆变器通过直流电容隔离，可令整流器网侧电动势与系统电动势一致，即eM=es。1.四象限整流器直流侧数学模型
三相整流器开关采用单极性SPWM调制方法，设(A= a, b, c)为各桥臂SPWM占空比，当SPWM开关频率远高于电网频率时，则整流器直流侧电流厶d。与交流侧三相电流 {k= a, b, c)存在如下关系 W = dj^ + +^rnJlt (2)
整流器交流侧稳态相量关系参照图3，^为整流器输出电压相量(忽略高频开关谐波分量)相对于网侧电压相量尽的相位角，为交流侧电流相量八相对于尽的相位角，则可设交流侧三相电流为
权利要求
1.一种基于电流分离补偿的级联型H桥型DSTATC0M装置，其特征是它包括三相功率单元的级联结构；三相功率单元的级联结构采用Y型结构连接，以便实现三相电流的分相解耦控制；各功率单元采用AC-DC-AC的变流器结构，每个功率单元包括四象限整流器、直流电容C以及H桥逆变器，直流电容C左侧为四象限整流器，通过多绕组变压器隔离连接交流电网，四象限整流器结合直流电容C充当直流稳压电源，起到对各功率单元直流电压均衡控制的目的，四象限整流器提供输出补偿电流中的部分或全部基波正序无功补偿电流；直流电容C右侧为H桥逆变器，各单元H桥逆变器级联后通过电抗Zs连接电网，H桥逆变器只承担负序、谐波或部分无功补偿任务；当装置补偿负序电流时，四象限整流器为H桥逆变器提供双向有功能量流动通道。
2.一种应用级联型H桥型DSTATC0M装置进行电流分离补偿的方法，其特征是所述的四象限整流器结合直流电容C充当直流稳压电源，对各功率单元直流电压均衡控制；当 DSTATC0M装置补偿负序电流时，四象限整流器为H桥逆变器提供双向有功能量流动通道； 四象限整流器提供输出补偿电流中的部分或全部基波正序无功补偿电流；H桥逆变器只承担负序、谐波或部分无功补偿任务。
全文摘要
本发明提供了一种基于电流分离补偿的级联型H桥型DSTATCOM装置，其特征是它包括三相功率单元的级联结构；三相功率单元的级联结构采用Y型结构连接，以便实现三相电流的分相解耦控制；各功率单元采用AC-DC-AC的变流器结构，每个功率单元包括四象限整流器、直流电容C以及H桥逆变器，直流电容C左侧为四象限整流器，通过多绕组变压器隔离连接交流电网，四象限整流器结合直流电容C充当直流稳压电源，起到对各功率单元直流电压均衡控制的目的，四象限整流器提供输出补偿电流中的部分或全部基波正序无功补偿电流；直流电容C右侧为H桥逆变器，各单元H桥逆变器级联后通过电抗Ls连接电网，H桥逆变器只承担负序、谐波或部分无功补偿任务；当装置补偿负序电流时，四象限整流器为H桥逆变器提供双向有功能量流动通道。
文档编号H02J3/01GK102593841SQ201110458908
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者丁展, 付焕森, 夏华凤, 曹健, 李元贵, 许胜 , 赵小英 申请人:泰州师范高等专科学校