一种基于模块化多电平抑制电容电压脉动的STATCOM装置的制作方法

本发明涉及电力电子柔性输电设备技术领域，具体涉及一种基于模块化多电平抑制电容电压脉动的STATCOM装置。

背景技术：

工业交流电弧炉、电气化铁路等大量不平衡工业负荷与单相大容量负荷的存在，以及电力电子装置的广泛使用，给电力系统带来了大量的无功电流和负序电流，不仅增加了损耗，而且危害电力设备。在此背景下，由于电力电子技术能够参与维持电力系统稳定运行及潮流分布，日益成为电力系统补偿和调节的重要技术手段。

静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator:STATCOM)是电力电子装置参与电网调节的主要应用之一。STATCOM可被看作一个可控独立电压源，视应用场合可以进行无功功率补偿、接入点电压调节、谐波抑制等，以提高公共接入点(PCC)的电能质量，改善系统的稳定性。随着用户对电能质量要求的逐步提高，STATCOM开始受到越来越多的关注和研究。

基于传统两电平PWM工作方式的STATCOM系统，受单个功率器件耐压的限制无法应用到中高压领域，受单个器件开关频率的限制，其输出端一般需要笨重的无源滤波器才能接入电网。而模块化多电平是用低压功率器件实现高压大功率变换的技术，它的模块化设计、使用低压开关器件、输出波形质量好等众多优点被认为非常适合应用在中、高压大功率的电能质量调控的场合。其基本原理是使用多个相同结构的基本变换器单元串联，实现等数目电平的阶梯输出电压来逼近正弦电压波形，并已在工业领域成功应用。

基于模块化多电平(简称“MMC”)的STATCOM在学术界已经得到了广泛的关注和研究，且授权公告号CN201774259U一种基于MMC的无变压器STATCOM拓扑结构，以及基于模块化多电平变流器的无功补偿(MMC-STATCOM)方法，在申请公告号为CN 105226687 A中提供一种适用于大规模光伏发电的储能系统拓扑结构及其控制策略，该拓扑结构包括相连的补偿装置和A、B、C三相电网电路；所述补偿装置为将STATCOM功能与储能系统功能相结合的装置。该拓扑结构易于向高压大功率领域扩展，同时由于其开关频率低、损耗小，与储能装置结合可以减小储能系统的容量，从而减小装置的成本和体积。但是，基于模块化多电平的STATCOM仍存在一些固有问题需要界关注和给予解决，首先，基于MMC的STATCOM中公共直流母线存在电网等级的高电压，一旦直流侧短路，将引起巨大的短路电流，烧毁器件；其次，工程经验表明，MMC中大量的子模块电容占据了装置的大量空间，从而增加了装置的体积，同时也增加了系统成本，减少子模块电容器的电容值能大大缩减电容器的电容，从而显著减少装置的体积，减低装置成本；另外，当STATCOM用于有中性点系统的不平衡系统，并且需要偿不平衡电流时，额外的零序通道使MMC的增加一个桥臂，装置的成本和体积也成比例的增加。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明针对基于MMC的STATCOMM系统，为减少MMC子模块电容体积、消除高压直流侧电压、减少补偿不平衡电流时多增加的器件数量，本发明提供了一种新的无功补偿装置，本发明采用新的桥臂相来消除直流母线电压，通过在上下桥臂间增加连接电容来形成能量通道以抑制子模块电容电压的低频脉动，采用两个低电压等级的缓冲电感及一个无源谐振电路来构成零序电流通道。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于模块化多电平抑制电容电压脉动的STATCOM装置，包括直接通过连接电感并联在公共节点的STATCOM系统，所述STATCOM系统包括桥臂相A、桥臂相B、桥臂相C和桥臂相D；

所述桥臂相A、桥臂相B、桥臂相C由开关器件构成，分别与电网的A、B、C相连接，形成无功电流和负序电流的补偿通道，

所述桥臂相D由两个电感组成，与电网的中性点连接，形成零序电流补偿通道，以实现电网或负载不平衡下的全电流补偿。

所述STATCOM系统，根据ip-iq方法计算所需补偿的无功电流、负序电流和零序电流的指令值，再计算MMC按指令电流输出补偿电流所对应的变换器端口电压，采用载波移相调制策略合成所要求的端口输出电压。

所述STATCOM系统的直流侧不包含储能支撑电容。

所述STATCOM系统中的所述桥臂相A、所述桥臂相B和所述桥臂相C的结构相同，且桥臂相A、桥臂相B和桥臂相C均由上桥臂和下桥臂串联组成；

所述上桥臂由多个半桥子模块依次首尾串联形成上、下两端口电路，所述下桥臂和所述上桥臂的结构相同，且所述下桥臂的下端口连接所述上桥臂的下端口共同组成一个桥臂相，即，所述上桥臂的结构旋转180度作为下桥臂与上桥臂顺接。

所述上桥臂和下桥臂分别包含2N个子模块。

所述上桥臂和下桥臂的连接点两边各串联一个相同的缓冲电感。

所述半桥子模块由两个全控开关器件串联，串联后形成的两端电路与电容并联，两个全控器件分别反并联一个二极管。

所述桥臂相D由两个缓冲电感串联形成两端口电路，缓冲电感与桥臂相A、桥臂相B、桥臂相C中的缓冲电感相同。

所述桥臂相A、桥臂相B、桥臂相C、桥臂相D一端通过正的公共直流母线P连接，其另一端通过负的公共直流母线N连接。

所述桥臂相A、桥臂相B、桥臂相C的中点引出端与电网连接，作为补偿电流的通道，桥臂相D的中点通过一个交流通道与电网中性点连接。

所述交流通道由无源元件组成。

所述STATCOM系统的公共直流母线P和公共直流母线N间的电势差为零，所述STATCOM系统中公共直流母线P和公共直流母线N间的电势差为零的原理如下：

每个桥臂相的上桥臂和下桥臂合成电压表示为：

其中，V_C为一个桥臂的所有子模块电容电压之和，ω₀是工频角频率，

则公共直流母线P和N的电压为uPN：

u_PN＝u_U+u_L＝0 (3)

其中，uU、uL分别为上桥臂和下桥臂的合成电压。

所述桥臂被等分为上、下两个子桥臂，每个子桥臂包含N个子模块，桥臂相的上桥臂中上、下子桥臂中点与下桥臂的上、下子桥臂中点通过连接电容连接，形成能量通道。

所述连接电容仅承受高频电压，不承受电网等级的直流电压和工频电压，即，电压等级及容量较小。

所述连接电容的桥臂相能实现子模块电容电压的脉动抑制，其抑制原理如下：

一个桥臂相的等效电路如图2所示，省略工频成分和直流成分，一个桥臂相的等效电路等效为图3，在图3中，仅仅保留能够生成有功功率的量，则图3进一步简化为图4，图4中高频分量的电压、电流表示成

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是上桥臂的上子桥臂合成电压，uU2是上桥臂的下子桥臂合成电压；

uL₁是下桥臂的上子桥臂合成电压，uL₂是下桥臂的下子桥臂合成电压；ue是ih的激励，ue为高频量，其角频率为ω。

每个桥臂相的4个子桥臂电流为

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是上桥臂的上子桥臂的电流，iU₂是上桥臂的下子桥臂的电流；

iL₁是下桥臂的上子桥臂的电流，iL₂是下桥臂的下子桥臂的电流；

则各个子桥臂的功率为：

每式中的前三项为交流量，不产生有功，每式的最后一项为有功项，并且，上桥臂的有功与下桥臂的有功方向相反，用以抑制上下桥臂电容中方向相反的低频脉动功率。

所述的ih是一个被控自由度，控制ih的幅值和相位从而控制上下桥臂功率交换的方向和大小。

本发明达到的有益效果是：

1.本发明基于MMC拓扑，但消除了MMC的直流母线电压，消除了直流侧公共母线短路的隐患，提高了装置的安全性，并且保留了MMC的模块化特点。

2.工程实际证明，MMC装置中大量的浮动电容占据了装置的巨大空间，其成本也甚至高于其对应的半桥模块，本发明通过对占主导的一次脉动电压成分的抑制，直接降低了浮动电容所承受的电压等级，便于选择较小的浮动电容，降低了系统成本，减小了装置体积；

3.本发明新的桥臂相结构消除了两端的电网级电压，因此，能够使用由开关器件构成的桥臂相替代常规由开关器件组成的桥臂相，电容和开关器件数目降为常规结构的3/4，从而显著降低装置成本和体积，此外，装置的驱动电路也相应较少为常规的3/4，提高了系统的可靠性，也减少了系统损耗；

4.电容电压低频脉动的抑制方法中，增加的硬件成分几乎极小，抑制方法对补偿电流无影响；

5.本发明的相桥臂的应用不仅仅局限于无功补偿的应用场合，能够替代现有采用级联H桥多电平拓扑装置的相桥臂，如级联H桥星型拓扑、级联H桥星型拓扑、前置整流电路等。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明提出的STATCOM系统；

图2是本发明的单相完全等效电路图；

图3是本发明的省略工频和直流成分的单相高频分量等效电路图；

图4是在图3的基础上进一步省略与有功无关的成分后所形成的单相有功高频分量等效电路图；

图中：

1代表每个桥臂相的上桥臂；2代表每个桥臂相的下桥臂；

代表每个桥臂的子上桥臂；4代表每个桥臂的子下桥臂；

5桥臂缓冲电感；

6上、下桥臂的连接电容；

7变换器与电网间的连接电感。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-4，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

一种基于模块化多电平的抑制电容电压脉动的STATCOM系统，所述STATCOM系统直接通过连接电感并联在公共节点，无需变压器，该STATCOM系统包含4个桥臂相，其中，桥臂相A、桥臂相B、桥臂相C由开关器件构成，桥臂相D由两个电感组成。

所述桥臂相A、桥臂相B、桥臂相C的结构相同，每个桥臂相由上桥臂1、下桥臂2两个桥臂串联组成，上桥臂由多个半桥子模块依次首尾串联，形成上、下两端口电路，下桥臂和上桥臂的结构相同，上桥臂两端口电路旋转180度后作为下桥臂，然后与上桥臂顺接，组成本发明新的桥臂相，这与常规MMC结构不同；上、下桥臂连接点的两边各串联一个相同的缓冲电感5。每个桥臂包含2N个子模块，每个半桥子模块由两个全控开关器件串联，串联后形成的两端电路与电容并联，两个全控器件分别反并联一个二极管。

桥臂相D由两个缓冲电感5串联形成两端口电路。

所述桥臂相A、桥臂相B、桥臂相C和桥臂相D一端通过正的公共直流母线P连接，它们的另一端通过负的公共直流母线N连接；桥臂相A，桥臂相B、桥臂相C的中点，作为引出端，分别串联一个连接电感7后并入电网的A、B、C相，用于补偿电网的无功电流、负序电流；桥臂D中点的引出端通过串联一个无源的通交流阻直流电路(优选LC工频谐振电路)，并入电网的中性点，用以形成零序电流补偿通道。

上、下桥臂通过连接电容6形成能量通道，以抑制上、下桥臂子模块电容中低频脉动，具体连接方法是：桥臂被等分为上、下两个子桥臂，每个子桥臂包含N个子模块，桥臂相上桥臂的上、下子桥臂中点与下桥臂上、下子桥臂中点通过连接电容连接。该连接电容容量及电压等级较小，根据工程需要，可以用单个电容，也可以使用多个电容组成的级联串。

所述STATCOM系统补偿指令的计算方法与现有技术无实质差异。

此外，本发明的桥臂相可以替代现有级联H桥多电平的桥臂相，从而达到只采用半桥子模块仅仅合成输出交流电压的目的。

作为本发明的另一个实施方式，所述STATCOM系统的公共直流母线P和公共直流母线N间的电势差为零，所述STATCOM系统中公共直流母线P和公共直流母线N间的电势差为零的原理如下：

每个桥臂相的上桥臂和下桥臂合成电压表示为：

其中，V_C为一个桥臂的所有子模块电容电压之和，ω₀是工频角频率，

则公共直流母线P和N的电压为uPN：

u_PN＝u_U+u_L＝0 (3)

其中，uU、uL分别为上桥臂和下桥臂的合成电压。

所述桥臂被等分为上、下两个子桥臂，每个子桥臂包含N个子模块，桥臂相的上桥臂中上、下子桥臂中点与下桥臂的上、下子桥臂中点通过连接电容连接，形成能量通道。

所述连接电容仅承受高频电压，不承受电网等级的直流电压和工频电压，即，电压等级及容量较小。

所述连接电容的桥臂相能实现子模块电容电压的脉动抑制，其抑制原理如下：

一个桥臂相的等效电路如图2所示，省略工频成分和直流成分，一个桥臂相的等效电路等效为图3，在图3中，仅仅保留能够生成有功功率的量，则图3进一步简化为图4，图4中高频分量的电压、电流表示成

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是上桥臂的上子桥臂合成电压，uU2是上桥臂的下子桥臂合成电压；

uL1是下桥臂的上子桥臂合成电压，uL2是下桥臂的下子桥臂合成电压；ue是ih的激励，ue为高频量，其角频率为ω。

每个桥臂相的4个子桥臂电流为

i_U1＝I_hcos(ωt)

i_U2＝-I_hcos(ωt)

i_L1＝-I_hcos(ωt)

i_L2＝I_hcos(ωt) (5)

其中，iU1是上桥臂的上子桥臂的电流，iU2是上桥臂的下子桥臂的电流；

iL1是下桥臂的上子桥臂的电流，iL2是下桥臂的下子桥臂的电流；

则各个子桥臂的功率为：

每式中的前三项为交流量，不产生有功，每式的最后一项为有功项，并且，上桥臂的有功与下桥臂的有功方向相反，用以抑制上下桥臂电容中方向相反的低频脉动功率。

所述的ih是一个被控自由度，控制ih的幅值和相位从而控制上下桥臂功率交换的方向和大小。

本发明达到的有益效果是：

1.本发明基于MMC拓扑，但消除了MMC的直流母线电压，消除了直流侧公共母线短路的隐患，提高了装置的安全性，并且保留了MMC的模块化特点。

2.工程实际证明，MMC装置中大量的浮动电容占据了装置的巨大空间，其成本也甚至高于其对应的半桥模块，本发明通过对占主导的一次脉动电压成分的抑制，直接降低了浮动电容所承受的电压等级，便于选择较小的浮动电容，降低了系统成本，减小了装置体积；

3.本发明新的桥臂相结构消除了两端的电网级电压，因此，能够使用由开关器件构成的桥臂相替代常规由开关器件组成的桥臂相，电容和开关器件数目降为常规结构的3/4，从而显著降低装置成本和体积，此外，装置的驱动电路也相应较少为常规的3/4，提高了系统的可靠性，也减少了系统损耗；

4.电容电压低频脉动的抑制方法中，增加的硬件成分几乎极小，抑制方法对补偿电流无影响；

5.本发明的相桥臂的应用不仅仅局限于无功补偿的应用场合，能够替代现有采用级联H桥多电平拓扑装置的相桥臂，如级联H桥星型拓扑、级联H桥星型拓扑、前置整流电路等。

以上所述实施例，仅为本发明应用于STATCOM的实施例，本领域技术人员应能理解，本发明所述半桥子模块属于本发明的优选结构，本发明不局限于由半桥电路组成的桥臂，也包括其它多电平或不同形式的单电平单极型结构模块，涉及该类相桥臂的拓扑结构都应该涵盖在本发明。