一种静止同步补偿器及其控制方法与流程

本发明涉及电网无功补偿领域，特别是涉及一种静止同步补偿器及其控制方法。

背景技术：

随着电力行业的不断发展，人们的用电需求逐渐增多，系统的无功需求也随之增大，静止同步补偿器(staticsynchronouscompensator，statcom)逐渐向着高压大容量的方向发展。模块化多电平变流器(modularmultilevelconverter，mmc)由于其电压等级高、输出谐波小、功率密度大和高度模块化等优点被广泛应用于柔性直流输电和电机驱动等领域，应用mmc的新型无功补偿装置mmc-statcom能够满足系统高电压、大容量的需求，在电能质量治理领域有着广泛的应用前景。为了提高无功补偿装置的容量，需要使多台三相mmc-statcom并联工作，这种方式可以满足容量需求，但存在一些不稳定因素，包括：多mmc并联运行，线路参数相互耦合，形成复杂的谐振网络，使得系统发生谐振的风险增大；mmc之间的运行状态以及系统参数和控制参数的差异可能引起mmc单元之间的功率振荡；多个mmc共同运行难以实现协调控制；mmc之间形成环流，增加系统损耗，降低系统效率；需要多个公共直流侧电容，增加系统成本。目前，针对多变流器并联运行的谐振抑制和环流控制问题已经有一定研究，但无法从根本上消除上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种静止同步补偿器及其控制方法，能够在提高装置耐压等级和容量的同时，避免多mmc之间的协调控制；降低电路网络复杂度，减小系统谐振、功率振荡的风险；节约成本，保证无功补偿装置的安全可靠运行。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种静止同步补偿器，所述静止同步补偿器包括：模块化多电平变流器、多绕组三相变压器和并网电抗器，所述模块化多电平变流器的交流输出端与所述并网电抗器的输入端相连，所述并网电抗器的输出端通过所述多绕组三相变压器接入三相电网，所述三相电网与负载连接，所述模块化多电平变流器的桥臂具有3n个，n为正整数。

可选的，多个所述桥臂之间相互并联。

可选的，所述桥臂与所述模块化多电平变流器的公共直流侧电容相并联。

可选的，所述桥臂由上桥臂和下桥臂串联组成。

可选的，所述上桥臂和下桥臂均由桥臂电感和多个半桥子模块串联构成。

可选的，所述模块化多电平变流器的交流输出端从所述上桥臂和下桥臂的连接点引出。

可选的，所述多绕组三相变压器的原边绕组和副边绕组分别采用不同的接线方式。

本发明还提供了一种静止同步补偿器的控制方法，所述方法应用于一种静止同步补偿器，所述静止同步补偿器包括：模块化多电平变流器、多绕组三相变压器和并网电抗器，所述模块化多电平变流器的交流输出端与所述并网电抗器的输入端相连，所述并网电抗器的输出端通过所述多绕组三相变压器接入三相电网，所述三相电网与负载连接，所述模块化多电平变流器的桥臂具有多个，所述桥臂之间相互并联，所述桥臂与所述模块化多电平变流器的公共直流侧电容相并联，所述桥臂由上桥臂和下桥臂串联组成，所述上桥臂和下桥臂均由桥臂电感和多个半桥臂模块串联构成，所述模块化多电平变流器的交流输出端从所述上桥臂和下桥臂的连接点引出；

所述方法包括：

采集电网负载侧电流ila、ilb、ilc；

对所述电网负载侧电流ila、ilb、ilc进行三相坐标变换，得到d-q坐标系下的待补偿的无功电流指令iq_ref；

将公共直流侧电容电压与参考信号做差，得到的差值信号；

采用pi模块对所述差值信号进行处理，得到有功电流的参考指令id_ref；

采集所述模块化多电平变流器的交流输出端的输出电流；

对所述输出电流进行坐标变换，将所述输出电流从六相静止坐标系变换到两相旋转坐标系；

将经过坐标变换后的所述输出电流中的无功电流与所述参考信号iq_ref做差，得到无功电流差值；

将经过坐标变换后的所述输出电流中的有功电流与所述参考信号id_ref做差，得到有功电流差值；

采用pi模块分别对所述无功电流差值和所述无功电流差值进行处理，分别得到输出信号uq和ud；

对所述输出信号uq和ud进行坐标变换，得到开关元件的调制波；

根据所述开关元件的调制波，采用载波移相调制方法，驱动主电路中的开关元件，使模块化多电平变流器的输出电流满足所需的无功功率。

可选的，所述方法还包括：

采用锁相环采集电网电压的相位；

所述对所述电网负载侧电流ila、ilb、ilc进行三相坐标变换，具体包括：

根据电网电压的相位，对所述电网负载侧电流ila、ilb、ilc进行三相坐标变换；

所述对所述输出信号uq和ud进行坐标变换，具体包括：

根据电网电压的相位，对所述输出信号uq和ud进行坐标变换。

可选的，所述方法还包括：采用d-q负序旋转坐标系下的环流抑制方法对模块化多电平变流器的桥臂环流进行处理。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的静止同步补偿器通过增加mmc桥臂个数，提高了交流侧输出电流等级，进而增加statcom的补偿容量。相比于多mmc并联运行的方式，本发明提供的静止同步补偿器控制方法只对一个mmc进行控制，降低了多mmc之间的协调控制复杂度，易于工程实现，同时避免了多个mmc并联的环流问题，减少系统损耗。而且，本发明电路相对简单，系统谐振和功率振荡的风险较低。此外，本发明只需要一个公共直流侧，成本更加节约。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例静止同步补偿器的结构示意图；

图2为本发明实施例静止同步补偿器中的模块化多电平变流器的拓扑结构图；

图3为本发明实施例无功补偿工况下静止同步补偿器的控制框图；

图4为本发明实施例在d-q负序旋转坐标系下的环流抑制方法示意图；

图5为本发明实施例在感性负载和容性负载切换时的网侧电压电流波形图；

图6为本发明实施例mmc输出无功功率的波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种静止同步补偿器及其控制方法，能够在提高装置耐压等级和容量的同时，避免多mmc之间的协调控制；降低电路网络复杂度，减小系统谐振、功率振荡的风险；节约成本，保证无功补偿装置的安全可靠运行。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例静止同步补偿器的结构示意图，如图1所示，本发明提供的静止同步补偿器包括模块化多电平变流器、多绕组三相变压器和并网电抗器，所述模块化多电平变流器的交流输出端与所述并网电抗器的输入端相连，所述并网电抗器的输出端通过所述多绕组三相变压器接入三相电网，所述三相电网与负载连接，所述模块化多电平变流器的桥臂具有多个，可以为3n个，n为正整数。

图2为本发明实施例静止同步补偿器中的模块化多电平变流器的拓扑结构图，如图2所示，所述模块化多电平变流器的包括多个(3n)桥臂，所述桥臂之间相互并联。所述桥臂与所述模块化多电平变流器的公共直流侧电容相并联。所述桥臂由上桥臂和下桥臂串联组成。所述上桥臂和下桥臂均由一个桥臂电感和多个(m个)半桥子模块串联构成。所述模块化多电平变流器的交流输出端从所述上桥臂和下桥臂的连接点引出。

优选的，所述多绕组三相变压器的原边绕组和副边绕组分别采用不同的接线方式。

mmc的交流输出端通过一个多绕组变压器连接在三相电网上，此时变压器副边电压由电网电压和变压器变比决定，控制mmc交流侧输出电压，改变mmc交流侧的输出电流(即变压器副边电流)，就能够达到控制变压器原边电流的效果，使其能够恰好补偿电网需要的无功电流分量。

多绕组三相变压器的原边绕组和副边绕组分别采用不同的接线方式可以消除交流侧特定次数谐波。以6桥臂mmc-statcom(n＝2)为例，为减少无功补偿电流中的5次和7次谐波，三绕组变压器原边采用d11型接线，副边采用d11和y型接线，变压器副边两组电压相位相差30°。

本发明还提供了一种静止同步补偿器的控制方法，该方法具体如下：

采集电网负载侧电流ila、ilb、ilc；

对所述电网负载侧电流ila、ilb、ilc进行三相坐标变换，得到d-q坐标系下的待补偿的无功电流指令iq_ref；

将公共直流侧电容电压与参考信号做差，得到的差值信号；

采用pi模块对所述差值信号进行处理，得到有功电流的参考指令id_ref；

采集所述模块化多电平变流器的交流输出端的输出电流；

对所述输出电流进行坐标变换，将所述输出电流从六相静止坐标系变换到两相旋转坐标系；

将经过坐标变换后的所述输出电流中的无功电流与所述参考信号iq_ref做差，得到无功电流差值；

将经过坐标变换后的所述输出电流中的有功电流与所述参考信号id_ref做差，得到有功电流差值；

采用pi模块分别对所述无功电流差值和所述无功电流差值进行处理，分别得到输出信号uq和ud；

对所述输出信号uq和ud进行坐标变换，得到开关元件的调制波；

根据所述开关元件的调制波，采用载波移相调制方法，驱动主电路中的开关元件，使模块化多电平变流器的输出电流满足所需的无功功率。

该方法还包括：

采用锁相环采集电网电压的相位；

所述对所述电网负载侧电流ila、ilb、ilc进行三相坐标变换，具体包括：

根据电网电压的相位，对所述电网负载侧电流ila、ilb、ilc进行三相坐标变换；

所述对所述输出信号uq和ud进行坐标变换，具体包括：

根据电网电压的相位，对所述输出信号uq和ud进行坐标变换。

该方法还包括：采用d-q负序旋转坐标系下的环流抑制方法对模块化多电平变流器的桥臂环流进行处理。

以6桥臂mmc(n＝2)为例，图3是无功补偿工况下静止同步补偿器的控制框图。其控制目标在于调节mmc交流侧输出电压，进而控制交流侧输出电流的幅值和相位，使其能够正确补偿电网所需的无功电流，同时保持mmc公共直流侧电容电压的稳定。如图3所示，usa为a相电网电压，ila、ilb、ilc为负载侧电流，udc为mmc公共直流侧电容电压，t3s/2r、t6s/2r和t2r/6s为坐标变换矩阵。

采用锁相环采集电网电压usa相位，电网负载侧电流ila、ilb、ilc经过三相坐标变换t3s/2r得到d-q坐标系下的待补偿的无功电流指令iq_ref；公共直流侧电容电压udc与参考信号udc-ref做差之后，经过pi模块输出有功电流的参考指令id_ref。mmc交流侧输出电流ia，ib，…iz经过坐标变换t6s/2r从六相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，令其中的无功电流iq跟踪参考信号iq_ref，同时使得有功电流id跟踪指令id_ref，满足直流电容电压稳定控制的需求，两个pi模块的输出信号uq和ud经过坐标变换t2r/6s得到开关元件的调制波。采用载波移相调制方法，输出的pwm信号驱动主电路中的开关元件，使得mmc输出满足需求的无功功率。

针对3n桥臂mmc桥臂环流中占有较大比例的负序二倍频分量，采用如图4所示的在d-q负序旋转坐标系下的环流抑制方法。以6桥臂mmc(n＝2)为例进行说明，将得到6相环流通过负序二倍频坐标变换得到d-q旋转坐标系下的两个直流量izd、izq和垂直子空间内的4个零序分量izx1,izx2,iz01和iz02，令其与参考值做差后通过pi控制器，由于d轴和q轴存在耦合，需要引入与电压前馈分量进行直流解耦，最终得到d-q坐标系下的6个补偿分量δuzd,δuzq…δuz02，通过坐标逆变换得到每个桥臂控制信号中需要叠加的补偿信号。在d-q坐标系下进行环流抑制，能够有效减小环流中的二倍频分量，且由于参考信号是直流量，pi控制器能够实现良好的无静差跟踪。

本实施例的无功补偿效果如图5、图6所示，在mmc的补偿作用下，网侧电压和电流达到同相位，在0.2s负载切换时电流波形产生了一定的畸变，在一个周波之后快速恢复稳定，且保持和电网电压相位相同。mmc向电网输入的无功功率在0.2s时数值由正变为负，具有较好的动态响应能力。

本发明提供的静止同步补偿器通过增加mmc桥臂个数，提高了交流侧输出电流等级，进而增加statcom的补偿容量。相比于多mmc并联运行的方式，本发明提供的静止同步补偿器控制方法只对一个mmc进行控制，降低了多mmc之间的协调控制复杂度，易于工程实现，同时避免了多个mmc并联的环流问题，减少系统损耗。而且，本发明电路相对简单，系统谐振和功率振荡的风险较低。此外，本发明只需要一个公共直流侧，成本更加节约。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。