一种改进型的模块化多电平STATCOM及其基频调制方法与流程

本发明涉及多电平statcom领域，尤其是一种多电平statcom的调制方法。
背景技术：
：基于电力电子器件的多电平变换器正在向高压大功率应用领域拓展，其具有低电磁干扰和低开关频率的优点。多电平变换器已成为大功率statcom电力电子装置中的核心部分，并被广泛应用于各种实验装置中。从所含谐波次数、损耗、成本等各方面对比考虑各种多电平拓扑结构，模块化型多电平变换器是最佳选择。通常情况下，由m个h桥所构成的模块化型多电平变换器所需要输出的阶梯波波形用基频调制法来产生，并且可以得到m个开关角的值从而达到消除m-1个谐波的目的。但在传统的基频调制法中，开关角是在假设子模块直流侧电容电压为理想电压源的前提下所求得的，并没有考虑它的波动情况。因此，对子模块直流侧电容电压的波动过程进行研究就变得非常有必要。技术实现要素：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种改进型的模块化型多电平statcom基频调制方法，解决了现有技术中未能考虑子模块直流侧电容电压波动的问题。本发明的另一目的是引入实际参数来求解精确的开关控制角值，提高直流电压利用率，降低电压输出谐波含量。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种改进型的模块化多电平statcom，变换器的每相均由多个单h桥变换器单元串联组成，每个单h桥变换器单元包含一个电容器和四个功率开关器件，其中每个功率开关器件均由igbt管反并联二极管构成，通过控制每个单h桥变换器单元内功率开关器件，可实现不同的开关组合，在单h桥变换器单元的输出端上产生正负vdc和0三个电平的电压输出，仅考虑每四分之一周期有一个开关角的情况，此时触发角α可控。本发明还提供涉及所述改进型的模块化多电平statcom的基频调制方法，详细步骤如下：步骤1：直流侧电容在稳态下充电并且直流侧电容电压的初始值为vdc0，在考虑电容充放电时，单h桥变换器单元的充、放电过程为：直流侧电容通过单h桥上的功率开关器件ss1和ss4和电路连接，即ss1和ss4导通，此时交流侧电流流经电容并对直流侧电容进行充、放电，故交流侧电流在电容电压初始值为vdc0的基础上将引起电容电压的波动，直流侧电容电压vdc(ωt)为公式(1)所示：vdc(ωt)＝vdc0+δvdc(ωt)(1)其中，vdc(ωt)为直流侧电容电压，vdc0为直流侧电容电压初始值，δvdc(ωt)为直流侧电容电压波动量；步骤2：充放电过程由交流侧电流流入或流出电容引起，从交流侧流入或流出单h桥的电流，即iac(ωt)表示为式(2)：其中，iac(ωt)为从交流侧流入或流出单h桥的电流，i1为从交流侧流入或流出单h桥的电流峰值；步骤3：交流侧电流的初始相位角可控，如电流平均值将为负，则vdc0下降；反之，如果电流平均值将为正，则vdc0上升；计算得到直流侧电容电压波动部分的表达式如式(3)所示：其中，cdc为直流侧电容容值，i1为从交流侧流入或流出单h桥的电流峰值，δvdc(ωt)为直流侧电容电压波动量；从而由公式(1)到公式(3)得到单h桥的交流侧输出电压表示为式(4)：步骤4：利用傅里叶分解将式(4)进行展开可得到各次谐波的表达式为：其中，v(t)为考虑电容充、放电的情况下单h桥的输出电压，vdc0为直流侧电容电压初始值，ω为输出基波角频率，n为傅里叶展开谐波次数，cdc为直流侧电容容值；输出电压vc的基波峰值是可控的，因为每个h桥单元每四分之一周期内只有一个开关角，m个单元消除m-1个频率的低次谐波，故第6k±1次的谐波被消除，基波和各次谐波幅值表达式如下式(6)所示：对于公式(6)，采用牛顿迭代法求解，进而得到各个开关角，即可达到控制目的。本发明的有益效果在于本发明的改进型的模块化多电平statcom及其基频调制方法考虑了子模块直流侧电容电压的实际波动情况，通过引入实际影响参数来求解精确的开关控制角值。该方法的提出，首先是对变换器建立了引入实际直流侧电容电压波动的数学模型，并将模型输入至控制器；然后基于所建立模型，在控制器内部求解出输出交流电压，并将该交流电压进行傅里叶分解，得到各频次输出电压；最后，利用得到的各频次输出电压进行谐波消除算法的实现，求解出精确的开关控制角值，将求解到的开关控制信号送入驱动器内，驱动器产生驱动信号驱动功率开关器件工作，从而得到更理想的变换器输出结果。附图说明图1是模块化型变换器的子模块单h桥单元。图2是容性模式下子模块交流电流、直流侧电容电压及h桥输出电压波形图，其中图2(a)为从交流侧流入或流出单h桥的电流iac波形图；图2(b)为直流侧电容电压vdc波形图，图2(c)为交流侧输出电压vac波形图。图3是感性模式下子模块交流电流、直流侧电容电压及h桥输出电压波形图，其中图3(a)为从交流侧流入或流出单h桥的电流iac波形图；图3(b)为直流侧电容电压vdc波形图，图3(c)为交流侧输出电压vac波形图。图4是基于11电平的传统基频调制法和改进基频调制法所对应的谐波分析结果；其中图4中(a)是基于11电平的传统基频调制法下的相电压波形及其谐波分析结果；图4中(b)是基于11电平的传统基频调制法下的线电压波形及其谐波分析结果；图4中(c)是基于11电平的改进基频调制法下的相电压波形及其谐波分析结果；图4中(d)是基于11电平的改进基频调制法下的线电压波形及其谐波分析结果。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。一种改进型的模块化多电平statcom基频调制方法，通过加入子模块电容电压波动的影响，实现了在特定谐波消去实施过程的超越非线性方程中引入了实际的补偿参数，从而可以得到更精确的开关角，减小输出中的谐波分量，提高直流侧电压的利用率，增大变换器效率。一种改进型的模块化多电平statcom，变换器的每相均由多个单h桥变换器单元串联组成，每个单h桥变换器单元包含一个电容器和四个功率开关器件，其中每个功率开关器件均由igbt管反并联二极管构成，通过控制每个单h桥变换器单元内功率开关器件，可实现不同的开关组合，在单h桥变换器单元的输出端(即图1的vac)上产生正负vdc和0三个电平的电压输出，仅考虑每四分之一周期有一个开关角的情况，此时触发角α可控。所述改进型的模块化多电平statcom的基频调制方法如下：步骤1：直流侧电容在稳态下充电并且直流侧电容电压的初始值为vdc0，在考虑电容充放电时，单h桥变换器单元的充、放电过程为：直流侧电容通过单h桥上的功率开关器件ss1和ss4和电路连接，即ss1和ss4导通，此时交流侧电流流经电容并对直流侧电容进行充、放电，故交流侧电流在电容电压初始值为vdc0的基础上将引起电容电压的波动，直流侧电容电压vdc(ωt)为公式(1)所示：vdc(ωt)＝vdc0+δvdc(ωt)(1)其中，vdc(ωt)为直流侧电容电压，vdc0为直流侧电容电压初始值，δvdc(ωt)为直流侧电容电压波动量；步骤2：充放电过程由交流侧电流流入或流出电容引起，从交流侧流入或流出单h桥的电流，即图1上所示的iac(ωt)表示为式(2)：其中，iac(ωt)为从交流侧流入或流出单h桥的电流，i1为从交流侧流入或流出单h桥的电流峰值；步骤3：交流侧电流的初始相位角可控，如电流平均值将为负，则vdc0下降；反之，如果电流平均值将为正，则vdc0上升；计算得到直流侧电容电压波动部分的表达式如式(3)所示：其中，cdc为直流侧电容容值，i1为从交流侧流入或流出单h桥的电流峰值，δvdc(ωt)为直流侧电容电压波动量；从而由公式(1)到公式(3)得到单h桥的交流侧输出电压表示为式(4)：步骤4：利用傅里叶分解将式(4)进行展开可得到各次谐波的表达式为：其中，v(t)为考虑电容充、放电的情况下单h桥的输出电压，vdc0为直流侧电容电压初始值，ω为输出基波角频率，n为傅里叶展开谐波次数，cdc为直流侧电容容值；以m个h桥单元串联构成的多电平级联型变换器为研究对象，来分析改进型基频调制法，每个h桥单元的触发角αi(i＝1,…,m)是独立可控的，可以通过谐波消除算法来实现。以m＝5为例，输出电压vc的基波峰值是可控的，因为每个h桥单元每四分之一周期内只有一个开关角，故一共5次、7次、11次、13次四个谐波可以被消除，特定谐波消去法是根据需要选择要消除的谐波次数，通过列写开关角的独立方程求解，一般情况下由于低次谐波幅值大大，因此在消除过程中消除低次谐波即可。如果m个单元，可以消除m-1个频率的低次谐波，低次谐波的次数必须满足6k±1的关系，k为大于1的正整数，基波和各次谐波幅值表达式如下式(6)所示：对于公式(6)，采用牛顿迭代法求解，进而得到各个开关角，即可达到控制目的。在传统的基频调制法中，直流侧电容电压为恒定值vdc0，未考虑电容的充、放电过程。但在实际中若电容连接于ss1，ss4，即ss1和ss4导通，此时交流侧电流流经电容并对其进行充、放电。故交流侧电流在电容电压初始值为vdc0的基础上将引起电容电压的波动，如图2、图3所示分别为容性模式和感性模式下电容电压波形；通过分析得到电容电压波动表达式如式(1)所示，因此单h桥变换器交流侧输出电压可表示为式(4)。将输出交流电压进行傅里叶分解得到各频次输出电压表达式如式(4)所示，采用谐波消除算法计算出各功率开关器件的触发角度。利用matlab/simulink对该改进型的模块化多电平statcom基频调制方法进行了仿真，仿真参数如表1所示，并与传统调制方法进行对比，波形图如图4所示。通过波形图及谐波分析结果可以看出，提出的改进基频调制方法能够有效提高直流电压利用率，并降低了输出电压谐波含量。表1：仿真参数vnslvdc0cdcm220v2mh70v20mf4.23本发明一种改进型的模块化多电平statcom基频调制方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：将控制器与该模块化型多电平statcom连接。步骤2：建立考虑直流侧电容电压波动的变换器数学模型，并将该数学模型输入至控制器。步骤3：输入具体的statcom电路参数，经过运算后得到输出交流侧输出电压(公式(3))。步骤4：将该交流电压利用傅里叶算法进行分解，得出各频次电压分量(公式(4))。步骤5：利用谐波消除算法将各次谐波进行消除，计算出各单元h桥的准确触发角度值。步骤6：利用该触发角度值得到相应的触发脉冲，经过驱动放大后输出给各个功率开关器件，得到更理想的输出电压。当前第1页12