一种级联对称半桥型低容值STATCOM及其控制方法

本发明涉及电力系统动态无功补偿，具体为一种级联对称半桥型低容值statcom及其控制方法。

背景技术：

1、随着可再生能源的快速发展和智能电网的推广，电力系统面临着新的机遇和挑战。可再生能源的波动性和不可预测性对电力系统的无功功率平衡提出了更高要求。无功功率补偿在保障电力系统的可靠、稳定运行中扮演着至关重要的角色。静止同步补偿器(static synchronous compensator,statcom)作为一种高性能无功功率补偿设备被广泛应用。其中级联多电平statcom成为近些年的研究热点，级联多电平statcom不仅可以实现无功功率补偿，还能对电力系统进行电压调节和谐波抑制，从而提高电能质量和稳定性。其多电平结构使其具备更好的电压和功率控制能力，能够适应不同电压等级和功率范围的应用需求。此外，通过使用先进的开关技术和控制算法，级联多电平statcom能够实现快速响应和精确的无功功率补偿，优化无功功率补偿能力，提高电力系统的动态性能和稳定性。因此，深入探索和优化级联多电平statcom的设计和控制策略，可以为电力系统的无功功率补偿提供更完善的解决方案。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种级联对称半桥型低容值statcom及其控制方法，与传统级联h桥statcom相比减少一半的开关器件数量，同时其直流侧采用小电容，可以考虑用薄膜电容替代电解电容，显著提高了statcom系统的功率密度与可靠性。同时基于直流侧电容电压分析，设计了电容电压控制方法。此外还给出了级联对称半桥型低容值statcom直流侧电容的选取方法，同时提高了感性工况下直流侧电容电压的大小以拓宽其运行范围。技术方案如下：

2、一种级联对称半桥型低容值statcom，包括交流电源vg、滤波电感l和n个对称半桥子模块；滤波电感l一端连接到交流电源vg的正极，另一端连接到节点a，交流电源vg的负极连接到节点b；

3、所述对称半桥子模块包括：两个全控型开关管tiu和tid，两个小电容ciu和cid，i＝1,2,···n，上开关管tiu中三极管的e极和下开关管tid中三极管的c极同时连接到该子模块的电流流入点，上电容ciu的正极连接到上开关管tiu中三极管的c极，下电容cid的负极连接到下开关管tid中三极管的e极，上电容ciu的负极和下电容cid的正极同时连接到该子模块的电流流出点；

4、各对称半桥子模块通过电流流入点和电流流出点级联的方式形成级联对称半桥型变流器，连接到节点a与节点b之间。

5、进一步的，所述小电容为薄膜电容。

6、更进一步的，所述对称半桥子模块的调制采用双极性载波移相正弦脉宽调制，取t0＝0为初始时，对称半桥子模块上电容电压viu(t)为：

7、

8、其中，m为调制波的幅值，ω为电网角频率，igm为电网电流的幅值，cdc为直流侧电容值，即上电容ciu和下电容cid的取值；viu0为上电容电压直流量，为上电容电压交流量；

9、对称半桥子模块下电容电压vid(t)为：

10、

11、其中，vid0为下电容电压直流量，为下电容电压交流量；

12、则用于控制系统的谐波补偿包括：

13、谐波补偿1：

14、谐波补偿2：

15、一种级联对称半桥型低容值statcom的控制方法，包括：

16、1)直流侧总电容电压控制：

17、通过控制有功功率来调节总电容电压；n个子模块的电容电压累加求取平均值vav，注入谐波补偿1后与设定的直流侧电容电压参考值v0_ref进行比较，差值由一个pi控制器追踪输出有功电流参考值id_ref；参考电压v0_ref的设定依据statcom运行模式以及输出无功电流的大小而采用不同的控制方式：当statcom运行于电容模式且输出无功电流小等于额定无功电流iqn时，进行电容电压峰值控制；当statcom运行于电容模式且输出无功电流大于额定无功电流iqn时，进行电容电压谷值控制；当statcom运行于电感模式时，进行电容电压谷值控制；

18、2)变流器电流内环控制；

19、电流内环控制的电流参考值ig_ref由有功和无功部分组成；有功电流参考值id_ref是由直流侧总电容电压控制产生的，无功电流参考值iq_ref由变流器输出的无功电流大小进行设定；参考电流与实际电流的差值通过一个pr控制器进行追踪，pr控制器输出值加上前馈信号vabm·sinωt标幺化后输出调制波mref；

20、3)子模块间电容电压均衡控制；

21、每个对称半桥子模块采用一个单独的pi控制器来注入调制波调整分量，每个对称半桥子模块的上下电容平均值与直流侧总电容电压控制得到的电容电压平均值vav进行比较后通过一个pi控制器与锁相环输出的电容模式cosωt或电感模式-cosωt相乘，输出调制波调整分量δmi_ref，该调制波调整分量与变流器输出电流同相；

22、4)子模块上下电容电压均衡控制；

23、每个对称半桥子模块上下电容的差值通过谐波补偿2进行谐波补偿后利用一个单独的pi控制器进行追踪；pi输出值注入到子模块的调制波，作用相当于对调制波进行上下偏置，使得功率在上下电容间进行调整从而达到电容电压平衡。

24、进一步的，在直流侧总电容电压控制中，直流侧电容电压参考值v0_ref的设定具体如下：

25、a)电容模式电容电压控制：

26、在正常工作模式下，系统以一个固定的电容电压波动峰值运行，电容电压波动峰值vc_max由下式得到：

27、

28、式中，vi_max为第i个子模块电容电压波动最大值，iq_ref为无功电流参考值；

29、为了在不同的无功电流参考值iq_ref下有一个恒定的电容电压波动峰值vc_max，引入控制变量a使得直流侧电容电压参考值v0_ref与电网电压幅值相关联：

30、vc_max＝avgm

31、式中，vgm为电网电压；

32、则直流侧电容电压参考值v0_ref表示为：

33、

34、式中，iqn为额定无功电流；且控制变量a的取值为：

35、

36、式中，vabm为变流器输出交流电压vab幅值，l为滤波电感值；

37、当无功电流超过额定电流时，对称半桥型低容值运行于超功率运行模式，此时系统以一个固定的电容电压谷值运行，电容电压波动谷值vc_min由下式得到：

38、

39、式中，vi_min为第i个子模块电容电压波动最小值；

40、为了在不同的无功电流参考值iq_ref下有一个恒定的vc_min，引入控制变量b使得直流侧电容电压参考值v0_ref与电网电压幅值相关联：

41、vc_min＝bvgm

42、且控制变量b的取值范围为0<b<a，此时，直流侧电容电压参考值v0_ref表示为：

43、

44、b)电感模式电容电压控制：

45、在电感模式下对称半桥型低容值statcom系统以一个固定的电容电压谷值运行，电容电压谷值vl_min由下式得到：

46、

47、为了在不同的无功电流参考值iq_ref下有一个恒定的vl_min，引入控制变量c关联直流侧电容电压参考值v0_ref与电网电压幅值：

48、vl_min＝cvgm

49、其中控制变量c取值为：

50、

51、直流侧电容电压参考值v0_ref表示为：

52、

53、同时限定额定运行功率下的电压波动峰值为电压上限vl_max，vl_max由下式求取：

54、

55、进一步的，所述级联对称半桥型低容值statcom的直流侧电容值的选取方法为：

56、

57、式中，n为子模块个数，iqn为额定无功电流，β定义为级联对称半桥型statcom直流侧电容cdc允许的电压波动大小与vgm的比值；表示为：

58、β＝a-b

59、所述控制方法还包括拓宽感性工况运行方法：

60、为电感模式其与电容模式具有对称的无功补偿能力，电则感模式下电容电压上限vl_max为：

61、vl_max＝cvgm+βvgm。

62、本发明的有益效果是：本发明采用对称半桥子模块作为级联变流器的子模块，与传统的级联h桥相比减少了一半的开关器件数量。通过充分利用直流侧电容电压波动大幅减小了电容容值，可以考虑用薄膜电容替代电解电容，增加了statcom系统的功率密度及可靠性。同时通过适当提高电感模式下直流侧电容电压的电压拓宽了感性工况下的运行范围。此外，本发明所设计的控制方法能良好控制所提出的级联对称半桥型statcom系统。